热敏电阻呼吸频率传感器参考资料

1、电子工程系毕业设计说明书热敏电阻呼吸频率传感器 羀0引言荿0.1研究背景及意义莆社会的发展、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 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

2、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。蒅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。肃 近些年，关于人的状态研究23

3、456以及对人体特征的研究是多种多样的。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。蒈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。螇呼吸频率，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

4、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。袃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

5、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一一电子传感器、便显得特 别重要并得到了很大发展。螂早期出现的传感器，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。薈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

6、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。膈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。薅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

7、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。薁在本文中，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。蚈0.2目前国内外的研究情况芅近年来，随着电子计算机技术的显著进步，对

8、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来测量 的称为非接触型温度传感器。肃并且，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。莀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

9、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 DALDGUE20系列中心，床边监护仪。德国的西门子公司出产的 SIRECST73系列监护仪等等。螈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:蚆(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。螄(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，

10、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。莃0.3总体方案论证袈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

11、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。肇0.4可行性分析节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，而阻抗法特别易受躯体 运动

12、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。羈 蒇 羄 袀 羈 袈 莂 羃 肇 肅 肄 蚂 腿 蒆 祎 蒁 芇 袇 芄 芀 莇 芈 羆芃 蒇 莅 蒃 肂 薇 螅 膅 袀 袁 膆 蚃 袃 羁 薇 莅 蚂 肁 羈 螃莁1温度的一些基本知识膀测量(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。膅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

13、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。薅1. 1温度和温标膀 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(RobertHooke)、惠更斯(ChristianHungens)和牛顿(IsaacNewton)先后建立了自己

14、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。芀一般地说，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。薆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C、华氏温标，其单位为F以及列氏温标，其单位为R其后三者的关系为

15、：羃 1C =5(F_32) =5.R94膃目前我们使用的温标是IPTS 68。其定义为：I、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 o由于历史原因，IPTS68中也使用摄氏温度，符号为 t，其定义为：t=T- To，式中 T0=273.15 K,故摄氏温度是以比三相点低 0.01K的冰融点T0作为参考起点的。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

16、度（T68）和国际实用摄氏温度（t68），它们的差别仅在 于计算温度的起点不同，它们的关系是：t68 =T68 273.15 K，式中t68和T68的单位是C 和K，为方便起见，t68和T68常简写为t和T.芀1.2温度的测量方法羇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。蚅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

17、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。羂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。莀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 C+120C之

18、间，这也是热电阻的线形度较好的一 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 PTIOO ,理论上的测温范围可达到-200 C，精度达 0.1 % C时的电阻值为100 0C , R1OOR =1.3910也就是说，该电阻在摄式 100C时的电阻值为 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

19、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所示薀表1.1温度传感器的分类袅测温方 法节测温原理薂温度传感器名称蚀芆体积变 化肄固体膨胀式芁双金属温度计螀接触式蚇蒂液体膨胀式肀水银、酒精、压力温度计等衿膄气体膨胀式肃压力式（充气）温度计、气体温度计等电子工程系毕业设计说明书电子工程系毕业设计说明书腿 腿 #衿膅羆金属热电阻袂铂、铜、镍、铑、铁热电阻等罿薆电阻变 化莄半导体热敏电 阻蚁锗 碳金属氧化物等半导体热敏由阳蚁锗、

20、碳金属氧化物等十导体热敏电阻聿羇电压变化肆PN结电压蒀PN结数字温度计腿莈薃贱金属热电偶蒂铜-康铜，镍铬-镍硅热电阻等艿薄热电势 变化芅贵金属热电偶芁铂铑10-铂，铂铑3卜铂铑6热电偶：荿羅蚃难熔金属热电 偶羀钨一铼，钨一钼热电偶等荿蒅非金属热电偶肃碳化物一硼化物热电偶等蒈螇频率变化袃石英晶体螂石央晶体温度计薈膈光学性 质变化薅光纤及液晶薁光纤温度传感器，液晶测温膜等芅其它肃其它莀测温锥，声学温度计等螈蚆热辐射 能螄亮度法莃目视亮度温度计，光电亮度温度计等袈非接触 式肇化节全辐射法賺辐射感温器或温度计羈蒇羄比色法袀比色高温计羈袈莂部分辐射法羃部分辐射温度计，光谱温度计等肄其它蚂红外温度计电子工

