生物医学传感热电式解读课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第八章,热电式传感器,9:36 PM,1,工作原理,-,压电效应,压电材料,(,石英、压电陶瓷）特性,等效电路及测量电路,压电传感器的应用,超声波传感器的原理及应用,SAW,传感器的原理及应用,上次课内容回顾,9:36 PM,2,电子体温计,9:36 PM,3,布莫让星云,-272,恒星中心,60,亿,温度概述,温度（,temperature,）是表示物体,冷热,程度的,物理量,，微观上来讲是物体,分子热运动,的剧烈,程度,。温度只能通过,物体,随温度变化的某些特性来,间接测量,，而用来,量度,物体温度数值的标尺叫,温标,。,9:36 PM,4,物理现象,体积热膨胀,电阻变化,温差电现象,导磁率变化,电容变化,压电效应,超声波传播速度变化,物质 颜色,PN,结电动势,晶体管特性变化,可控硅动作特性变化,热、光辐射,种类,铂测温电阻、热敏电阻,热电偶,BaSrTiO,3,陶瓷,石英晶体振动器,超声波温度计,示温涂料 液晶,半导体二极管,晶体管半导体集成电路温度传感器,可控硅,辐射温度传感器 光学高温计,1.,气体温度计,2.,玻璃制水银温度计,3.,玻璃制有机液体温度计,4.,双金属温度计,5.,液体压力温度计,6.,气体压力温度计,1, 热铁氧体,2,Fe-Ni-Cu,合金,9:36 PM,5,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,热电传感器,热能,电能,测量：温度和与温度有关的参量,9:36 PM,6,热电极,A,自由（参考端、冷端）,测量（工作端、热端）,热电势,A,B,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）,9:36 PM,7,回路中所产生的电动势，叫,热电势,热电势由两部分组成,:,接触电势,温差电势,T,0,T,B,A,热电极,热端,（工作端）,冷端,（参比端）,热电极,9:36 PM,8,接触电势原理图,+,A,B,T,E,AB,(,T,),-,1,）两种导体的接触热电势,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, 直到两者达到动态平衡为止.,9:36 PM,9,T,端：,T,0,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,。,9:36 PM,10,2),温差电动势,/,汤姆逊效应,A,导体：,T,T,0,+,-,9:36 PM,11,A,B,3),总热电动势,9:36 PM,12,4),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,E,AB,(,T,0,)=,常数,，则回路热电势,E,AB,(,T,，,T,0,),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,),：,9:36 PM,13,2,、热电偶的基本定律,1).,均质导体定律,A,A,由一种均质导体组成的闭合回路，不论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，此材料则一定是非均质的，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。,9:36 PM,14,2).,中间导体定律,热偶回路断开接入第三种导体,C,，若,C,两端温度相同，则回路热电势不变，这为热电势的测量（接入测量仪表，第三导体）奠定理论基础。,同理,加入第四、第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势,.,9:36 PM,15,A,B,3,）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,T,1,、,T,2,时,则其热电势为,E,AB,(,T,1, T,2,),；当接点温度为,T,2,、,T,3,时，其热电势为,E,AB,(,T,2,T,3,),；当接点温度为,T,1,、,T,3,时，其热电势为,E,AB,(,T,1,T,3,),，则,9:36 PM,16,中间温度定律的应用,根据这个定律，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。,9:36 PM,17,4,）参考（标准）电极定律,T,0,T,0,A,B,B,C,C,T,T,T,T,0,A,当结点温度为,T, T,0,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。,9:36 PM,18,参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。,9:36 PM,19,20,【,例,】,热端为,100,、冷端为,0,时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为,2.95mV,，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为,-4.0mV,，求镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势。,20,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。,3,、热电偶的结构与种类,9:36 PM,21,普通型热电偶结构,9:36 PM,22,9:36 PM,23,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,9:36 PM,24,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）,B,A,绝缘 材料,9:36 PM,25,快速反应薄膜热电偶,特点：热接点可以做得很小（,m,），具有热容量小、反应速度快（,s,）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。