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1、第3章 生物医学传感器基础,3.8 热电式传感器及其应用,主要内容,3.8.1 热敏电阻式传感器、3.8.2 PN结温度传感器另：热释电传感器石英谐振温度传感器热电偶,温度传感器的种类及特点,接触式温度传感器 非接触式温度传感器,接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。,非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物
2、体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。,1常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限为1000，精度为0.5级。,（）接触式温度传感器,3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3、0.15级。4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8253-272.9272.99的温度。5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使用。经济性好、价格便宜。,l辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电
3、高温计。2光谱高温计 前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。,（二）非接触式温度传感器,3超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000的产品。4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。,3.8.1 热敏电阻式传感器,几乎所有物质
4、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,3。几种常见热敏电阻和探头的结构外形,3.8.1.1 金属热敏电阻,大多数金属的电阻率都与温度成正比：,T0时的电阻,T0时的电阻系数,T0时的电阻系数,T时的电阻,金属的温度系数为正单晶半导体为正陶瓷半导体的为负,铂热敏电阻,铂电阻的阻值和温度之间的关系接近线性：06300C-20000C,3.8.1.2 半导体热敏电阻,半导体热敏电阻分为三种类型：,PTC,施主掺杂的钛酸钡（BaTiO3）陶瓷，通过适当的工艺加工所获得的半导体，都具有某个临界温度以上出现阻-温集聚变化的PTC效应。个基
5、本特性及应用电阻温度特性把温度变化转换为电信号取出来，从而进行温度检测、指示、控制、补偿和火灾报警原料：SrO、TiO2、PbO、Nb2O5、SiO2等特性曲线：电阻值随温度变化而改变,电压电流特性如图所示，在转折点B前的AB段，电流与电压成正比，类似与普通电阻特性；在转折点B后的BC段，随着功耗增大，温度升高导转折点时，阻值急剧上升，电流随着电压的上升而下降，在转折点附近。阻体所耗散的功率恒定。,应用：在电流最大值和功率恒定部分，作为恒温发热体，如卷发器，暖风机，限流器以及液面报警器等。,电流时间特性电流持续一定的时间ta，然后急剧减小Ia-Ib。应用：利用电流与时间延迟特性具有最大初电流和
6、急剧连续衰减部分，可用于启动元件、消磁元件、过流保护、定时器等,NTC型,NTC陶瓷的晶相结构都属于尖晶石结构，化学通式AB2O4导电机制：通过可变价的导价金属离子之间的电子交换，属P型半导体；其载流子的浓度与晶格中各种缺陷浓度有关。,电阻温度特性：,电阻温度系数：,NTC热敏电阻,3.8.1.4 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,如下图(a)所示。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，
7、如下图(b)所示。,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RT=R0 eB/T,故,对上式求两阶导数并使之等于零得到：即：式中RTi为热敏电阻在中点温度Ti的阻值,类似地,很容易求出所需串联电阻的阻值Rs:其中GTi为热敏电阻在中点温度Ti的电导,线性化将使温度系数减小。并联后的温度系数为P,通过对R式微分可得出：与并联前比较，温度系数P减小了1/(1+RTi/RP)倍 在高精度测温中,用数字技术进行线性化。,5.热敏电阻测温电路,Rt 为热敏电阻，Rs
8、用于电导-温度特性线性化 W1 50mV电压源调节 W2 温度0时使输出为零 输出电压U0与Rs和Rt串联的电导成正比,热敏电阻在生物医学测量中的应用,在生物医学测量中,如口腔型，表面型和注射针型探头等以半导体热敏电阻为温度敏感元件。呼吸传感器：用胶布固定在病人鼻孔出口处,进行呼吸率的连续检查,3.8.2 PN结型温度传感器,半导体物理知识知道,PN结的伏安特性与温度有关,利用PN结这一特性，可制成各种PN结型温度传感器。典型的PN结型温度传感器：有二极管，三极管和集成电路温度传感器。PN结型温度传感器最大优点是输出特性呈线性，测温精度高。,二极管温度特性：与温度无关的常数;与迁移率有关的常数
