【生物医学课件】3.7热电式传感器

取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态 阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值为484 。
1.热电阻材料的特点
✓ 高温度系数、高电阻率； ✓ 化学、物理性能稳定； ✓ 良好的输出特性，即必须有线性的或者接近线性的输出； ✓ 良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本；
用途：点温、表面温度、温差、温场等测量、自动控制及电子线路的 热补偿线路
1. 半导体热敏电阻（ NTC ）的主要特性
✓ 温度特性
NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性
R R e R e B

1 T
T0

B

1 273 t

1 273 t0

✓ 缺点：
线性度较差，复现性和互换性较差。
半导体热敏电阻分为三类： ✓正温度系数(PTC) ✓负温度系数(NTC) ✓临界温度系数(CTR)
热敏电阻典型特性
✓ PTC热敏电阻－正温度系数
钛酸钡掺合稀土元素烧结而成。 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限 流元件。
✓ CTR热敏电阻－临界温度系数
Ego为绝对零度下的材料禁带宽度，常取1.205eV ;
VF Ego / Q kT / Qln(T / IF )
在-40~100ºC范围内，即233K<T<373K，lnT的变化相对于T的变 化可以忽略不计，故可近似为一个常数。
只要IF恒定，二极管的正向电压VF就可认为是温度T的线性函数。 随着温度升高，VF下降，即有负的温度系数。
直流恒流源下的Ge、Si二极管温度特性
对于理想二极管，其正向电流IF与正向电压VF和温度的关系为
IF IS exp( QVF / kT)
式中， k为波尔兹曼常数；
Q为电子电荷；
I
为饱和电流
S
;
IS T exp(Ego / kT)
为与温度无关的常数；为与迁移率有关的常数（ 1.5 ~ 3）；
以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混 合烧结而成，在某个温度上电阻值急剧变化,具有开关特性。
用途：温度开关
✓ NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数
主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等金属氧化物混合烧结而成，改变混合 物的成分和配比就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的NTC热敏 电阻。
2. 半导体热敏电阻的结构
MF12型 NTC热敏电阻
聚脂塑料封装热敏电阻
玻璃封装 NTC热敏电阻
MF58型（珠形） 高精度负温度系数 热敏电阻
大功率PTC热敏电阻
贴片式 NTC热敏电阻
3. NTC输出特性的线性化处理
电阻网络（线性化网络）：精密电阻与热敏电阻串、并联
✓ 串联法
RS RT RX
非接触测温
温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换， 由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 ✓常用的非接触式测温仪表： 辐射式温度计、光纤式温度计等。 ✓优点：不与被测物体接触，不破坏原有的温度场，在被测物 体为运动物体时尤为适用。 ✓缺点：精度一般不高。
热电阻式传感器
✓ 金属热电阻 ✓ 半导体热敏电阻
第三章 物理传感器
热电式传感器
热电式传感器是利用某些材料的物理特性与温 度有关的性质，将温度变化转化为电量变化的器件。
温度是一个重要的物理量，它反映了物体冷热 的程度，与自然界的各种物理和化学过程相联系。 在生产过程中，各个环节都与温度紧密相连。在生 物医学领域，体温也是一个非常重要的生理参数， 病人的体温为医生提供了生理状态的重要信息。
目前我国常用的铂电阻有两种，值分别为50Ω和100Ω， 电阻值与温度 t 的关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度 表，分度号分别为Pt100和Pt50。
优点：铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和 氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出-输入特性接 近线性，测量精度高，常用作工业测温元件和作 为温度标准。 缺点：电阻温度系数较小，价格贵。
温度测量方法有接触式测温和非接触式测温两 大类。
接触式测温
温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。 ✓常用的接触式测温仪表： 膨胀式温度计、 热电阻温度计、 热电偶温度计等。 ✓优点：直观、可靠，测量仪表也比较简单。 ✓缺点：由于敏感元件必须与被测对象接触，在接触过程中就 可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差。有的 测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡， 使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。在接触 过程中，有的介质有强烈的腐蚀性，特别是在高温时对测温 元件的影响更大，不能保证测温元件的可靠性和工作寿命。
各种热电偶
一、 热电偶的工作原理
热电极A
测量端
A
(工作端、
热端)
B
热电势
热电极B
自由端 (参考端、 冷端）
热电偶工作原理演示
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
热电效应
两种不同类型的金属导体，导体两端分别接 在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等有温 差时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现 象称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端 结点温度，就可以测出另一端结点的温度。
T
0
0
B
ln

