第8章热电式传感器-医学传感器

第8章热电式传感器序言热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的变化转换为电量的变化，建立起温度和电量的关系。本章重点介绍热电阻、热电偶、石英晶体、热释电等温度传感器的工作原理、特性以及其在医学检测中的应用。第一节热敏电阻式传感器热电阻效应：几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化的现象。热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。热敏电阻的电阻与温度的关系为：R0–元件在温度为T0时的电阻；RT–元件在温度为T时的电阻；α–T0时的电阻温度系数，单位℃-1。温度系数是用来表征电阻的阻值随温度而变化的程度。一、金属热电阻1.金属热电阻的工作原理要选择具有良好的线性、稳定性和较高电阻率的材料，常用的就是铂和铜。铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为―50～150℃。

铂热电阻长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。铂电阻的精度与铂的提纯程度有关百度电阻比W（100）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）≥1.3925目前技术水平已达到W（100）＝1.3930，工业用铂电阻的纯度W（100）为1.387～1.390。铂电阻由于铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，铂电阻温度计在-256.34℃～630.74℃温域内，可作基准温度器用。铂电阻与温度的关系，在0～630.74℃以内为在-190℃～0℃以内为式中Rt——温度为t℃时的电阻；R0——温度为0℃时的电阻；A，B，C——分度系数：A=3.940×10-2/℃，B=-5.84×10-7/℃2，C=-4.22×10-12/℃4可见：热电阻在温度t时的电阻值与0℃时的电阻值R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。

可见：热电阻在温度t时的电阻值与0℃时的电阻值R0有关。

目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：

式中

A——常量(4.28899×10-3/℃)；B——常量(-2.133×10-7/℃2)；C——常量(1.233×10-9/℃3)。当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。(2)铜热电阻

在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50～150℃。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃两种分度号：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100℃以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有浸蚀性的介质中。铜热电阻的分度表分度号：Cu50温度/℃0102030405060708090电阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.132.热电阻的结构热电阻主要由不同材料的电阻丝绕制而成。为了避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制热电阻时要采用双线无感绕制法。铜热电阻结构示意图

铂热电阻示意图2.金属热电阻测量与接口电路电路存在的两种误差：引线电阻在温度梯度作用下引起的电阻误差；各个接触点上产生热电动势；二、半导体热敏电阻分类：PTC型（负温度系数）：主要采用BaTO3系列材料制成的，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正向快速变化。CTR型（临界温度系数）：采用VO3系列材料制成的，再某个温度值上电阻值积极变化。NTC型（负温度系数）：具有很高的负温度系数，比金属的温度系数大10倍左右。1.NTC型半导体热敏电阻的主要特性温度特性：NTC热敏电阻的阻值与温度的关系近似符合指数规律，可以写为式中：T—被测温度（K），T=t+273.16T0—参考温度（K），T0=t0+273.16Rt—温度T（K）时热敏电阻的电阻值（Ω）；R0—温度T0（K）时热敏电阻的电阻值（Ω）B—热敏电阻的材料常数（K），通常由实验获得，一般在2000~6000K。热敏电阻的温度系数定义为温度变化1K时其自身电阻值的相对变化量，即热敏电阻的典型伏安特性当流过热敏电阻的电流很小时，不足以使之加热，电阻值只决定于环境温度，伏安特性也是直线，遵守欧姆定律，此段主要用以温度测量。2.NTC型半导体热敏电阻的主要特性3.半导体热敏电阻的线性化与测量电路半导体热敏电阻的线性化优点：电阻温度系数大、灵敏度高、热容量小、响应速度快、分辨率高达10-4℃；缺点：互换性查、热电特性的非线性严重。线性化方法：若用恒流源供电，以热敏电阻两端的电压作为温度指示，则可用一个阻值适当且温度系数很小的电阻RP与热敏电阻RT并联进行线性化。以恒压源供电，把通过热敏电阻的的电流作为温度指示，再RT上串联GS进行线性化。热敏电阻测温电路测温电桥电路图为平衡电桥电路原理示意图，常值电阻R1=R2=R0。当热电阻Rt的阻值随温度变化时，调节电位器RW的电刷位置x,就可以使电桥处于平衡状态。

式中L——电位器的有效的长度（m）；R0——电位器的总电阻（Ω）这种电路的特点是：通过人工调节电位器Rw,抗扰性强，不受电桥工作电压的影响；主要用于静态测量。不平衡电桥电路

图中不平衡电桥输出电路原理示意图，常值电阻R1=R2=R3=R0。初始温度t0时,热电阻Rt阻值为R0，电桥处于平衡状态，输出电压为零。当温度变化时，热电阻Rt≠R0，电桥处于不平衡状态，输出电压为：这种电路的特点是：快速，小范围线性，易受电桥