9、(一般=1.53);Ego 绝对零度(OK)的材料禁带宽度 lnT的变化相对T变化可忽略不计 只要IF恒定,二极管正向电压VF是温度T的线性函数,3.8.2 PN结型温度传感器,3.8.2.1 二极管温度传感器,3.8.2.1 二极管温度传感器,理想二极管，伏安特性：,饱和电流可由下式求得：,两边取对数，把 Is带入，求得VF的表达式？,二极管温度传感器电原理图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。,2.三极管温度传感器,NPN型晶体三极管的基极-发射极电压VBE和温度T的关系为:VBE=Ego/q(KT/q)ln(T/IC)式中:为与
10、温度无关的常数,但与结面积和基区宽度有关;Ego为OK下硅的禁带宽度,为常数,其值一般在35之间。如果集电极电流Ic为常数,则VBE仅随温度单调和单值变化。三极管温度传感器是负温度系数温度传感器。,三极管温度传感器基本电路,温敏三极管为负反馈元件,电流Ic=Vcc/Rc，Ic恒定,VBE与T近似线性,改变导通电阻，得到输出电压,集成电路温度传感器,集成电路温度传感器是将温敏三极管(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。集成电路温度传感器按输出分为：电压型和电流型,典型电压型集成温度
11、传感器有：PC616A/C,LM135,AN6701等,典型电流型集成温度传感器为AD690。,精密电压输出型集成温度传感器LM135 是一种两端器件,其输出电压正比于温度,灵敏度：1OmV/K 电流：0.45mA 1Ok电位器 定标,AD590电流输出型 集成温度传感器,I-V特性 最简单的温度计电路 电流随温度变化的恒流源,灵敏度为1A/K 精度达土0.5,线性误差小于土0.5。,AD590用于电炉内部恒温控制,3.8.4 热辐射温度传感器,非接触式温度测量则是根据物体辐射温度的测量原理实现的。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、
12、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。医用红外热像仪一般由：镜头、红外探测器、信号处理单元和显示部分组成 只要温度高于绝对零度，物体都由一定波长的电磁波辐射，热辐射温度检测就是基于这个原理实现温度测量的。,红外热图,正常人头部远红外热图,正常的人体上部远红外热像，锁骨处及淋巴处代谢旺盛，出现正常均匀的热区，两乳正常温度微低,红外热图,正常人体的腹部，两侧温度分布基本对称，脐部为正常的热区，脂肪厚的地方温度较低，两乳为正常微冷区,正常人的腿部，双腿基本对称，双足由于负重过久而血流不畅，导致低温。,红外热图,在乳
13、腺早期癌变尚未形成明显的肿块时，其局部组织即会产生相应的变化，如局部血管增生、扩张、迂曲（热图显示为血管倒粗或环状和网状血管），局部组织代谢旺盛，其温度即可升高。箭头处即为乳腺癌区。,红外热图,左乳确诊乳腺癌，远红外热像显示，血管明显增粗、代谢旺盛。整体温度明显高于右乳。乳窝处的热区为正常的升温。,红外热图,左侧热图为一乳腺癌患者，内部有明显的肿块，已经坏死，右边为X光图片，互相印证，X光中的亮的部分为已经坏死的肿瘤。,红外热图,静脉曲张患者的腿部远红外热像，血管明显增温、增粗，箭头所指处尤为明显。,红外热图,脉管炎患者的腿部远红外热像图，患腿由于血管疾病而血流不畅，导致低温。,红外热图,静脉
14、炎是静脉血管发炎，热图表现为局部热区明显扩大。脉管炎是中小动脉血管壁发炎引起的肢端发凉，坏疽，从热图反应手足部及前下肢温度偏低。,红外热图,左膝关节软组织炎。热图显示左膝关节局部团状增温（箭头所示），温差0.71.2不等。,红外热图,某些糖尿病患者会出现一种称之为“糖尿病足”的并发症。它的病理变化是糖尿病后期全身性血管狭窄，尤其以下肢血管狭窄为甚，血管明显减少，致使局部组织缺血缺氧，最后发展为不可逆的组织坏死，不得不进行外科截肢手术。,红外热图,雷诺氏病，双手缺血，温度较正常温度低 23。手指与手背温差梯度较大。手指平均温度较手背平均低 23。,红外热图,雷诺氏病，双手弥漫性高温充血，手指的平
15、均温度较手背温度高23度。手指与手背温度呈异常的反相性热图像分布。,红外热图,腱鞘炎，热图显示：右手第五掌骨病灶区温度增高，范围局限，温差0.81.2。,红外热图,脑血栓患者的远红外热图，该患者热像检查显示：左颈动脉的分支颞浅动脉、上颌动脉面动脉所分布区域（前额区、两侧区、面颊级口周）均呈低温缺血状，提示左颈动脉附壁血栓形成。,红外热图,强直性脊柱炎（AS)患者的脊背热像图，以后正中线的棘突为中心的自颈背至腰骶部的异常热区，如同一条彩带。,红外热图,腰肌劳损，腰椎体两旁韧带呈条索状增温，病变范围局限（箭头所示），温差在0.71.0。,红外热图,肝癌患者的腹部远红外热像图，肝部明显代谢旺盛，温度