21、程系毕业设计说明书热敏电阻呼吸频率传感器 芃2热敏电阻呼吸频率传感器的设计蒇2.1热敏电阻的选取1011莅热敏电阻是开发早、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,迁移率分别为卩n, 卩p,则半导体的电导为：蒃（T =q（n 卩 n+p 卩 p）T（V）薇图2.1几种热敏电阻阻温曲肂因为n、p、卩n、卩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

22、，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10100被以上，能检测出10-6 C的温度变化；工作温度范围宽， 常温期间使用于-55 C315C，高温期间适用温度膏腴 315C （目前最高可以达到2000C）,低温器件适用于-273 C55 C；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0.1100KQ间任意选择;易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过滤能力强螅 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

23、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。膅2.1.1 PTC热敏电阻袀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BaTiQ或SrTi或PbTiQ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BaTiQ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

24、 Cr的氧化物和起其他作用的添加无采用一般陶 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。袁 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BaTiQ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。膆钛酸钡半导瓷的PTC效应

25、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，贝皿阻枝较 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。蚃实验表明，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:袃 rt = rt0 exp bp 仃-To）羁式中，Rr绝对温度为T时的热敏电阻的阻值；薇Rr0绝对温度为

26、To时的热敏电阻的阻值;莅 B 负温度系数热敏电阻器的热敏指数蚂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。肁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

27、方面。羈2.1.2 NTC热敏电阻螃NTC( Negative Temperature Coefficie nt)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、钻、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。莁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，膀膅电阻值近似表示为：1 1、薅 Rt

28、= Rt exp Bn ()TT0薆图2.2热敏电阻温度膀式中Rt、Rt0分别为温度T、T时的电阻值，3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。芀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

29、电阻测温用原理如图2.2所示羃它的测量范围一般为-10 C+300C,也可做到-200 C+10C,甚至可用于+300C +1200C环境中做测温用。Rr为NTC热敏电阻器；R和R是点桥平衡电阻；R为起始电阻； R为满度电阻，校验表头，也称校验电阻；R、Rs和W/分别为分压电阻，为电桥提供稳定的只流电源。民与表头(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。 民与表头并联，起保护作用。在不平衡电桥臂的接入一只热敏元件Rr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。膃 热敏电阻器温度计的精度可以达到 0.1 C，感温时间可以至10秒以下

30、。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。芀2.1.3 CTF热敏电阻羇临界温度热敏电阻 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CTF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

31、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。蚅 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。羂2.1.4热敏电阻的主要技术参数12电子工程系毕业设计说明书热敏电阻呼吸频率传感器 电子工程系毕业设计说明书莀（1）标称电阻值 敏电阻上标注的值，艮5 是热敏电阻在环境温度为（25_0.2 C）时的电阻值。通常是指热 也称为额定功率电阻值。如果环境温度t不是（250.2 C），而在莈 R25 =Rt1

32、a25 (t - 25)（2527C）之间，贝U可以按下式换算成基准温度（25C）的阻值 忠。膂式中，R5标称电阻值;螁R温度为t C时的电阻值;蒀a25被测热敏电阻在25E时的电阻温度系数蒄（2）零功率电阻值Rr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。袄（3）零功率电阻温度系数aT在规定温度（T通常为20C ）下，热敏电阻的零功率电阻 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 /c, 用公式表示如下葿aT1 dRTB 2R dT T薀（4）热敏指数B它是描述热敏材料物理特性的

33、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值可用公式表示为袅 B = 2.303弓T2lg旦R2节式中，B热敏指数;薂Ri , R在温度TiTi时的电阻值，单位欧姆蚀（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 C 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WC 。他是衡量一个热敏电阻工作时，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：芆 H=X st肄式中，入热传导系数，他取决于介质的温度、性质、状态和密度等；芁s传导面积；螀t传导时间

34、；蚇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。蒂（6）热容量C热敏电阻的温度变化1C所需吸收或释放的热量，单位为 J/C；肀（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a之间的关系为衿G= (H/ a )100膀(8)热时间常数T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之比莅 t =C/H芅(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。肁 TmaFTo+P

