热敏电阻呼吸频率传感器

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。

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C 0、华氏温标，其单位为F 0以及列氏温标，其单位为R 0其后三者的关系为：

R .4

5

)32F (95C 1000=-=

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 。①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 。②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0T =273.15 K ，故摄氏温度是以比三相点低0.01K 的冰融点0T 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度(68T )和国际实用摄氏温度(68t )，它们的差别仅在于计算温度的起点不同，它们的关系是：68t =68T —273.15 K ，式中68t 和68T 的单位是[C 0]和[K]，为方便起见，68t 和68T 常简写为t 和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-20C 0～+120C 0之间，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PTl00，理论上的测温范围可达到-200C 0，精度达0.1％C 0时的电阻值为

100C 0，3910.1R R

100=也就是说，该电阻在摄式100C 0时的电阻值为139.10Ω。

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

表1.1 温度传感器的分类

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μn ，μp ，则半导体的电导为：

σ=q(n μn +p μp )

因为n 、p 、μn 、μp 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：①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；②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℃；③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；④使用方便 ，电阻值可在0.1～100K Ω间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥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。 2.1.1 PTC 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BaTiO 3或SrTi 或PbTiO 3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BaTiO 3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

图2.1 几种热敏电阻阻温曲

线

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BaTiO 3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：

)(ex p 00T T B R R P T T -=

式中， R T ——绝对温度为T 时的热敏电阻的阻值； 0T R ——绝对温度为T 0时的热敏电阻的阻值；

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。 2.1.2 NTC 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

0T T B R R n T T -= 式中R T 、R T0分别为温度T 、 T 0时的电阻值，B n 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。R T 为NTC 热敏电阻器；R 2和R 3是点桥平衡电阻；R 1为起始电阻；R 4为满度电阻，校验表头，也称校验电阻；R 7、R 8和W 分别为分压电阻，为电桥提供稳定的只流电源。R 6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。R 5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R T 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。 2.1.3 CTR 热敏电阻

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

图2.2 热敏电阻温度

计电路

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R 25 是热敏电阻在环境温度为（25±0.2℃）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（25±0.2℃），而在（25~27℃）之间，则可以按下式换算成基准温度（25℃）的阻值R 25。

)

25(12525-+=

t a R R t

式中， R 25——标称电阻值； R t ——温度为t ℃时的电阻值；

25a ——被测热敏电阻在25℃时的电阻温度系数。

（2）零功率电阻值R T 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T a 在规定温度（T 通常为20℃）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%/℃，用公式表示如下

21T

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

2

12221lg 303

.2R R

T T T T B -?=

式中， B ——热敏指数；

R 1 ，R 2——在温度T 1T 1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 ℃1-。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：

H=λst

式中， λ——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α之间的关系为

G=（H/α）?100

（8）热时间常数τ

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

τ=C/H

（9）最高工作温度T max ,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。

T max =T 0+P E /H

式中， T 0——环境温度，单位为K ； P E ——环境温度为T 0时的额定功率，单位为W ；

H ——耗散系数。

（10）额定功率P E 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T max 。

（11）测量功率P C 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R 25=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：①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。②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。③分布容量低，可应用于高频领域。响应速度快。④优良的耗散系数, 0402 系列约2mw/°C⑤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

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R 1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R 1R 3=R 2R 4）。在此基础上，如果R 1在应变作用下变为R 1+ΔR 1，则电桥的输出为

E U R R R R R R R R R R U ))(()(43211423110++?+-?+=

E U R R R R R R R )

)((432113

1++?+??=

E U R R R R R R R R ?

??? ??+???? ?

?+?+?=

3412111

111

经过计算证明当R 1=R 2，R 3=R 4时，电桥灵敏度最大，此时，

1

1

1

102114

R R R R U U E ??+??=

上式表明单臂电桥输出为非线形，非线形误差为L=%100211

1???-R R

图2.4 单臂电桥电路

本文中R 1=R 2为热敏电阻，取R 3=R 4=150Ω

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R 1，R 2为热敏电阻，R 3，R 4为普通电阻，现已知热敏电阻在25度时的阻值R 25=220Ω，材料常数B=2900，可根据公式：

)11(

exp R 0

T 0T T B R T -= 计算出R 37=150.45Ω，取整得R 37=150Ω

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：

Q J =Q r

式中，Q J ——热敏电阻上电流所产生的热量，Q J = I 2R Q r ——热敏电阻往外界耗散的热量，Q r

U 0

U O

所以有

I2R =HΔT

即

R T

H 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：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50μA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R

1

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U

in

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

1

，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：

I

out

=1. R

由于本设计所要求的恒流源电流为I

in =25.2mA。则电阻R的大小应为R

1≈50Ω25/

图2.5 LM317管脚图

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：

图2.7 AD704/AD705/AD706的管脚排列图

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β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

2.3.2 AD704/AD705的双极性基准电源输入

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100μA

*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5μA

*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

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

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：①测量放大电路的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②稳定的放大倍数；③低噪声；④德的输入失调电压和输入失调电流，以及低的漂移；⑤足够的带宽和转换速率（无畸变地放大瞬态信号）；⑥高的共模输入范围和高的共模抑制比；⑦可调的闭环增益；线形好、精度高；⑧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U o 表达式为：

i o U R R U ????

?

?+=121 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R 34=165Ω，所以可以算出

V R R R R U U E 0295.01501521115015

4

89.121141

1

110=?+?=??+??=

图2.11 同相放大器