16、升高，此人的右乳也有些增生迹象。,红外热图,颈椎病热图，能显示出相应骨赘压迫椎动脉，即椎间盘变性变薄后椎动脉发生弯曲致局部血流量减少（呈低温区）或骨赘刺激交感纤维或星状神经节，引起椎动脉收缩，呈局部供血不足，并致其所辖部位营养障碍。,基本临床应用,静脉摄影结合常规的摄影技术红外摄影方法可以显示出静脉曲张的特征性异常表现。它表现为在正常小腿上能见到比较细直的分枝，形成多边形的网状结构。在静脉曲张病例中，常见到蜿蜒弯曲的分枝增粗成静脉小岛，它在红外照片中清楚地显示出来，而用普通摄影或肉限是看不出来的。,基本临床应用,血液循环的研究利用红外照片来记录乳房和腹部浅表静脉的图形和大小变化，可以研究血液运
17、行状况。例如，初产妇和多产妇在妊娠时，红外照片上的血流状况是不一样的。由于血液中各种成分对红外光的吸收作用不同，可作临床疾病的更深入研究。肾上腺索对正常人和高血压病人有影响，这可从指甲的红外照片上反映出来。此外，红外照片还可探索结核菌素和其它皮肤试验的反应。,基本临床应用,透照技术 采用黑白和彩色红外透照技术检查儿童头颅疾病，不仅毫无痛苦，而且比脑室造影检查安全。其中彩色红外透照方法特别有价值。因为它可以同时把可见光和红外光的透射部分记录下来，而且在照片上显示出重要的颜色差别。用这种方法可以将脑积水与更为严重的脑内积水加以监别。,基本临床应用,肝病理学红外摄影对肝硬化的诊断有很大帮助，它可以把
18、肝硬化与肝癌等区别出来。早期的肝硬化，没有明显的侧支循环而晚期的肝病中有非常清晰的分枝静脉图像，成为肝硬化病症的特征。肿瘤的研究应用红外摄影技术常可以发现肿瘤。生长在体表上或接近体表的早期恶性肿瘤，其周围会有血管增多或异常条纹，它表示了肿瘤血液的供给有不同程度的增加。这可作为确定有否恶性瘤的辅助手段。,基本临床应用,乳腺癌临床上已证实，乳腺癌在红外照片上显示为供血增多，病变一侧可清晰看到肉眼不能见到的静脉充血。皮肤病学红外摄影首先用于医学方面的是检查皮肤疾病，它可以提供浅表痂皮下面愈合过程和皮下静脉情况。,红外热图诊断方法,代谢旺盛、血液循环丰富的疾病：炎症、肿瘤等可出现较高温的热图，恶性肿瘤
19、转移和可能发生转移的新部位热图，异常的高温区常高于临界部0.7以上并可见多处点、团状热图像，劳损等可出现低于急性炎症的热图；代谢循环功能低下，局部缺血的热图如：栓塞、微循环下降、积液、其局部血液循环破坏后则表现为明显的低温热图。,红外热图分析,统一的特定温度条件下：20对称部位比较全身综合分析生理解剖系统分析结合主述、病史、查体、特殊检查综合判定自身相比较、与他人相比较,红外热图诊断标准（室温在20左右）,炎症：患部温度比周围正常组织增高0.50.7。溃疡：患部温度比周围正常组织增高0.71.0。癌变：患部温度比周围正常组织增高1.0。低温区：病变区域与健侧相比温差-0.2高温区：1.2常温区
20、：双锁骨上、头、下腰、后颈背部、手、双液下、肘窝、双髂腹股沟（人体表浅血管和散热多的部位一般会出现较健侧高的热区）血管影像：增粗、中断、团状（瘤）、扭曲（压迫）、卫星影像（恶性瘤）区表现形式：片状、条状（强直性脊状炎）、带状、次热区、点状、不规则。,红外热图诊断标准,正常热图（靠大量实践:年轻、年老功能判定）：指人体组织双侧对比温度基本相等，温差小于0.2，血管影像清晰、双侧对称。良性热图（低温差热图）：指患病处与0.20.7之间，患侧血管影像稍增粗,但双侧对称。异常热图（多样性）：指患病处与对侧相应部位正常组织相比较，温差范围在0.8 1.2之间，患侧血管影像明显增粗，增多、但仍对称。该热图
21、疑恶变，嘱病人随诊。恶性热图（高温差热图）：指患病处与对侧相应部位正常组织相比较，其温差大于1.2以上，血管影像增粗，中断、成团、扭曲等，双侧明显不对称。,1热辐射温度检测原理只要温度高于绝对零度，物体都有一定波长的电磁辐射，或者说能量辐射，热量辐射等。辐射温度检测就是基于这个原理实现非接触式温度测量。2.热辐射探测器 热辐射探测器有不同种类，采用晶体，陶瓷和半导体等材料作感应元件。工作波长在0.1m20m的红外光区域，也称为红外探测器。,补充1：热释电传感器,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。均匀加热晶体的某些方向上会产生等量异号的电荷。冷
22、却晶体时，电荷变化与加热时相反。这种现象称为热释电效应,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。,热释电传感器是一种热辐射探测器，用于非接触式温度测量。热释电传感器是指某些晶体在温度变化时会发生电极化。温度升高则在晶体某些方向产生等量异号电荷。冷却时电荷变化与加热时相反。电荷的积累与温度的变化相对应。这种现象称为热释电效应 吸收红外波段为10m。在端面上敷以电极,并接上负载电阻,有电流流过，在负载R两端有交流电压输出。,温度为T的物体，单位面积所辐射的能量：斩波器：对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光,热辐射,设温度变化
23、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,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,热辐射测量仪的构成原理,由光学系统，斩波器，红外探测器，放大器等组成测量系统，测量系统获取红外信号。为斩波器提供脉冲信号的脉冲发生器，工作脉冲频率1.2Hz。获取斩波器表面温度的基准温度测量，采用热敏传感器测量温度。,热辐射测量仪采样时序图,热辐射探测器只能检测温度差，不能直接测量物体的温度，采用斩波器后，热辐射探
