热敏电阻呼吸频率传感器

热敏电阻呼吸频率传感器 1 0引言 0 1研究背景及意义 社会的发展 技术的进步 产品的更新 生活节奏的加快 等等一系列的社会与 物质的因素 使人们在享受物质生活的同时 更加注重产品在 方便 舒适 可靠 价值 安全 和 效率 等方面的评价 也就是在产品设计中常提到的人性化设计问 题 1 所谓人性化产品 就是包含人机工程的产品 只要是 人 所使用的产品 都应在 人机工程上加以考虑 产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的 我们可以将它们描 述为 以心理为圆心 生理为半径 用以建立人与物 产品 之间和谐关系的方式 最大 限度地挖掘人的潜能 综合平衡地使用人的肌能 保护人体健康 从而提高生产率 若 将产品类别区分为专业用品和一般用品的话 专业用品在人机工程上则会有更多的考虑 它比较偏重于生理学的层面 而一般性产品则必须兼顾心理层面的问题 需要更多的符 合美学及潮流的设计 也就是应以产品人性化的需求为主 现代产品人机的关系需要综合评价 即遵循安全性 可靠性 宜人性的原则 安全性 为人和产品的客观因素 行为因素 生理因素 心理因素 可靠性为产品的使用功能 使用寿命 环境条件 宜人性为产品的使用方便 人是否容易疲劳 产品设计是否符合 人的生理特征 产品的形态 色彩 质感 装饰是否满足人的心理要求 微气候 温度 湿度 照明 噪声 振动等等 是否适合于人 近些年 关于人的状态研究 2 3 4 5 6 以及对人体特征的研究 7 8 9 是多种多样的 随着社会的发展 人们的素质不断的提高 人性化产品设计越来越受到的重视 呼吸是人类进行正常生活的必须的一种行为 并且 呼吸的频率一定程度上反映了 许多的生理信息 维持人体生命正常的各项生理指标在一定范围内是能够保持动态平衡 的 集体通过各种反馈途径 能够自身稳定各项重要功能处于正常状态 呼吸频率 作为生理参数的一种 是急性呼吸功能障碍的敏感指标 不论是医生还 是护理人员都把它作为生命指征之一 因此呼吸频率传感器就尤为重要 呼吸频率传感 器能够实时地反映呼吸状况 记录下呼吸单位时间内的吸次数并且能够显示当前的呼吸 频率 这能够帮助医生和研究人员实时掌握病人的情况 并及时地做出有效的治疗以挽 救病人的生命 并且 现在随着生产技术的需要 在生产的过程中对人的呼吸频率及其 他参数进行检测显的越来越重要了 比如 通过对呼吸频率的研究 就可以对人的技能 水平等进行估测 由于大规模集成电路等电子技术及信息处理功能的飞速发展 以微型计算机为中心 的微电子也以其磅礴之势不断向人类社会各个领域扩散 渗透 极大程度地改变着人们 的科技 生产方式和生活 社会结构 尤其是微型计算机的出现 科技界 产业界 防 电子工程系毕业设计说明书 2 务与民用领域中 各种各样的电子设备都广泛地用它作 电脑 用以运算 处理 裁 决不同类型的问题 使其有关设备日渐实现自动化 系统化和智能化 与此同时 要求 能够迅速 准确 灵敏地将有关信息获取并传输到电子设备或系统的器件 电子传感 器 便显得特别重要并得到了很大发展 早期出现的传感器 多是利用构件的移动 伸缩等几何尺寸与位置的变化来测量物 理量 再转变成电磁量 如利用毛发 肠衣的伸缩来感知湿度的变化 再进一步用以移 动衔铁来必变电感器 从而获得电磁信号 金属膜伸缩来感知温度的变化并转变为电阻变 化待 这类传感器常称之为结构型传感器 目前结构型传感器在工业自动化 过程检测 与其它等方面仍占有相当大的比重 随着半导体陶瓷及有机高分子功能材料的不断开发 使传感器技术别开面 这些功 能材料 在一定场合下可以直接感知某些等测的非电或电物理量或生物量 并将之转变 为电信号 这些待测对象的被感知 并不是通过结构的改变来实的 而只是敏感材料的 改变故常称之为物性型传感器 尽管物性型传感材料发展较晚 但它具有结构简单 体 积小 重量轻 反应灵敏 易于集成化 微型化等一系列优点 故引起传感技术界与科技 界的高度重视 虽然目前还不够完善 存在不少问题有待解决 但确有较大的发展势头 方兴未艾 前途不可限量 电子传感器作为一种独立器件 当它和微电子技术与微处理技术结合后 出现了新 的突破 现阶段正朝着集成化 智能化的方向快发展 这不仅给敏感材料与敏感机理提出了高的要求 同时也对半导体工艺与大规模集成 技术提出了 更高的要求 传感器技术变成了一门学科交叉型和知识密集型的应用技术 它要求既要探索和了解传感技术 又要研究和制作敏感材料 既要熟悉待测对象各种变 化习性 又要把所获取信号放大 传输 储存 反馈 处理 显示等 在本文中 我们将温度传感器来测量呼吸的频率 热量及与之相关的温度是与人类生 活关系最为密切的物理量 也是人类研究最早 检测方法最多的物理量之一 自古以来 许多测量应变法已为人们所熟知 随着社会的发展与进步 温检测的重要性日益提高 温度传感器的应用范围也日益扩大 在工业 农业 交通运输 防灾 医疗 空间及海 洋开发 家用电器等各个领域中都离不开温度传感器 0 2目前国内外的研究情况 近年来 随着电子计算机技术的显著进步 对温度传感器的要求越来越高 高精度 高稳定性的产品需求量不断扩大 因此 高性能的温度传感器的开发及应用 更加引起 人们的重视 温度传感器按使用的方式可分成二大类 测温时使传感器与被测物体直接 接触的称为接触型温度传感器 传感器与被测物体不接 而是利用被测物发出的热辐射 热敏电阻呼吸频率传感器 