生物医学传感热电式课件

*1§4-5热电式传感器*2上次课内容回忆磁电式传感器的工作原理：法拉第电磁感应定律结构类型：根本特性：磁电式传感器机械能电量*3布莫让星云恒星中心*4热电式传感器一热电偶传感器(重点〕二PN结温度传感器三热释电传感器四热敏电阻传感器温度变化→电量变化*5热电极A自由（参考端、冷端）

测量（工作端、热端）

热电势AB热电极B一、热电偶传感器

1.热电效应〔温差电现象或塞贝克效应〕*62、热电偶温度测量原理回路中所产生的电动势，叫热电势热电势由两局部组成:接触电势温差电势*7由于不同金属间的电子浓度不同,造成的电子扩散:从高浓度金属向低浓度金属扩散,直到两者到达动态平衡为止.接触电势原理图+ABTEAB(T)-EAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；

k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。1〕两种导体的接触电势*8T端：T0

端：回路总接触电动势：接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，而与导体的直径、长度、几何形状等无关。*92)、温差电动势/汤姆逊效应A导体：B导体：回路总温差电动势：TT0+-均质导体两端温度不相等时，由于体内自由电子从高温端向低温端的扩散，在其两端形成的电势称为温差电势或Thomson电势，此现象称为Thomson效应。σ——汤姆逊系数，表示导体两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势*10AB3)、总热电动势*114)导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，那么回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。3)只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。1)热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。2)只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势。结论(4点)：*123热电偶的根本定律1).均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不管其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料那么一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。另外，要求每个热电极材质均匀，克服因热电极上各点温度不同时造成附加误差。

AA*132).中间导体定律热偶回路断开接入第三种导体C，假设C两端温度相同，那么回路热电势不变，这为热电势的测量〔接入测量仪表，第三导体〕奠定理论根底。同理,参加第四、第五种导体后,只要参加的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势.*14AB3〕中间温度定律如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2时,那么其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)，那么*15中间温度定律的应用

根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。

该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。*164〕参考〔标准〕电极定律当结点温度为T,T0时，用导体A，B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。T0T0ABBCCTTTT0A*17

参考电极的实用价值在于：可大大简化热电偶的选配工作。实际测温中，只要获得有关热电极与参考电极配对时的热电势值，那么任何两种热电极配对时的热电势均可按公式而无需再逐个去测定。用作参考电极(标准电极)的材料，目前主要为纯铂丝，因为铂的熔点高，易提纯，且在高温与常温时的物理、化学性能都比较稳定。*18测量系统方程：式中：α、β均为热电偶常数 T为第一接触点的被测温度 T0为第二个接触点的参考温度〔通常为0oC〕常用的材料β较小，故在温差不大的情况下，近似成线性关系。热电偶原理图TT0AB热端冷端*19为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：普通型热电偶特殊热电偶－铠装型热电偶－薄膜热电偶等。

4.热电偶的结构与种类*20普通型热电偶结构

*21*22

优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。铠装型热电偶*23铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管〔铠体〕BA绝缘材料*24薄膜热电偶特点：热接点可以做得很小〔μm〕，具有热容量小、反响速度快〔μs〕等特点，适用于微小面积上的外表温度以及快速变化的动态温度测量。*25*265、热电极材料的选取性能稳定温度测量范围广物理化学性能稳定导电率要高，并且电阻温度系数要小材料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格廉价*276、热电偶测温线路*28二、PN结型温度传感器二极管温度传感器*29PN结伏安特性：在高注入的条件下：式中，I—PN结正向电流；U—PN结正向压降；I0—PN结饱和电流；q—电子电量〔1.61019C〕；T—绝对温度；k—玻尔兹曼常数〔1.3810-23J/K〕。保持I恒定，那么U与T成线性关系，这就是PN结的测温原理*30输出特性呈线性，且测量精度高其灵敏度:IF为恒流源,一般10～100μA。调节R3和R2改变输出灵敏度和零电位,以得到摄氏和华氏温度显示。二极管温度传感器原理图*31*32三、热释电传感器某些晶体〔例如硫酸三苷肽、锆钛酸铅镧、透明陶瓷和聚合物薄膜〕在温度变化时，发生电极化。均匀加热晶体的某些方向上会产生等量异号的电荷。冷却晶体时，电荷变化与加热时相反。这种现象称为热释电效应温度变化，使晶体结构在某些方向上，正负电荷重心不重合，产生了自发极化，自发极化矢量的方向由负电重心指向正电重心。△PS=P△TP:热释电系数矢量*33热释电传感器是一种热辐射探测器，可用于非接触式温度测量。设温度变化率为dT/dt,电极面积为A,束缚电荷面密度等于Ps，Ps对时间的化率为dPs/dt,那么输出电流ΔI为:ΔI正比于温度变化速率*34热辐射探测器结构和等效电路如图:输入端是一个窗口，让经调制的热辐射进入产生电荷，经过一个场效应管收集电信号输出，输出端是场效应管的漏极D,源极S和公共地端E*35红外热成像图