35、/H莆式中，To环境温度，单位为K;肇PE环境温度为To时的额定功率，单位为 W肃H耗散系数賺(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率，在此条件下热敏电阻自身温度不应超过Tmaxo螇(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:蒅Pc1000aT賺2.1.5热敏电阻的选定膈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亥电阻的尺寸外形如图2.3所示单位 unit - (inch)型号LTD0402l.O+O. 15(0.040+0. 006

36、)0.50.15(0. 020+0. 006)0.50 15020+0. 006)a 25+0.10(U.aiO + 0.304)0603L.B0.2(D. OB30. 008)0.30,2(0.031 0.008)0 550 2 (D. 02B0 008)0.30.2041 土 0.00806052.0+0.20. OT90. 00B)l,20.2(0.047+0.003)0.550.2(0.035+0.008)0.50.3 020 0 012)120S3.2+0.2(0 126 0.0001.6+0.2(0. 0630. 008)1. l0.CO. 043+0.008)0.5 + 0. 3

37、 020 + 0. 312)薁图2.3热敏电阻的规格芀该电阻25r时的阻值 忠=220欧姆，B值在25r -50 C时的值为2900,其阻值误差为一 3% B值误差为士3%使用温度范围为-40+125E，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：40C + 125EO蕿2.1.6热敏电阻接接线方法及理论分析蚅在本设计中我们用的是直流单臂电桥接法，如图2.4

38、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 R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RR=RF4）。在此基础上，如果Ri在应变作用下变为Ri+A Ri,贝U电桥的输出为薄Uo(R| 二 RJ R3R2R4(Ri =Ri R2XR3 RJRi R3(Ri lRi R2XR3 R4)Uei+生迟iRi丿RiR3蚆经过计算证明当Ri=R，Rs=R时，电桥灵敏度最大，此时,UoUeRi Ri2 r；莃上式表明单臂电桥输出为非线形，非线形误差为L=_2Ri100%膂本文中R=R为热敏电阻，取 Rb=R=150Q薀2.2恒流源电路的设计13蒈为了提高传感器的精度我们对热敏电

39、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37C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Ri，R为热敏电阻，F3，R4为普通电阻，现已知热敏电阻在 25度时的 阻值恵=220Q,材料常数B=2900,可根据公式：1 i薇 R t Rq exp B ()膅计算出 电=150.45 Q ，取整得R37=150Q蚀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：衿Q=Q肄式中，QJ热敏电阻上电流所产生的热量，Q= I 2R羄 Q r热敏电阻往外界耗散的热量，Q螀所以有艿

40、i2r =ha t测.J HAT螆艮卩I = i R蚂假设室温为25C，又由于CN0402R221B2900H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l=12.6mA。由于电桥对称性，则恒流 源的电流大小应为25.2mA螀 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。蒆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

41、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。膄通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到8-Pin SOIC蒁图 2.5 LM317管脚图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。袀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:袇其电

42、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卩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Un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R，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：祎 I out

43、= 1. R蒄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R“50Q251罿LM317nraitR19莄图2.6恒流源电路芃聿2.3运算放大器的选择虿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(An alog Devices In

44、c)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。肆AD704/AD705/AD706E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：U114niH-Nih RVlrCMWinn l wai;対扯SOK卜 iCi忧KEfutd.c

45、ci ci4d.fiDll I Si怙.R斛小tl IMPN1薈2.3.1 AD704/AD705/AD706运算放大器的基本特性羇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（l）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。

46、由于采用超 B双极性技术，AD704/AD705/AD706勺 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AD704/AD705/AD706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, 的主要技术性能指标列于表2.2蚂表2.2 AD704/AD705/AD706 的主要技术性能指标荿螀 艿 螆 蚂 螀 蒆 膄 蒁 袀 袇 祎 蒄 罿 芈 莄 芃 聿 虿 肆 肂 腿 肀电子工程系毕业设计说苗A厂匚74兑明书羈参数名称莁（四运放）葿 AD7U