3 来测量的称为非接触型温度传感器 并且 传感器技术 微电子技术以及微机技术的发展加速了监护仪器的更新换代的 步伐 主要特征是 生理信号采集的扩展 多功能测量插件 应用微机改善了信号的分 析与处理的速度 仪器体积减小 重量减轻 耗电少 实现集成化 在国外医用监护仪器用于对病人的加强护理已经有 20 余年的历史 监护的内容可分 为危重病监护 手术监护 胎儿监护 呼吸监护和脉搏血氧监护等 这类仪器有丹麦的 DANICA 公司出产的 DALDGUE200 系列中心 床边监护仪 德国的西门子公司出产的 SIRECST730 系列监护仪等等 在国内应用的呼吸频率监护仪器起步较晚 因此技术不够成熟 产品不多 比较典 型的有 1 辽宁省医疗器械研究所研制的 HJ 200 型实用婴儿呼吸监护仪 该仪器由先进 的数字电路技术和报警系统组成 并利用高灵敏度的电压传感器和婴儿腹式呼吸的特点 精确监视婴儿的呼吸频率异常或呼吸暂停信息 并可长期使用不必更换传感器 2 上海福勒仪器有限公司研制的 FL 508B 多参数监护仪 该仪器使用模块化设计 生产 性能稳定 自动声光报警 使用灵活方便 易学易用 并且除能够测量呼吸频率 外还可测量血压 体温 血氧饱和度等 0 3总体方案论证 热敏电阻是一种阻值随温度变化而变化的电子器件 通过恒流源供电 由于 U IR 因此在一定时间内电阻阻值的变化次数和电压大小的变化次数相同 而电阻 R 阻值的变 化是由外界温度的变化所引起的 而电阻外界小范围的温度变化是由人体所呼出气体和 外界空气的温度差异所引起的 所以一次电压变化就是一次电阻阻值变化同时也是一次 温度变化 也就是人呼吸一次 因此只需记录电压的变化次数就可得到呼吸次数 然后 除以时间就得到呼吸频率 然后对信号进行滤波放大得到我们所要的电压波形 再通过 AD 转换将模拟信号转换成为数字信号 有数据采集系统对信号进行采集 最后在 LCD 显 示器上显示 0 4可行性分析 一个人在平静的时候每分钟的呼吸次数大约为 15 45 次 也就是呼吸频率为 0 25 0 75Hz 而外界干扰信号的频率的数量级一般都在 1KHz 以上 而人体的呼吸频率最大不 会超我们所测频率的信号 然后过 10Hz 所以我们只需要通过有源滤波器把频率在 10Hz 以上的信号滤掉就能得到在通过放大器放大 AD 转换 数据采集 最后在 LED 显示器上 显示 该方法的优点在于 测试简单易行 便于重复使用 而且不受病人身体运动产生 干扰的影响 特别适用于监护处于转移和运输途中的病员和呼吸频率 而阻抗法特别易 电子工程系毕业设计说明书 4 受躯体运动等干扰影响 并且 除了在医学上的应用外 对实际工作中的人 我们也可 以用同样的方法来对他们进行监测 以实现各种目的 热敏电阻呼吸频率传感器 5 1 温度的一些基本知识 测量 或称度量 是人们认识自然界的一种科学方法 通过各种测量 人们能够从数量 上来描述周围的世界 揭示自然界的规律 推动科学技术的不断前进 温度是一个重要的基本物理量 温度单位是国际单位制中七大基本单位之一 在国民 经济的个部门 如电力 化工 机械 冶金 现代化农业和医学等部门中及人们的日常 生活中 温度检测是十分必要的 尤其在国防和现代化的工业生产中 温度的精确测量 更是不可缺少的 温度量测量的精度和方法将直接影响生产的产品的质量和人们日常生 活的质量 就热电阻而言 它测量精度高 线性好 测量温度范围大 是一种理想的温 度传感器 可是 温度传感器的标定是一件既复杂又繁琐的事情 1 1温度和温标 早在 1592 年 意大利物理学家伽利略 Galileo Galilei 就利用一根玻璃管和一个 玻璃球制成一个简单的温度计来粗略地观察温度的变化 之后 物理学家胡克 Robert Hooke 惠更斯 Christian Hungens 和牛顿 1saacNewto n 先后建立了自己的温标 1714 年华伦海脱 Daniel Fahrenheit 第一次制造出性能可靠的水银温度计 并建立了华 氏温标 随后相继建立了摄氏 列氏 兰金和绝对温标 一般地说 表示某个物体冷热程度的物理量称为温度 从宏观上看 温度的概念是建 立在热平衡基础之上的 它表征一个物体或系统是否处于热平衡状态的宏观性质 从微 观上看 温度反映了物体或系统分子热运动的激烈程度或平均动能的大小 温标是温度数值化的标尺 它给出了温度数值化的一套规则和方法 并明确了温度 的测量单位 目前流行的温标有热力学温标 其单位为开文 符号为 K 摄氏温标 其单 位为 华氏温标 其单位为以及列氏温标 其单位为其后三者的关系为 C 0 F 0 R 0 R 4 5 32F 9 5 C1 000 目前我们使用的温标是 IPTS 68 其定义为 l 热力学温度是基本温度 其符号是 T 单位是开尔文 符号是 K 开尔文定义为三相点热力学温度的 1 273 16 水三相 点是指化学纯的水在固态 液态及气态三相平衡时的温度 热力学温标规定其为 273 16K 由于历史原因 IPTS 68 中也使用摄氏温度 符号为 t 其定义为 t T To 式中 273 15 K 故摄氏温度是以比三相点低 0 01K 的冰融点作为参考起点的 0 T 0 T 温度的差值可用开尔文也可用摄氏度表示 一般冰点以上用摄氏度表示 冰点以下用开 尔文表示 IPTS 68 同时使用国际实用开尔文温度 和国际实用摄氏温度 它们 68 T 68 t 的差别仅在于计算温度的起点不同 