在生物医学测量中应用范围非常广泛。例如医用红外热像仪,它可用于人体多个部位(头部、颈部、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃肠道等)和多种疾病(疼痛,乳腺癌、肺肝癌、胰腺癌、血管瘤等肿瘤,烧伤、放射线灼伤等)的诊断。*36

几乎所有物质的电阻率都随其本身温度变化而变化，这一物理现象称为热电阻效应利用热电阻效应制成的温度敏感元件称为热敏电阻四、热电阻温度传感器*371、金属热电阻

温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。

工作原理T0时的电阻T0时的电阻系数T0时的电阻系数T时的电阻*38材料要求：①材料的电阻温度系数α大，且为常数；②材料的物理、化学性质稳定；③电阻率较大，特性复现性好；*39铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。铂在很宽的温度范围内约1200C以下都能保证上述特性。铂很容易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm或更细)或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小；价格贵1〕铂热电阻*40*41薄膜型及普通型铂热电阻

*42小型铂热电阻

*432〕铜热电阻

在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。它可用来测量－50～＋150C

的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系。铜电阻的缺点是电阻率小.所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。此外铜很容易氧化，所以它的工作上限为150C。但铜电阻价格廉价，因此仍被广泛采用。*442半导体热敏电阻半导体热敏电阻有负温度系数〔NTC〕和正温度系数〔PTC〕之分。NTC又可分为两大类：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；第二类为突变型〔CTR〕，当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。*45RT、RT0——温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；BN——NTC热敏电阻的材料常数。由测试结果说明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围〔小于450℃〕，都能利用该式，它仅是一个经验公式。1〕负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性NTC的电阻—温度关系的一般数学表达式为：*46为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度〔即T0=25℃〕，那么NTC热敏电阻器的电阻—温度关系式：02550751001250.511.522.533.5(25ºC,1)RT/RT0--T特性曲线RT/R25T*47电阻温度特性：电阻温度系数：可见：负温度系数热敏电阻器的电阻温度系数α是温度T的非线性函数*48αβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC热敏电阻的静态伏安特性2〕负温度系数〔NTC〕热敏电阻器的伏安特性该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态U—I曲线。热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：T0——环境温度；△T——热敏电阻的温升。*493〕正电阻温度系数〔PTC〕热敏电阻器的电阻—温度特性其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩPTC热敏电阻器的电阻—温度曲线T/ºC电阻/ΩTp1Tp2Tc=175ºC*50

经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻—温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中RT、RT0——温度分别为T、T0时的电阻值；

BP——正温度系数热敏电阻器的材料常数。可见：正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数αtp

，正好等于它的材料常数BP的值。假设对上式微分，可得PTC热敏电阻的电阻温度系数αtp*51曲线见以下图，它与NTC热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC热敏电阻器的静态伏安特性4〕．正温度系数〔PTC〕热敏电阻器的伏安特性

当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im；如电压继续增加，由于温升引起电阻值增加速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。

*52热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻*53