24、测器接收的信号就是被测物体与斩波器表面的温度差，每个周期T内，A/D转换器采样两次，第一次为t1时间间隔，A/D转换器采样物体辐射信号。第二次为t4时间间隔，A/D转换器采样斩波器表面的温度。,采样各信号送计算机处理，计算机考虑不同物体具有不同辐射率，修正计算以便得到精确的结果。辐射率,例如水为0.95,人体皮肤为0.98，石英玻璃为0.75,塑料为0.95等。红外辐射探测应用于各类辐射计、光谱仪及红外和热成像方面。医疗仪器中用于非接触测温和热像图仪器方面。热像图法适用于诊断乳腺癌、皮肤癌、甲状腺癌、末梢血管闭塞或狭窄等各种疾病。由于它实现非接触温度测量和热成像，所以具有广阔的应用前景。,补充
25、2 石英谐振器温度传感器,使用石英晶体的数字测温系统，是利用某种特殊切割的石英谐振器，其谐振频率与温度的线性关系，把温度转换成频率，以获得数字输出装置。利用一个温度受控的基准振荡器与检测振荡器混频，差频信号由滤波器滤除，在一定的时间间隔内计数，可得到一个与温度成正比的数字输出。,补充3 热电偶式传感器,热电偶传感器的简介 热电偶传感器的基本定则 若电偶传感器的测量,1 金属热电偶传感器,据此，赛贝克发现和证明了两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”
26、，热电偶所产生的电动势称为热电势。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T0的另一结点称之为参考端，又称自由端或冷端。我们用毫伏表代替指南针，来演示赛贝克的实验。当热电偶两个结点的温差小的时候，即使它们均被加热，毫伏数仍较小；两个结点的温差越大，电动势就越大；当“热端的温度低于”冷端时，毫伏数为负值。,1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转。如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并
27、有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。,2、热电偶温度测量原理,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,由于不同金属间的电子浓度不同,造成的电子扩散: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.,EAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷，e=1.610-19C；k波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。,1）.两种导体的接触电势,A,eA(T,To),To,T,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电
28、动势；T，T0高低端的绝对温度；A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的=2V/。,2）.温差电势,温差电势原理图,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,3）.回路总电势,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；A、B导体A和B的汤姆逊系数。,实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，故式可以写成,EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-
29、C=g(T),由于NA、NB是温度的单值函数,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成表格，以供备查。由公式可得：,EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T，0)-EAB(T0，0),热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。,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EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)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，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。,结论(4点)：,热电效应的计算,基本公式：,测量系统方程：,式中：、均为热电偶常数T1为第一接触点的被测温度T2为第二个接触点的参考温度（通常为0oC）常用的材料较小，故在温差不大的情况下，近似成线性关系。,