它们的关系是 273 15 K 式中和的 68 t 68 T 68 t 68 T 电子工程系毕业设计说明书 6 单位是 和 K 为方便起见 和常简写为 t 和 T C 0 68 t 68 T 1 2温度的测量方法 温度检测的目的是要准确地获取反映物体或系统热平衡状态的特征参量一温度的定量 信息 根据热平衡观点 为了检测某个系统或物体的温度 必须使温度检测仪表的传感 器作为一个系统与被侧的某个系统或物体的温度直接或间接地达到热平衡 使得传感器 的温度与被测物温度一致 然后根据温度检测仪表的输出信号确定被测物的温度的大小 目前用来测量温度的传感器有很多 如热膨胀式温度传感器 水银温度计 酒精温度 计等 和热电偶 热电阻 半导体传感器等热电式温度传感器 热电式温度传感器是一种 将温度变化转换成电量变化的装置 它利用传感元件的电磁参数随温度变化的特性来达 到测量的目的 该装置对于被标定的传感器也只限于热电阻传感器 包括铂电阻传感器 铜电阻传感 器等 和半导体热敏电阻 因为热电阻传感器是比较常用的热传感器 对于其它类型的热 传感器 如热电偶 集成传感器等 则不适用 该装置可以方便地标定一个未标定的热电阻式温度传感器 如果增加一些附加装置也 可以标定其它类型传感器 对于热电阻式传感器标定精度能达到 0 5 以上 由于热源的 问题对于本装置标定温度范围在 20 120之间 这也是热电阻的线形度较好的一C 0 C 0 段 由于热电阻是利用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量温度的 这就要求电阻 温度系数要尽可能的大和稳定 电阻率高 电阻与温度之间关系最好成线性 并且在较 宽的范围内具有稳定的物理和化学性质 铂电阻的物理 化学性质在高温和氧化性介质 中很稳定 因此它能用作工业测温元件和温度标准 所以本装置的标准传感器采用铂 电阻传感器 PTl00 理论上的测温范围可达到 200 精度达 0 1 时的电阻值C 0 C 0 为 100 也就是说 该电阻在摄式 100时的电阻值为C 0 3910 1 R R 0 100 C 0 139 10 除此以外还有铜材料的热电阻 但铜材料的热电阻由于测量精度不太高 测量范围不大 一般不用作基准 所以铜材料热电阻作为标准不是我们的首选 在此 范围内可以方便地改变和设定温度值 传感器按国际温标IPTS 68 规定选用铂电 阻温度传感器作为基准器 传感器按照不同的方法有不同的分类 如表1 1 所示 热敏电阻呼吸频率传感器 7 表 1 1 温度传感器的分类 测温方法 测温原理 温度传感器名称 体积变化 固体膨胀式双金属温度计 接触式液体膨胀式水银 酒精 压力温度计等 气体膨胀式压力式 充气 温度计 气体温度计等 金属热电阻铂 铜 镍 铑 铁热电阻等 电阻变化 半导体热敏电阻 锗 碳金属氧化物等半导体热敏电阻 电压变化 PN 结电压PN 结数字温度计 贱金属热电偶铜 康铜 镍铬 镍硅热电阻等 热电势变 化 贵金属热电偶铂铑 10 铂 铂铑 3 卜铂铑 6 热电偶 难熔金属热电偶 钨一铼 钨一钼热电偶等 非金属热电偶碳化物一硼化物热电偶等 频率变化 石英晶体石英晶体温度计 光学性质 变化 光纤及液晶光纤温度传感器 液晶测温膜等 其它其它测温锥 声学温度计等 热辐射能 亮度法目视亮度温度计 光电亮度温度计等 非接触式化全辐射法辐射感温器或温度计 比色法比色高温计 部分辐射法部分辐射温度计 光谱温度计等 其它红外温度计 电子工程系毕业设计说明书 8 2 热敏电阻呼吸频率传感器的设计 2 1热敏电阻的选取 10 11 热敏电阻是开发早 种类多 发展成熟的敏感元器件 热敏电阻由半导体陶瓷材料组 成 利用的原理是温度引起电阻变化 若电子和空穴的浓度分别为 n p 迁移率分别为 n p 则半导体的电导为 q n n p p 因为 n p n p都是依赖温度 T 的函数 所以电导 是温度的函数 因此可以有测量电导而推算出温度的高 低 并能做出电阻 温度特性曲线 这就是半导体热敏电 阻的工作原理 热敏电阻包括正温度系数 PTC 和负温 度系数 NTC 热敏电阻 以及临界温度热敏电阻 CTR 他们的电阻 温度特性如图 2 1 所示 热敏电阻的主要特 点是 灵敏度高 其电阻温度系数要比金属大 10 100 被以上 能检测出 10 6 的温度变化 工作温 度范围宽 常温期间使用于 55 315 高温期间适 用温度膏腴 315 目前最高可以达到 2000 低温器 件适用于 273 55 体积小 能够测量其他温度 计无法测量的空隙 腔体及生物体内血管的温度 使用方便 电阻值可在 0 1 100K 间任意选择 易加工成复杂的形状 可大批量生产 稳定性好 过滤能 力强 由于半导体热敏电阻有独特的性能 所以在应用方面 它不仅可以作为测量元件 如 测量温度 流量 液位等 还可以作为控制元件 如热敏开关 限流器 和电路补偿元 件 热敏电阻广泛用于家用电器 电力工业 通讯 军事科学 宇航等各个领域 发展 前景极其广阔 2 1 1PTC 热敏电阻 PTC Positive Temperature Coefficient 是指在某一温度下电阻急剧增加 具有 正温度系数的热敏电阻现象或材料 可专门用作恒定温度窗肝气 该材料是以 BaTiO3或 SrTi 或 PbTiO3为主要成分的烧结体 其中掺入微量的 Nb Ta Bi Y La 等氧化物进行 原子价控制而使之半导化 常将这种半导化的 