医用传感器_热电式传感器

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1、第8章热电式传感器李正义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，将温度的变化转化为电量的变化。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。热电传感器热能电能测量：温度、与温度有关的参量——热电偶温度电势电阻金属半导体热敏电阻——PN结型温度传感器第一节热敏电阻式传感器几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为热电阻效应。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热敏电阻(thermistor)，一般采用导体和半导体材料。热敏电阻材料特点（1）高温度系数、高电阻率（2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质（3）良

2、好的输出特性（4）良好工艺性对用于制造热电阻材料的要求：具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率R-t关系最好成线性物理化学性能稳定容易加工、价格尽量便宜等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。纯金属是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。(一)金属热电阻工作原理一、金属热电阻式中：R0—元件在T0时的电阻；a—T0时的电阻温度系数；RT—温度为T时元件的电阻值。大多数金属导体的电阻，电阻率几乎都与温度成正比。温度系数a表征电阻的阻值随温度变化的程度。金属的温度系数为正，即阻值随温度的升高而增加。单晶半导体的a也是正的，但随掺杂的增加而减小。陶瓷半导体

3、（热敏电阻）的a为负，且非线性较大。铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：在0～660℃温度范围内在-200～0℃温度范围内式中R0、Rt——分别为0℃和t℃的电阻值；A——常数(3.963×10-3/℃)；B——常数(-5.86×10-7/℃2)；C——常数(-4.22×10-12/℃4)。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(4.289×10-3/℃)；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

4、，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。热电阻传感器＝电阻体＋绝缘套管＋接线盒金属热电阻传感器实物内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。(二)金属热电阻测量与接口电路当温度处于测量下限时，Rt＝Rtmin，调节e2使电桥平衡，ΔU＝0，即当温度上升，Rt＝Rtmin＋ΔRt，桥路失去平衡，有因为r1、r2相等又接在相邻桥臂上，导线的电阻变化不影响电桥平衡

5、。3、四线制测温运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。四线式电阻测量电路图四线式测量线路r1r2r3r4RtIVIMEM电压表恒流源因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3）由上式知引线电阻r1~r4将不引起测量误差。电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。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。采用半导体材料制成的温度传感器二、半导体热敏电阻分类负温度系数热敏电阻：NTC正温度系数热敏

6、电阻：PTC临界温度系数热敏电阻：CRT04080120160200106104102100温度℃电阻CTRNTCPTCNTC热敏电阻的主要特性1、NTC的电阻-温度特性：试验求A、B对于NTC型热敏电阻，在一定温度内，热敏电阻的R-T特性符合指数规律，即TR——0℃（273.15K）——0℃时的阻值1、NTC的电阻-温度特性：NTC热敏电阻的主要特性2、NTC的伏安特性NTC热敏电阻的主要特性3、NTC的温度系数低温段比高温段灵敏灵敏度比金属热电阻高（10倍）NTC热敏电阻的主要特性在任意温度下温度变化1°C时的电阻变化率1、半导体热敏电阻的线性化在精密温度测量中,热敏电阻非线性

7、温度特性影响测温精度。在一定温度范围内,有两种方法线性化：用恒流源供电，热敏电阻两端电压作温度指示,则用一适当的电阻Rp与热敏电阻RT并联进行线性化。以恒压源供电,把热敏电阻的电流作为温度指示,在RT上串联电导Gs进行线性化。半导体热敏电阻的线性化与测量电路线性化(a)并联电阻(b)串联电导在曲线的拐点附近，曲线近似为线性，因此把测量温度范围的中点Ti设在拐点处。根据拐点处热敏电阻RT的值，选择并联电阻Rp，Rp计算公式推导：由于R