【正文】 結(jié)電壓隨溫度的升高而線性下降 的基本原理制成二極管溫度傳感器 。 2 三極管溫度傳感器 晶體管的 基極－發(fā)射極電壓 與集電極電流 IC隨溫度的關(guān)系 滿足下面公式 ： CGBE iTrqkTUu ?ln0 ??UG0——三極管在絕對(duì)溫度為 273K時(shí)的硅禁帶寬度電壓 ， 約為； α、 r——由三極管結(jié)構(gòu)決定 ， 與溫度無(wú)關(guān) 。 保持 Ic為定值時(shí) ， 與溫度 T呈近似線性關(guān)系 ， 利用這一特性可制成晶體管溫度傳感器 。 BEuBEu晶體管傳感器特點(diǎn)： 體積小、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉。 根據(jù)半導(dǎo)體的溫度特性構(gòu)成的溫度傳感器在醫(yī)療器械上得到了廣泛的應(yīng)用 ， 其準(zhǔn)確度主要由顯示儀表的讀數(shù)準(zhǔn)確度決定 ， 靈敏度也是其他類型的傳感器難以達(dá)到的 。 三、 熱釋電傳感器 ? ?某些晶體在溫度變化時(shí)會(huì)發(fā)生電極化。 均勻加熱晶體的某些方向上會(huì)產(chǎn)生等量異號(hào)的電荷。冷卻晶體時(shí)電荷變化與加熱時(shí)相反。這稱為 熱釋電效應(yīng) 。 ?由于晶體結(jié)構(gòu)在某些方向上正負(fù)電荷重心不重合，產(chǎn)生了自發(fā)極化 。 ?通常，自發(fā)極化產(chǎn)生的表面束縛電荷被空氣中附集在晶體表面的自由電荷和晶體內(nèi)部的自由電荷屏蔽，不顯出電矩。只有溫度變化引起的電矩不能被補(bǔ)償時(shí)，晶體兩端才表現(xiàn)出電荷。 熱釋電效應(yīng) ?晶體溫度的微小變化 ?T產(chǎn)生 自發(fā)極化強(qiáng)度 Ps的變化為 ?Ps＝ P?T P是熱釋電系數(shù)矢量 ?晶體內(nèi)部自由電荷的平均時(shí)間 ?＝介電常數(shù) ?/電導(dǎo)率 ? 多數(shù)熱釋電晶體 ?＝ 1~1000s 釋電探測(cè)器 ?人體輻射的紅外線經(jīng) 遮光盤 的調(diào)制 ， 產(chǎn)生 調(diào)制頻率為 f的紅外光 。 ?當(dāng) f1/?時(shí) ， 晶體內(nèi)的自由電荷來(lái)不及中和面束縛電荷的變化 ， 在垂直于 Ps的兩端面間出現(xiàn)交流電壓 。 ?在端面上安裝電極 ， 并接上負(fù)載電阻 ， 就有電流流過(guò) 。 熱釋電探測(cè)器 ?設(shè)溫度變化為 dT/dt，電極面積 A，則 A(dPs/dt)便相當(dāng)于電路上的電流，于是電壓 pi是熱釋電系數(shù)矢量 。 由此 ， 電壓 ?v正比于 溫度變化率 ，而不取決于晶體對(duì)輻射是否達(dá)到熱平衡 。 ?測(cè)量穩(wěn)定不變的紅外輻射時(shí)一定要用遮光盤 ， 調(diào)制成周期脈沖紅外信號(hào)后 ， 才能被熱釋電晶體檢測(cè) 。 熱釋電探測(cè)器 ?特點(diǎn)： 靈敏度高 ， 光譜范圍寬 ， 高頻響應(yīng)好 ， 響應(yīng)速度快等 ， 優(yōu)于光敏器件和熱敏器件 。 ?缺點(diǎn)： 容易受振動(dòng)影響 ， 不能對(duì)直流信號(hào)工作 。 ?熱釋電探測(cè)器的用途： ? 主要用來(lái)探測(cè)紅外輻射 ， 并廣泛應(yīng)用于各類輻射計(jì) 、光譜儀 、 熱成像 。 ? 醫(yī)療儀器中將熱釋電探測(cè)器用于 非接觸測(cè)溫和熱成像 ，已經(jīng)制成 熱光導(dǎo)攝像管 。 ? 熱像圖法應(yīng)用于診斷乳腺癌 、 皮膚癌 、 甲狀腺癌 、 末梢血管閉塞或狹窄 。 四、 熱敏電阻溫度傳感器 ?熱敏電阻是對(duì)溫度敏感 ， 具有負(fù)電阻溫度系數(shù)的熱敏元件 ，由氧化錳 、 氧化鎳 、 氧化鈷等氧化物和陶瓷 、 半導(dǎo)體材料制成 ， 電阻率比金屬大得多 。 ?BME應(yīng)用的熱敏電阻 ， 電阻率 ?m,常做成球狀 、圓盤狀 、 薄片狀 、 桿狀和環(huán)狀 。 