BaTiO3等材料简称为半导 体 瓷 同时 还添加增大其正电阻温度系数的 Mn Fe Cu Cr 的氧化物和起其他作用的添加无采用一 图 2 1几种热敏电阻阻温曲 线 热敏电阻呼吸频率传感器 9 般陶瓷工艺成形 高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化 从而得到正特性的热敏电 阻材料 其温度系数及居里点温度随组成成分及烧结条件 尤其是冷却温度 不同而变 化 钛酸钡晶体属于钙钛矿型结构 是一种铁电材料 纯钛酸钡是一种绝缘材料 在钛酸 钡材料中加入微量稀土元素 进行适当热处理后 在居里温度附近 电阻率陡增几个数 量级 产生 PTC 效应 此效应与 BaTiO3晶体的铁电性及其在居里温度附近材料的相变有 关 钛酸钡半导瓷是一种多晶材料 晶粒之间存在着晶粒间界面 该半导瓷当达到某一 热顶温度或电压 晶体粒界就发生变化 从而电阻急剧变化 钛酸钡半导瓷的 PTC 效应起因于粒界 晶粒间界 对于导电电子来说 晶粒间界相 当于一个 当温度低时 由于钛酸钡内电场的作用 导致电子极容越过势垒 则电阻枝 较小 当温度升高到居里点温度 即临界温度 附近时 内电场受到破坏 它不能帮助 导电电子越过势垒 这相当于势垒升高 电阻值突然增大 产生 PTC 效应 钛酸钡半导 瓷的 PTC 效应的物理模型有海望表面势垒型 丹尼尔等人的钡缺位模型和叠加垒型模型 它们分别从不同方面对 PTC 作出了合理解释 实验表明 在工作温度范围内 PTC 热敏电阻的电阻 温度特性可近似用公式表示 exp 0 0 TTBRR PTT 式中 RT 绝对温度为 T 时的热敏电阻的阻值 绝对温度为 T0时的热敏电阻的阻值 0 T R B 负温度系数热敏电阻器的热敏指数 PTC 效应起源于陶瓷的粒界和粒界间析出相的性质 并随杂质种类 浓度 烧结条件等而 产生显著变化 最近 进入实用化的热敏电阻中有利用硅片的硅温度 敏感元件 这是 体型且精度高的 PTC 热敏电阻 由 n 型硅构成 因其中的杂志昌产生的电子散射温度上 升而增加 从而电阻增加 PTC 热敏电阻于 1950 年出现 随后 1954 年出现了以钛算钡为主要材料的 PTC 热敏电 阻 PTC 热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制 也用于汽车某部位的温度检测与调 节 还大量用于民用设备 如控制瞬间开水器的水温 空调器与冷库的温度 利用本身 加热作气体分析和风速机等方面 2 1 2NTC 热敏电阻 NTC Negative Temperature Coefficient 是指温度上升电阻呈指数关系减小 具有负 温度系数的热敏电阻现象和材料 该材料是利用锰 铜 硅 钴 铁 镍 锌等两种以 上的金属氧化物进行充分混合 成型 烧结等工艺而成的半导体陶瓷 可制成具有负温 电子工程系毕业设计说明书 10 度系数 NTC 的热敏电阻 其电阻率和材料常数随材料成分比例 烧结气氛 烧结温度 和结喉状态不同而变化 现在还出现了以碳化硅 硒化锡等作为代表的非氧化物系 NTC 热敏电阻材料 NTC 热敏电阻半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷 具有负的温度系数 电阻值近似表示为 11 exp 0 0 TT BRR nTT 式中 RT RT0分别为温度 T T0时的电阻值 Bn为材料常数 陶瓷晶粒本身由于温度变化 而使电阻率发生变化 这是由于半导体的特性决定的 NTC 热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段 1834 年 科学家首次发现了硫化银有负温 度系数的特性 1930 年 科学家发现氧化亚铜 氧化铜也具有负温度系数的性能 并将之 成功地运用在航空一起的温度补偿电路中 随后 由于晶体管技术的不断发展 热敏电 阻器的研究取得重大进展 1960 年研制出了 NTC 热敏电阻器 NTC 热敏电阻器广泛用于 测温 控温 温度补偿等方面 下面介绍一个温 度测量的应用实例 NTC 热敏电阻测温用原理如图 2 2 所示 它的测量范围一般为 10 300 也可做 到 200 10 甚至可用于 300 1200 环境中做测温用 RT为 NTC 热敏电阻器 R2和 R3 是点桥平衡电阻 R1为起始电阻 R4为满度电阻 校验表头 也称校验电阻 R7 R8和 W 分别为分压 电阻 为电桥提供稳定的只流电源 R6与表头 微安表 串联 起修正表头刻度和限制流经表 头的电流的作用 R5与表头并联 起保护作用 在不平衡电桥臂的接入一只热敏元件 RT做温度传 感器探头 因而使电桥对角线间的表头指示也相应变化 这就是热敏电阻器温度计的工 作原理 热敏电阻器温度计的精度可以达到 0 1 感温时间可以至 10 秒以下 它不仅适用 于粮仓测温仪 同时也可以应用于食品储存 医药卫生 科学种田 海洋 深井 高空 冰川等方面的温度测量 2 1 3CTR 热敏电阻 图 2 2热敏电阻温度 计电路 热敏电阻呼吸频率传感器 11 临界温度热敏电阻 CTR Critcal Temperature Resistor 具有负电阻应变特性 在 某一温度下 电阻值随温度的增加激烈减小 具有很大的负温度系数 构成材料是钒 钡 锶 磷等氧化物的混合烧结体 是半玻璃状的半导体 也称 CTR 为玻璃态热敏电阻 