RT R0


1 T

1 T0

式中 RT , R0——热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值； B ——热敏电阻材料系数，一般为2000～6000K；
热敏电阻在其本身温度变化1℃时，电阻值的相对变化量称为 电阻温度系数
1 dRT B
RT dT
T2
为与温度无关的常数，但与结面积和基区宽度有关；为常数（ 3 ~ 5）；
Ego为绝对零度下的材料禁带宽度，常取1.205eV ;
如果集电极电流 Ic 为常数，则 Vbe 仅随温度单调变化，晶体管温 度传感器也是负温度系数传感器。
晶体管温度传感器测温电路
三、集成电路温度传感器
指将温敏晶体管(一般为差分对管)及其外围电路集成在 同一芯片上的集成化PN结型温度传感器。这种传感器线性 好、精度高、互换性好、使用方便，其工作温度范围一般 为-50~+150℃
铂电阻温度显示、变送器
二、 半导体热敏电阻
利用半导体电阻值随温度显著变化的特性制成的热敏元件， 它是由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结制成。
✓ 优 点：
(1) 热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及 快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。
适宜制作热电阻的材料有铂、铜、镍、铁等。
2、常用热电阻
（1）铂热电阻
Rt R0(1 At Bt 2 )
0 ~ 650℃
Rt R0[1 At Bt 2 C(t 100)t3] -200 ℃ ~ 0℃
其中，Rt、R0 ——温度为 t ℃ 和 0 ℃ 时的电阻； A、B、C 为常数： A = 3.98 × 10-3 /℃ ，B = -5.86 × 10-7 /℃2， C = -4.22 × 10-12 /℃4
1. 接触电势
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电 子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子 的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小 的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而 产生热电势。
RT E
RX
IA
R
RT RX
RX
RT T
✓ 并联法
R RT RX RT RX
RX
RT
R
RT
RX
RT // RX
T
35
采用运算放大器的线性化热敏电阻测温电路
该电路在0~40ºC范围内使用时，最大偏差约为0.15ºC
4.热敏电阻的应用
热敏电阻温度面板表
热敏电阻
热敏电阻体温表
生物医学测量-------测温探头
(3) 薄膜热电阻
用真空镀膜法将铂直接蒸镀在陶瓷基体上制成的热电阻， 薄膜热电阻减少了热惯性，提高了灵敏度和响应速度，适用 于平面物体的表面温度和动态温度的测量。
4. 金属热电阻测温电路
热电阻常用测量电路和应变电阻一样采用直流电桥，但是由于铜和铂 的电阻值较低，在实际测量中，导线电阻值已经不可以忽略。为了消除由 于连接导线电阻造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。
热敏电阻的电阻温度系数与温度的平方成反比，非线性特性突出。 热敏电阻比金属丝的电阻温度系数高很多，灵敏度很高。
NTC的电阻温度特性曲线
✓ 伏安特性
NTC热敏电阻的伏安特性 当电流很小时，电阻值只取决于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定 律，主要用来测温； 当电流增大到一定值时，流过热敏电阻的电流使之加热，温度升高，因而 电阻减小，端电压反而下降。
其中，Rt、R0 —— 温度为 t ℃ 和 t 0℃时的电阻；
0—— 温度为 t 0℃ 时的温度系数。
工业上使用的标准化铜热电阻有50Ω和100Ω两种，分度 号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。
铜热电阻主要用于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℃。铜电阻的缺 点是容易氧化；但其价格便宜，因此仍被广泛采用。
（3）其它热电阻
3、热电阻的结构和类型
（1）普通型热电阻
热电阻＝电阻体＋绝缘套管＋接线盒
(2) 铠装热电阻
热电阻体与保护套封装成一个整体，具有良好的机械性能， 耐振动与冲击，有良好的挠性，便于安装，不受有害介质侵蚀， 外径尺寸可以做得很小，反应速度快，适用于安装在结构复杂 的设备上进行测温，使用寿命较长。