尺寸小 ()， 靈敏度高 (3%/C5%/C)， 長(zhǎng)期穩(wěn)定性好 (每年變化 177。 %)。 球狀熱敏電阻 安裝在注射針端的熱敏電阻 1）電阻溫度特性 ?常用的 負(fù)溫度系數(shù) 熱敏電阻的電阻－溫度特性近似為： 性 能 ?一組典型的熱敏電阻 R－ T特性曲線如右 。 每條曲線代表一種材料 。 ?它們是在熱敏電阻工作于很小的功率以致可略去自熱情況下測(cè)出的 ，稱為 零功率電阻 。 性 能 2）溫度系數(shù) ?對(duì)上式微分后再除以 RT可得溫度系數(shù)： ?可見(jiàn)， 溫度系數(shù) ?是溫度 T的非線性函數(shù)。 3）伏安特性 ?熱敏電阻在水中和空氣中的伏安特性 ?PA－線性段 ， 低電流下呈線性電阻的性質(zhì) ,V隨 I增加而增大； ?A點(diǎn)－沒(méi)有自熱時(shí)的最大電流值 。 ?B點(diǎn)－電阻增量為 0，這時(shí) ,自熱溫度＝環(huán)境溫度； ?C點(diǎn)－空氣中最大安全電流工作點(diǎn)； 左下斜線為電阻坐標(biāo) 右下斜線是恒功率坐標(biāo) 伏安特性 ? BC段－ B點(diǎn)之后有較大自熱 ， V隨 I增加而減小 ,屬于負(fù)阻特性區(qū)； ? 空氣和水的熱阻不同 ， 因此自熱區(qū)域也不同； ? 在 PB的階段 , 曲線與電阻坐標(biāo)交點(diǎn)即它的線性電阻值； ? 過(guò) B點(diǎn)之后的負(fù)阻階段 ,曲線與恒功率坐標(biāo)的交點(diǎn)即為熱敏電阻的熱功率損耗 。 4）功率常數(shù) ?在規(guī)定的環(huán)境溫度下 ， 由于自熱而 每上升 1 C176。 所耗散的功率稱為功率常數(shù) ， 單位 mW/C176。 ?在 55－ 150C176。 內(nèi) ， 功率常數(shù)約為 mW/C176。 5） 熱時(shí)間常數(shù) ?表示在零功率條件下 ， 環(huán)境溫度發(fā)生階躍變化時(shí) ,熱 敏電阻的阻值在初始溫度和終止溫度間變化 %所需要的時(shí)間 。 ?熱敏電阻的熱時(shí)間常數(shù)在 1~50s之間 。 的線性化 ?許多應(yīng)用希望得到 線性電阻－溫度特性 ,或 線性電導(dǎo)－溫度特性 。 ?恒流源供電并需要測(cè)量熱敏電阻的端壓時(shí) ， 要對(duì)其 R－T特性進(jìn)行補(bǔ)償 。 方法：用一個(gè)固定電阻 RP與熱敏電阻并聯(lián) ， 其阻值為 式中 ， RTm是在溫度變量的中間標(biāo)度 Tm處的熱敏電阻阻值 , B是熱敏電阻的材料常數(shù) (特征溫度 ). ?在恒壓源供電并測(cè)量流過(guò)熱敏電阻的電流時(shí) ， 可用一個(gè)固定電導(dǎo) Gs與熱敏電阻串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償 。 ?串聯(lián)的電導(dǎo)數(shù)值計(jì)算： ? 式中 GTm是溫度變量中間標(biāo)度 Tm處的熱敏電阻的電導(dǎo) 。 ? 注意：線性化后合成的有效電阻的溫度系數(shù)會(huì)下降 。 ? 并聯(lián)和串聯(lián)線性化電路的有效電阻溫度系數(shù)： ?體溫測(cè)量 體溫是一種重要的生理信息 ， 被看成生命體征參數(shù)之一 。例如： ? 用體表溫度鑒定 休克 ， 因循環(huán)休克而使血壓降低 ， 導(dǎo)致外周血流不足 ， 體溫下降 。 如 : 拇指溫度下降可以早期預(yù)報(bào)休克 。 ? 傳染病 ， 體溫增加 ， 皮膚發(fā)熱潮紅 ， 體液損失 。 ? 麻醉時(shí) ， 由于抑制了熱調(diào)節(jié)中樞 ， 使體溫下降 。 ? 關(guān)節(jié)炎 的溫度與局部發(fā)炎情況密切相關(guān) ， 體溫測(cè)量能夠了解由于關(guān)節(jié)炎和慢性炎癥引起的血流增加 。 ? 降低體溫 ， 能夠減緩代謝和血液循環(huán) 。 1） 惠斯登電橋 ?