聚变温度随添加钨等氧化物而变 这是由于不同杂质的掺入 是氧化钒的晶格间隔不同 造成的 若在适当的还原气氛中无氧化二钒变成二氧化钒 则电阻急变温度变大 若进 一步还原为三氧化二钒 则急变消失 产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物急变 的位置 因此产生半导体 金属相移 CTR 能够作为控温报警等应用 热敏电阻的理论研究和应用开发已经取得了引人注目的成果 随着高 精 尖科技的 应用 对热敏电阻的导电机理和应用的更深层次的探索 以及对性能优良的新材料的深 入研究 将会取得迅速发展 2 1 4 热敏电阻的主要技术参数 12 1 标称电阻值 R25 是热敏电阻在环境温度为 250 2 时的电阻值 通常是指 热敏电阻上标注的值 也称为额定功率电阻值 如果环境温度 t 不是 250 2 而在 25 27 之间 则可以按下式换算成基准温度 25 的阻值 R25 25 1 25 25 ta R R t 式中 R25 标称电阻值 Rt 温度为 t 时的电阻值 被测热敏电阻在 25 时的电阻温度系数 25 a 2 零功率电阻值 RT 在规定的温度下 由于电阻体内部发热引起的电阻值变化相对于 总的测量误差而言 可以忽略不计时测得的热敏电阻的阻值称为零功率电阻值 3 零功率电阻温度系数 在规定温度 T 通常为 20 下 热敏电阻的零功率电 T a 阻值的相对变化率与引起该变化的相应温度之比 称为零功率电阻温度系数 单位为 用公式表示如下 2 1 T B dT dR R a T T 4 热敏指数 B 它是描述热敏材料物理特性的一个常数 B 值越大 阻值也越大 灵 敏度也越高 在工作温度范围内 B 值并非是严格的常数 它随温度的升高略有增加 B 值可用公式表示为 电子工程系毕业设计说明书 12 2 1 22 21 lg303 2 R R TT TT B 式中 B 热敏指数 R1 R2 在温度 T1T1时的电阻值 单位欧姆 5 耗散系数 H 指热敏电阻在静止空气中 热敏电阻的温度与周围介质的温度相差 1 时所能耗散的功率被称为耗散系数 也称为耗散常数 单位为 W 他是衡量一个 1 热敏电阻工作时 电阻体与外界环境进行热量交换的物理量 当热敏电阻处于热平衡状 态时 耗散系数 H 有如下关系 H st 式中 热传导系数 他取决于介质的温度 性质 状态和密度等 s 传导面积 t 传导时间 耗散系数的大小与热敏电阻的结构 形状以及所处的介质的种类 状态等因数有关 6 热容量 C 热敏电阻的温度变化 1 所需吸收或释放的热量 单位为 J 7 能量灵敏度 G 使热敏电阻的阻值变化 1 所需要的耗散的功率 单位为 W 能量 灵敏度 G 与耗散系数 H 电阻温度系数 之间的关系为 G H 100 8 热时间常数 它是指在零功率条件下 当温度突变时 热敏电阻的温度变化为 其初始的和最终的温度差的 63 2 所需要的时间 即为热容量 C 与耗散系数 H 之比 C H 9 最高工作温度 Tmax 它是指数热敏电阻在规定的技术条件下 长期连续工作所允许 的最高温度 Tmax T0 PE H 式中 T0 环境温度 单位为 K PE 环境温度为 T0时的额定功率 单位为 W H 耗散系数 10 额定功率 PE 它是指热敏电阻在规定的技术条件下 长期连续工作所允许的耗散功 热敏电阻呼吸频率传感器 13 率 在此条件下热敏电阻自身温度不应超过 Tmax 11 测量功率 PC 它是指数电阻在规定的环境温度下 电阻体因测量电流加热而引起的 电阻变化不超过 0 1 时所耗散的功率 T C a H P 1000 2 1 5热敏电阻的选定 在本设计中我们选用深圳讯敏电子科技有限公司 0402 系列 CN0402R221B2900HT 该 电阻的尺寸外形如图 2 3 所示 图 2 3 热敏电阻的规格 该电阻 25 时的阻值 R25 220 欧姆 B 值在 25 50 时的值为 2900 其阻值误差为 3 B 值误差为3 使用温度范围为 40 125 额定功率为 100mw 该电阻有以下 特点 高可靠的叠层片式陶瓷结构体积小 无引线 适合高密度表面贴装 端电极采 用三层电镀具有优良的可焊性及耐热冲击性 适合波峰焊及再流焊 分布容量低 可应 用于高频领域 响应速度快 优良的耗散系数 0402 系列约 2mw C 优良的温度系数 工 作温度范围 40 125 2 1 6 热敏电阻接接线方法及理论分析 电子工程系毕业设计说明书 14 在本设计中我们用的是直流单臂电桥接法 如图 2 4 所示 其中一个电阻为传感器 我们将此电桥叫单臂电桥 现假定 R1不感受应变时 可调整某一个固定电阻使其输出为 零 必然满足 R1R3 R2R4 在此基础上 如果 R1在应变作用下变为 R1 R1 则电桥的输 出为 E U RRRRR RRRRR U 43211 42311 0 E U RRRRR RR 43211 31 E U R R R R R R RR 3 4 1 2 1 1 11 11 经过计算证明当 R1 R2 R3 R4时 电桥灵敏度最大 此时 1 1 11 0 2 1 1 4 R R RRU U E 上式表明单臂电桥输出为非线形 非线形误差为 L 100 2 1 1 1 R R 图 2 4 单臂电桥电路 本文中 R1 R2为热敏电阻 取 R3 R4 150 2 2恒流源电路的设计 13 为了提高传感器的精度我们对热敏电阻通以恒流电源 I 