,9:36 PM,26,9:36 PM,27,几种常用热电偶的测温范围及热电势,分度号,名称,测量温度范围,1000,C,热电势,/ mV,B,铂铑,30,铂铑,6,501820,C,4.834,R,铂铑,13,铂,-501768,C,10.506,S,铂铑,10,铂,-501768,C,9.587,K,镍铬镍铬,(,铝,),-2701370,C,41.276,E,镍铬铜镍,(,康 铜,),270800,C,?,9:36 PM,28,4,、,热电偶温度测量的应用,1,）测量单点温度,热电偶、补偿导线和仪表内阻,9:36 PM,29,2,）测量两点之间的温差,仪表,回路内的总电动势为,:,因为,9:36 PM,30,3,）测量平均温度（并联）,仪表,缺点：当有一只热电偶烧断时，不易察觉,。,9:36 PM,31,4,）测量几点温度之和（串联）,仪表,9:36 PM,32,5,、热电偶测温线路,9:36 PM,33,PN,结伏安特性,：,在高注入的条件下：,保持,I,恒定，则,U,与,T,成线性关系，这就是,PN,结的测温原理,二、,PN,结型温度传感器,9:36 PM,34,输出特性呈线性，且测量精度高,其灵敏度,:,9:36 PM,35,IF,为恒流源,一般,10100A,。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,9:36 PM,36,9:36 PM,37,三、 热释电传感器,热释电效应,:,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,。,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。,P,S,=P,T,P:,热释电系数矢量,9:36 PM,38,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,则输出电流,I,为,:,I,正比于温度变化速率,9:36 PM,39,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,9:36 PM,40,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。,9:36 PM,41,热电阻,四、热电阻温度传感器,金属热电阻,半导体热电阻,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,热电阻效应,9:36 PM,42,1,、金属热电阻,9:36 PM,43,材料要求：,材料的电阻温度系数,大，且为常数；,材料的物理、化学性质稳定；,电阻率较大，特性复现性好；,1,）铂热电阻,2,）铜热电阻,3,）其它热电阻,低温、超低温,9:36 PM,44,9:36 PM,45,9:36 PM,46,薄膜型及普通型铂热电阻,9:36 PM,47,小型铂热电阻,9:36 PM,48,负温度系数,（,NTC,）,正温度系数,（,PTC,）,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。,2,、半导体热敏电阻,9:36 PM,49,1,）热敏电阻的结构和特点,玻璃壳,热敏电阻,引线,（,a,）珠状,（,b,）片状,（,c,）杆状,（,d,）垫圈状,优点：,（,1,）结构简单、体积小、可测点温度；,（,2,）电阻温度系数大，灵敏度高（,10,倍）；,（,3,）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。,9:36 PM,50,热敏电阻的主要参数,9:36 PM,51,2,）热敏电阻的温度特性,负温度系数热敏电阻：,NTC,正温度系数热敏电阻：,PTC,突变温度系数热敏电阻：,CTR,0 40 80 120 160 200,10,6,10,4,10,2,10,0,温度,电阻,CTR,NTC,PTC,9:36 PM,52,R,T,、,R,T,0,温度为,T,、,T,0,时热敏电阻器的电阻值；,B,N,NTC,热敏电阻的材料常数。,由测试结果表明，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,。,NTC,热敏电阻器的电阻,-,温度特性,NTC,的电阻,温度关系的一般数学表达式为：,9:36 PM,53,为了使用方便，常取环境温度为,25,作为参考温度（即,T,0,=25,），则,NTC,热敏电阻器的电阻,温度关系式,：,0,25,50,75,100,125,0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,(25,C,1),R,T,/ R,T0,-,T,特性曲线,R,T,/,R,25,T,9:36 PM,54,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,是温度,T,的非线性函数,9:36 PM,55,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,PTC,热敏电阻器的电阻,温度曲线,10000,1000,100,10,0,50,100,150,200,250,R,20,=120,R,20,=36.5,R,20,=12.2,T,/C,电阻,/,T,p1,T,p2,T,c,=175 C,9:36 PM,56,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：,R,T,、,R,T0,温度分别为,T,、,T,0,时的电阻值；,B,P,正温度系数热敏电阻器的材料常数。,9:36 PM,57,可见：,正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数,tp,，正好等于它的材料常数,B,P,的值。,若对上式微分，可得,PTC,热敏电阻的电阻温度系数,tp,：,9:36 PM,58,热敏电阻外形,MF12,型,NTC,热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,9:36 PM,59,其他形式的热敏电阻,玻璃封装,NTC,热敏电阻,MF58,型热敏电阻,9:36 PM,60,贴片式,NTC,热敏电阻,9:36 PM,61,热敏电阻体温表,9:36 PM,62,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,9:36 PM,63,热敏电阻用于,电热水器,的温度控制,9:36 PM,64,热敏电阻用于,CPU,的温度测量,9:36 PM,65,小 结,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,9:36 PM,66,作业,调研热电式传感器的应用实例（最好与生物医学工程相关）,要求：每人,PPT,讲解,5-8,分钟,成员：,李毅、钟集杏、詹李源、张雨薇、牟思豫,9:36 PM,67,