47、5荿（单运放）蒄（双运放）蕿输入失调电压薆 30（1 V薅 10 1 V膃 10 1 V蚈输入偏置电流羇 80pA莇 30pA羂 30pA肂输入失调电流莈 30pA螅 30pA羅 30pA肂频率响应 截止频率蝿 0.8MHz蒇 0.8MHz螄 0.8MHz膂转换速率膀 0.15V/ i s羅 0.15V/ i s薃 0.15V/ i s节输入阻抗差动 芇共模蚆 40MQ / 2pf芁 300 MQ / 2pf莂 40MD / 2pf蚇 300 MQ/ 2pf肄 40MQ / 2pf莄300 MQ / 2pf蒂共模抑制比CMRR肇132db祎132db肃132db薂共模输入电压范围葿土 14V芄

48、土 14V袂土 14V薁输出电压摆幅薆土 14V羆 14V蚁土 14V蚁电源电压 正常工作电压 羇最低工作电压蒄最咼工作电压蚄土 15V螁土 2.0V莈土 18V膆土 15V蒃土 2.0V袁土 18V蝿土 15V蚄土 2.0V节土 18V羁25 C时最大失调电压膀莅 60 1 V （ K 级）芅肁最大失调电压漂移莆肇 0.6 i V/ C（ K级）肃賺25 C时最大输入偏流螇蒅 100pA （ K 级）螂賺0.伯z10Hz电压噪声膈芇 0.5 i M-p薁芀1/f转折频率蕿蚅4Hz薄莀10Hz处电压噪声蚆莇 17nV/Jhz莃蒀10Hz处电流噪声肇袅 50fA/ JHz膂薀土 15V时的功耗蒈

49、薇 650mW膅蚀增益带宽积衿肄 0.8MHz羄电子工程系毕业设计说明书热敏电阻呼吸频率传感器 薄 肅 艿 腿 芆 袄 荿薈2.3.2 AD704/AD705的双极性基准电源输入羇AD704/AD705的需要双极性基准电源输入，本文使用了一片MAX774配合电源来产生土 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：蚂*最小输出功率5W荿*最大输出电流可达100卩A羈*在5MA-1A负载电流范围内转换效率高达 85%蒅*最大偏置电流仅为5 11 A莁*输入电压范围316.5V葿*-5V或可调整输出电压荿*转换频率咼达300KHZ腿MAX774

50、勺内部结构如图2.8所示MODECOMFMtMORMAXIMMAX774Wk775I.WWFfREHCITTRI3 QCIW?ENTCKJIRJLCROJfTSFRCW CUTCS刖0蕿图2.8 MAX774的内部结构图薆MAX774勺管脚排列图及基本电路如图2.9和图2.10INPUTctuFB5HHREFINE-MAX774MAX775MAX776DIPSO莇图2.9 MAX774管脚排列图羇图2.10 MAX774基本转换电路莈 螅 羅 肂 蝿 蒇 螄 膂 膀 羅 薃 节芇2.4信号放大电路的设计14蚆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

51、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。芁 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

52、电路中，晶体管仍 有相当的应用。莂 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，亦称仪用放大电路蚇 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。肄 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1011Hzo被测信号的频率越宽，测量放大

53、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。莄241基本要求与类型蒂通常，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

54、益；线形好、精度高；成本低。肇应该指出的是，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。祎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。热敏电阻呼吸频率传感器热敏电阻呼吸频率传感器51 51 肃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、

55、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。薂242本设计中所用放大电路的设计袂图2.11同相放大器葿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U0表达式为：R21+二2 UiR1 J薆由于37C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34C，经计算得热敏电阻在34T时的电阻值R=165Q，所以可以算出15R1R1189 1500.0295V4 1 1.2 150蚁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R

56、=51K艮=200K蚁则：增益Af = V 005电子工程系毕业设计说明书热敏电阻呼吸频率传感器 羇第二个为仪应放大电路15，电路图如图2.12所示蒄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R=R; R=F4; R=R，此时，放大器的闭环增益为：螁图2.12仪用放大电AfW -仏甩R3莈显然，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 R=R=200K R=R=51K F5=R=2OOK FG=34K,肃2.5滤波电路的设计莀2.5.1滤波器的基本知识16蝿测量系统从

57、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。蚆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

58、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。蒁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。聿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。衿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

59、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。肇根据电路组成滤波器又可以分为:膃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）

60、，不便于集成化，现在在一般测控系统中应用不多。膂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。袈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。芄RC有源滤波器RC无源滤波