使得热敏电阻自身发热 使 其温度最后保持在人体体温 37 左右 下边计算恒流源 I 的大小 如图 2 4 所示 为了 提高电桥的灵敏度 令 R1 R2为热敏电阻 R3 R4为普通电阻 现已知热敏电阻在 25 度 时的阻值 R25 220 材料常数 B 2900 可根据公式 U0 UO 热敏电阻呼吸频率传感器 15 11 expR 0 T 0 TT BRT 计算出 R37 150 45 取整得 R37 150 假设在室内空气不流动 则根据热平衡原理 在稳定的情况下热敏电阻所产生的热量 应等于热敏电阻往外界耗散的热量 其平衡方程为 QJ Qr 式中 QJ 热敏电阻上电流所产生的热量 QJ I2R Qr 热敏电阻往外界耗散的热量 Qr 所以有 I2R H T 即 R TH I 假设室温为 25 又由于 CN0402R221B2900HT 热敏电阻的耗散系数为 H 2mw C 则经 计算 本设计中的流经热敏电阻的电流 I 的大小应为 I 12 6mA 由于电桥对称性 则恒 流源的电流大小应为 25 2mA 本设计利用 LM317 做恒流源电路 13 LM317 是美国国家半导体公司的三端可调稳压器 集成电路 我国和世界各大集成电路生产厂商均有同类产品可供选用 是使用极为广泛 的一类串联集成稳压器 LM317 的输出电压范围是 1 2V 至 37V 负载电流最大为 1 5A 它的使用非常简单 仅需两个外接电阻来设置输出电压 此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定 稳压器好 LM317 内置有过载保护 安全区保护等多种保护电路 通常 LM317 不需要外接电容 除非输入滤波电容到 LM317 输入端的连线超过 6 英寸 约 15 厘米 使用输出 电容能改变瞬态响应 调整端使用滤波电路能得到比标 准三端稳压器高的多的纹波抑制比 LM317 能够有许多特殊的用法 比如把调整端悬浮到一 个较高的电压上 可以用来调节高达数百伏的电压 只 要输入输出压差不超过 LM317 的极限就行 当然还要避 免输出端短路 还可以把调整端接到一个可编程电压上 实现可编程的电压输出 其管脚图如图 2 5 所示 图 2 5 LM317 管脚图 电子工程系毕业设计说明书 16 其电路图如图 2 6 所示 其外围元件少 易于制作 LM317 工作时 输出端 in 与 调整端 ADJ 之间有恒定的 1 25V 电压 与系统地之间有 50 A 的电流 因此 LM317 是浮动工作的电路 即通过调整端对地之间的电阻够成回路 输出电压等于调整端电压 加上 1 25V 设计时把负载电阻作为调整端的接地电阻 其输出电流仅与输出端到调整端 之间的电阻 R1有关 而与负载电阻无关 输入电压的大小与恒流源输出电流的稳定性密 切相关 只要输入的支流电压 Uin足够高 那么 负载阻抗就能在较大范围内变化 且维 持负载电流恒定 若调节精度电阻 R1 周围可连续改变输出电流的大小 其输出电流的 计算公式为 Iout 1 R 由于本设计所要求的恒流源电流为 Iin 25 2mA 则电阻 R 的大小应为 R150 25 图 2 6 恒流源电路 2 3 运算放大器的选择 由于热敏电阻呼吸频率传感器采用直流电源 电池 供电 设计过程中所用元器件较 多 为了保持良好的线性性能及较低的失调误差 运放应该具有一个较小的输入偏置电 流 此外 输入噪声电压 输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生 不利的影响 为满足此要求 此光电探测器中放大器采用 AD704 和 AD705 AD704 AD705 AD706 微微安级输入电流的双极型运算放大器是美国 AD 公司 Analog Devices Inc 最近二年推出的优秀产品之一 它具有低功耗 低漂移 高输入 阻抗 交流与直流特性优异等一系列优点 AD704 AD705 AD706 三种运算放大器 它们的区别在于每一块集成块内含有的运算放 大器个数不同 AD705 是在每个集成块内只封装一个运算放大器 AD706 是在每个集成块 内封装了二个匹配的 AD705 运算放大器 而 AD704 是在每个集成块内封装了四个匹配的 AD705 芯片 为四运放器件 本文均以 AD705 性能为例进行使用说明 AD704 AD705 AD706 的管脚排列图如图 2 7 所示 热敏电阻呼吸频率传感器 17 2 3 1 AD704 AD705 AD706 运算放大器的基本特性 AD704 AD705 AD706 是低功耗 双极型的运算放大器 它具有双极型场效应晶体管 BiFET 的输入级 因此 具有输入阻抗高 输入失调电压低 输入偏置电流小 输入失 调电压漂移小的特点 由于采用了超双极型场效应晶体管输入级 输入偏置电流达到了 微微安级的水平 使它既具有 BiFET 与双极型运算放大器的许多优点 又克服了全温度 范围内偏置电流 I B 漂移大的缺陷 在全温度范围内 它的 IB 典型应用仅增长 5 倍 而一般 BiFET 运算放大器 IB 要增长 1000 倍 由于采用超 双极性技术 AD704 AD705 AD706 的失调电压达到微伏级 并且还具有精密双极型运算放大器的低噪声 特性 与 op 07 相比 输入失调电压仅为 op 07 的 1 15 温度漂移值为 op 07 的 1 2 由于是 BiFET 输入级 因此 信号源阻抗可以比 