生物医学传感器原理与应用第8章 热电式传感器

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8.2 热电偶
8.2.1 热电效应 两种不同导体A和B组成闭合回路，如图8.9所示， 如果两接点的温度不同，在回路中就会产生电动势，有 电流流过。这种现象称为热电效应或塞贝克效应。这两 种导体的组合称为热电偶。
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（1）接触电动势 各种导体中都存在大量的自由电子，不同金属的自 由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点就 要发生电子扩散，电子密度大的金属的自由电子向电子 密度小的金属扩散，这时电子密度大的金属因失去电子 而具有正电位；相反，电子密度小的金属因接收了扩散 来的多余电子而带负电。这种扩散直到动态平衡为止， 产生一个稳定的接触电势。接触电势的大小与材科和温 度有关，其表达式为
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随着电流增加，热敏电阻的耗散功率增加，以致电 流加热引起热敏电阻的自身温度超过环境温度，热敏电 阻阻值降低，当电流增加时，电压增加逐渐变缓，出现 非线性正阻区段，该段的耗散功率为1耀10mW；当电 流再继续增加，电压却逐渐减小，这时因为电阻自身加 温加剧，阻值迅速减小，当阻值减小的速度超过电流增 加的速度时，即出现电压随电流增加而减小的负阻区， 这一段的热敏电阻的耗散功率超过10mW。当电流超过 某一允许值时，热敏电阻将被损坏。
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8.1.2 半导体热敏电阻 采用半导体材料制作温度传感器，由于体积小，灵 敏度高，长期稳定性好等优点，因而在生物医学的温度 测量中用得非常广泛。 （1）电阻—温度特性 对于NTC型热敏电阻，在不太宽的温度范围内（低 于450℃ ），热敏电阻的电阻—温度特性都符合指数规 律，即
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（2）伏安特性 热敏电阻的伏安特性表示在稳态情况下，热敏电阻 两端的电压与流过热敏电阻的电流之间的关系如图8.3 所示。伏安特性曲线分为三段。第一段为线性段，这一 段的热敏电阻功耗小于1mW，电流不足以引起热敏电阻 发热，热敏电阻的温度基本上就是环境温度，这时电压 和电流呈现线性关系，热敏电阻相当于一个固定电阻；
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（2）单一导体的温差电动势 对单一金属A，如果两端温度不同，分别为T和T0， 则在两端也会产生电势EA（T，T0）这个电势称为单一 导体的温差电势。这个电势的形成原因是导体高温端的 自由电子具有较大动能，向低温端扩散，高温端失去电 子带正电，低温端获得电子带负电，其电位差为
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（3）总电势及热电偶规律 热电偶的总电动势为接触电动势和温差电动势之和， 即
①如果热电偶两电极材料相同，则虽有温差，但输 出电势为零。因此必须用两种不同材料构成热电偶。 ②如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势 必等于零。
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③热电势只与两结点温度相关，与热电偶的尺寸、 形状及沿金属的温度分布无关。 ④中间导体定律：由导体 A、B组成的热电偶，当 引入第三种导体C时，如图8.10所示，只要保持第三种 导体的两端温度相同，接入电极C后对回路总电势无影 响。 ⑤标准电极定律：如果两导体A和B分别与第三种导 体C的热电势为已知，则这两个导体A和B组成的热电偶 的热电势为
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8.1 热电阻式传感器的基本原理
几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度的变化而 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电阻，一般采用导体和半导体 材料。在一定的温度范围内，大多数金属的电阻率几乎 与温度成正比。电阻与温度的关系为
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8.1.1 金属热电阻 纯金属是热电阻的主要材料，虽然大多数金属都有 一定的温度系数，但作为测温元件的材料必须具有良好 的线性、稳定性和较高的电阻率。常用的金属热电阻材 料是铂和铜。 铂电阻的阻值和温度之间的关系接近线性在0耀 630℃ ，其电阻—温度关系为
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8.3.2 三极管温度传感器 在一定的温度范围内，在小注入条件下，只要 ， 则不管集电结是零偏还是反偏，NPN型晶体三极管的集 电极电流IC与基极—发射极电压VBE和温度T的关系为
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8.2.2 热电偶种类和特点 构成热电偶的两导体A和B称为热电极，对热电极材 料的要求是： ①热电动势大，测温范围宽，线性好。 ②性能稳定，不易氧化，变形和腐蚀。 ③电阻温度系数小，电阻率小。 ④易加工，材料复制性好。热电偶的热电势与温度 的关系可近似表示为
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8.2.3 参考结点处理 若已知参考结点（冷端）的绝对温度T0，则待测结 点的温度可由热电动势确定。参考结点的温度可用直读 温度计测量，或者把冷端放置在温度严格控制的水浴内。 在最精密的测量工作中，水浴是一个水三相点装置，其 温度是0.01±0.0005℃ 。比较简单的方法是使用冰浴。
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8.3 半导体温度传感器
从半导体物理的知识我们知道，PN结的伏安特性与 温度有关，利用PN结的这一特点，可以制成各种温度 传感器，典型的PN结型温度传感器有二极管温度传感 器，三极管温度传感器和集成电路温度传感器。 8.3.1 二极管温度传感器 从由一个PN结构成的二极管的伏安特性曲线知，当 流过二极管的电流恒定时，随着温度的升高，二极管两 端的电压近似线性地降低。
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（3）热敏电阻的线性化 在线性读数的温度计设计中，当所需的温量程较大 时，电阻—温度特性的固有非线性严重影响测温精度。
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（4）热敏电阻测温电路 图8.5是用串联电阻线性化的测温电路，RS将电导 温度特性线性化，为消除自热误差，串联电路用50mV 的电压源供电，输出电压V0与RS和RT串联的电导成正 比，调整电位器使温度为0℃ 时输出为零。由于串联电 导在一定范围内与温度成正比，因此，输出电压也与温 度成线性关系。该电路在0耀40℃ 使用时，最大偏差约 为0.15℃ 。
第8章 热电式传感器
温度是一个很重要的物理量，物体的许多物理现象 和化学性质都与温度有关。在生物医学领域里，温度也 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。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。本章将介绍热电阻、PN结、热电偶、 石英晶体、辐射等常用温度传感器。