op 07 高得多 而它的直流精度却保持 不变 AD704 AD705 AD706 的主要技术性能指标列于表 2 2 表 2 2 AD704 AD705 AD706 的主要技术性能指标 图 2 7 AD704 AD705 AD706 的管脚排列图 电子工程系毕业设计说明书 18 2 3 2 AD704 AD705 的双极性基准电源输入 参数名称 AD704 四运放 AD705 单运放 AD706 双运放 输入失调电压 30 V10 V10 V 输入偏置电流 80pA30pA30pA 输入失调电流 30pA30pA30pA 频率响应 截止频率 0 8MHz0 8MHz0 8MHz 转换速率 0 15V s0 15V s0 15V s 输入阻抗 差动 共模 40M 2pf 300 M 2pf 40M 2pf 300 M 2pf 40M 2pf 300 M 2pf 共模抑制比 CMRR 132db132db132db 共模输入电压范围 14V 14V 14V 输出电压摆幅 14V 14V 14V 电源电压 正常工作电压 最低工作电压 最高工作电压 15V 2 0V 18V 15V 2 0V 18V 15V 2 0V 18V 25 时最大失调电压60 V K 级 最大失调电压漂移0 6 V K 级 25 时最大输入偏流100pA K 级 0 1Hz 10Hz 电压噪声 0 5 VP P 1 f 转折频率 4Hz 10Hz 处电压噪声 17nV Hz 10Hz 处电流噪声 50fA Hz 15V 时的功耗 650mW 增益带宽积 0 8MHz 热敏电阻呼吸频率传感器 19 AD704 AD705 的需要双极性基准电源输入 本文使用了一片 MAX774 配合电源来产生 5V 的电压 MAX774 是 MAXIM 公司生产的 5V 5V 的 DC DC 电平整流转换器件 特性如下 最小输出功率 5W 最大输出电流可达 100 A 在 5MA 1A 负载电流范围内转换效率高达 85 最大偏置电流仅为 5 A 输入电压范围 3 16 5V 5V 或可调整输出电压 转换频率高达 300KHz MAX774 的内部结构如图 2 8 所示 图 2 8 MAX774 的内部结构图 MAX774 的管脚排列图及基本电路如图 2 9 和图 2 10 电子工程系毕业设计说明书 20 2 4信号放大电路的设计 14 信号放大电路是为了将微弱的传感器信号 放大到足以进行各种转换处理 或推动指 示器 记录器以及各种控制机构 由于传感器输出的信号形式和信号的大小各不相同 传感器所处的环境条件 噪声对传感器的影响也不一样 因此所采用的信号放大电路的 形式和指标也不同 在有个情况下还要求对增益能够程控 对窗传感器的非线形通过放 大电路线形化 此外 对于生物电信号的放大以及核电站等强噪声的背景下的信号放大 考虑到安全等原因 还需将传感器有放大电路实现电气隔离 才用隔离放大电路 随着集成技术的发展 集成运算放大器的性能不断完善 价格不断降低 完全采用分 立元件的信号放大电路已基本被淘汰 主要是用集成运算放大器组成的各种形式的放大 电路 或专门设计制成具有某些性能的单片集成放大器 但是在功率放大电路中 晶体 管仍有相当的应用 在测量控制系统中 用来放大传感器输出的微弱电压 电流或电荷信号的放大电路称 为测量放大电路 亦称仪用放大电路 测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的 例如 电阻应变式传感器听国电 桥转换电路输出电压信号 并用差动放大器做进一步的放大 因此电桥放大电路就是其 测量放大电路 又如 用光电池 光敏电阻作为检测元件时 由于他们的输出电阻很高 可视为电流源 此时测量放大电路即为微电流放大电路 测量放大电路的频带宽度是由被测参数的频率范围及其载波信号频率决定的 测控系 统中 被测参数的频率 低的动电流开始 高的可至 1011Hz 被测信号的频率越宽 测量 放大电路的频带也就应越宽 才能使不同的频率信号具有听样的灵敏度 使输出不失真 图 2 10 MAX774 基本转换电路 图 2 9 MAX774 管脚排列图 热敏电阻呼吸频率传感器 21 2 4 1 基本要求与类型 通常 传感器输出的电信号是微弱的 且与电路之间的连接具有一定的距离 例如 在典型的工业环境中 距离可达 3m 以上 这时就需要用电缆传输信号 传感器有内阻 电缆也有电阻 这些电阻和放大电路产生的噪声 以及环境噪声都会对放大电路造成干 扰 影响它正常工作 因此对测量放大电路的基本要求是 测量放大电路的输入阻抗 应与传感器输出阻抗相匹配 稳定的放大倍数 低噪声 德的输入失调电压和输 入失调电流 以及低的漂移 足够的带宽和转换速率 无畸变地放大瞬态信号 高 的共模输入范围和高的共模抑制比 可调的闭环增益 线形好 精度高 成本低 应该指出的是 不同的传感器 不同的使用环境 不同的使用条件和目的 对测量放 大电路的要求是不同的 但是可以这样说 测量放大电路是一中综合指标很好的高性能 放大电路 按测量放大电路的结构原理可分为差动直接耦合式 调制式和自动稳定式三大类 其 中差动直接耦合式包括了单端输入 同向或反向 运算放大电路 电桥放大电路 电荷 放大电路等测量放大电路 按元件的制造方式可分为分立元件结构和形式 通用集成运算放大器组成形式和单片 集成测量放大器三种 前两种形式相比 通用集成运算放大器组成形式具有体积小 精 度高 调节方便 性能价格比佳等优点 单片集成测量放大电路的体积更小 精度更高 使用更方便 但是价格较贵 随着集成工艺的发展 单片集成测量放大电路的应用也日 益增广 2 4 2本设计中所用放大电路的设计 在本设计中用到两个放大电路 第一个为前置放大 如图 2 10 所示 为一个典型的同相放大电路 其输出 电压 Uo表达式为 io U R R U 1 2 1 由于 37 电阻经过与人体呼吸出来的气流对流散热后 的温度大约为 34 经计算得热敏电阻在 34 时的电 阻值 R34 165 所以可以算出 图 2 11同相放大器 电子工程系毕业设计说明书 22 V R R RRU U E 0295 0 150 15 2 1 1 150 15 4 89 1 2 1 1 4 1 1 11 0 要对信号进行滤波处理就必须先对信号进行放大 现取电阻 R1 51K R2 200K 则 增益5 51 200 1 f A 第二个为仪应放大电路 15 电路图如图 2 12 所示 其对称性结构使整个放大器具有很高的共模抑制能力 是智能仪器中最常用的测量放大 器 通常为保证放大器的共模抑制能力 电路参数对称 即 R1 R2 R3 R4 R5 R6 此时 放大器的闭环增益为 3 51 21 0 2 1 R R R R VV V A Gii f 显 然 为 了 保 证 电 路 的 对称性 改变增益最合理 最简单的办法是改变 RG的阻值 在这里我们取 R1 R2 200K R3 R4 51K R5 R6 200K RG 34K 2 5滤波电路的设计 2 5 1 滤波器的基本知识 16 测量系统从传感器拾取的信号中 往往包含噪声和许多与被测量无关的信号 从而影 响测量精度 这些噪声一般随机性很强 很难从时域中直接分离 但是限于其产生的机 理 其噪声功率是有限的 并按一定规律分布于频率域中某一特定的频带中 信号分离 图 2 12 仪用放大电路 热敏电阻呼吸频率传感器 23 电路一般利用滤波器从频率域中实现对噪声的抑制 提取所需的测量信号 是各种测控 系统中必不可少的组成部分 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统 当信号与噪声分布在不同的频带 中时 可以从频率域实现信号分离 在实际测量系统中 噪声与信号的频带往往有一定 的重叠 如果重叠不很严重 仍可利用滤波器有效地抑制噪声功率 提高测量精度 一 般来说 测量精度在很大程度上由测量信号频带内游泳信号功率与噪声功率之比 即信 噪比决定 除滤除噪声外 滤波器还可以用于分离各种不同的信号 例如将表面粗糙度 信号与滤度信号分开 将调制信号与载波信号分开等 按照所处理信号的形式不同 滤波器可以氛围模拟与数字两大类 二者在功能特性 方面偶许多相似之处 在结构组成方面又有很大差别 前者处理对象为连续的模拟信号 后者为离散的数字信号 滤波器对不同频率的信号有三种不同的选择作用 在通带内使信号受到很小的衰减 而通过 在阻带内使信号受到很大的衰减而抑制 在通带与阻带之间的一段过度带 使信号受到不同程度衰减 滤波器的三种频中分布位置不同 可实现对不同频率信号的选择作用 根据所选择的 频率滤波器可分为四种不同的基本类型 低通滤波器 通带从零延伸带某一规定的上 限频率 高通滤波器 通带从某一规定的下限频率延伸到无穷大 带通滤波器 通 带为于两个有限非零的上下限频率之间 带阻滤波器 阻带位于两个有限非零的上下 限频率之间 此外还有一种全通滤波器 各种频率的信号都能通过 但不同频率信号的 相位有不同变化 实际上是一种移相器 根据电路组成滤波器又可以分为 LC 无源滤波器 由电感 L 电容 C 组成的无源电抗网络具有良好的频率选择特性 并 且信号能量损耗小 噪声低 灵敏度低 曾广泛应用于通信及电子测量仪器领域 其主 要特点是电感元件体积大 在低频及超低频频带范围品质因数低 即频率选择性差 不 便于集成化 现在在一般测控系统中应用不多 RC 无源滤波器 由于电感元件有和多不足 人们自然希望实现无感滤波器 由电阻 R 电容 C 构成的无源网络 其频率选择性较差 一般只用作低性能滤波器 由特殊元件构成的无源滤波器 这类滤波器主要有机械滤波器 压电陶瓷 滤波器 晶体滤波器 声表面波滤波器等 其工作原理一般是通过电能与机械能 分子振动能的 相互转换 并与器件固有频率谐振实现频率选择 多用作频率选择性能很高的带通或带 阻滤波器 其品质因数可达数千至数万 并且稳定性很高 具有许多其他种类滤波器无 法实现的特性 由于其品种系列有限 调整不便 一般仅应用于某些特殊场合 电子工程系毕业设计说明书 24 RC 有源滤波器 RC 无源滤波器特性不够理想的根本原因是电阻元件对信号功率的消 耗 如在电路中引入具有能量放大作用的有源器件 如电子管 晶体管 运算放大器等 补偿损失的能量 可使 RC 网络像 LC 网络一样 获得良好的频率选择特性 称为 RC 有源 滤波器 此外各种形式的集成滤波器也属于有源滤波器 滤波器还可以按照许多其他的特征分类 滤波器的输出与输入信号电压 或电流 之 间的关系通常用传递函数来描述 根据表示传递函数的微分方程阶数滤波器可分为一阶 二阶和高阶滤波器 2 5 2 本设计所用滤波器的设计 本设计采用 RC 有源滤波器 其结构简单 调整方便 也易于集成化 是用电路多采 用运算放大器作有源器件 几乎没有负载效应 利用这些简单的一阶与二阶电路级联 也容易实现复杂的高阶传递函数 在信号处