常用于差溫電橋測(cè)量電路 ， 以測(cè)量?jī)蓚€(gè)器官或同一器官上不同位置處的微小溫差 。 ?直流溫差電橋： 兩個(gè)珠狀配對(duì)的熱敏電阻 RT1和 RT2分別放置在兩個(gè)相鄰的橋臂上 ， 阻值100?， 在 25C176。 時(shí)誤差小于 177。 1。 ?交流溫差電橋： 測(cè)定細(xì)胞成分的反應(yīng)熱，靈敏度更高。 并聯(lián)電容器補(bǔ)償橋臂的電容失衡。相敏檢波器電橋輸出的交流信號(hào)，使指示器指示溫差大小和正負(fù)。 2） 直接測(cè)量熱敏電阻上電壓或通過(guò)的電流 ?采用運(yùn)放構(gòu)成的線性化熱敏電阻測(cè)量電路： 電路說(shuō)明： ?Rs使支路電導(dǎo)對(duì)溫度的特性線性化； ?僅用 50mV電壓對(duì)串聯(lián)電路供電 ， 可有效消除自熱誤差； ?RF產(chǎn)生的電流反饋在輸入端產(chǎn)生一個(gè)虛地 ， 使測(cè)量時(shí)有電流流過(guò)熱敏電阻 Rt時(shí)不影響其端壓； ?若放大器輸入阻抗很大 ， 則流過(guò)反饋電阻 RF的電流將等于 Rt的電流 i減去補(bǔ)償電流 io， 因此輸出電流與Rt電流成線性關(guān)系 ， 所以輸出電壓 Vo也隨溫度作線性變化 。 ?系統(tǒng)在 0－ 40C176。 范圍內(nèi)的最大偏差約為 C176。 。 ?指示劑稀釋法 是常用的測(cè)量血流量的技術(shù)，其中熱稀釋法涉及到溫度的測(cè)量。根據(jù)采用的指示劑不同，可以有三種方法： ?O2（濃度測(cè)量） ? 被試連續(xù)吸入純氧，然后測(cè)量動(dòng)脈和靜脈血液中的 O2含量，就可根據(jù) 菲克定理 計(jì)算出血流量： dm/dt: 氧的消耗 Ca: 動(dòng)脈血中的氧濃度 Cv: 靜脈血中的氧濃度 va CCdtdmF???染料稀釋法（濃度測(cè)量） ? 這是臨床上測(cè)量心輸出量的常用方法 。 將有色染料靛青藍(lán)綠經(jīng)導(dǎo)管注入肺動(dòng)脈 ， 然后測(cè)量股動(dòng)脈 （ 或者肱動(dòng)脈 ） 中的染料濃度 ， 再根據(jù)菲克定理確定心輸出量 。 ?熱指示劑法（即溫度測(cè)量法） ? 由于熱量沒(méi)有毒性 ， 和氧一樣 ， 能夠在血流流過(guò)人體時(shí)被排除 ， 稱為 熱稀釋法 。 ? 用一定量的冷生理鹽水 (設(shè)其容積 Vi， 比重 ?i， 比熱Ci， 溫度 Ti)， 注入右心房 ， 在右心室內(nèi)冷生理鹽水和血液完全混合 ， 然后在肺動(dòng)脈內(nèi)測(cè)量血液的溫度變化 T(t)， 根據(jù)熱量的變化規(guī)律測(cè)量出血流量 。 ? 設(shè)血液的比重為 ?B， 比熱 CB， 溫度 TB， 則生理鹽水從 Ti加熱到 TB所需要的熱量為 Q= Vi ?i Ci (TB Ti) ?設(shè)要測(cè)的血流量為 F(l,升 )， 則在溫度測(cè)量點(diǎn)考察 dt時(shí)間內(nèi)熱量的變化量 dQ: dQ=F?BCB(TBT(t))dt ?代入前面的 Q， 兩邊積分 ， 可得到從 Ti升溫到 TB所需的總熱量 Q， 由 Q可進(jìn)一步計(jì)算出 血流量 F: ?????0))(()(dttTTCTTCVFBBBiBiii???實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)雙導(dǎo)管裝置 。 一個(gè)導(dǎo)管端部裝上熱敏電阻 ， 通過(guò)肱靜脈導(dǎo)入 ， 放置到肺動(dòng)脈中的適當(dāng)位置 。另一個(gè)導(dǎo)管也通過(guò)靜脈放入到右心房中 ， 用來(lái)注入冷的生理鹽水 。 ?臨床上常用這種熱稀釋法測(cè)量血流量以確定心輸出量 。測(cè)量中 ， 導(dǎo)管可以留在測(cè)量部位大約 24個(gè)小時(shí) ， 在這段時(shí)間里可以進(jìn)行反復(fù)多次的測(cè)量 。 ?優(yōu)點(diǎn)： ? 不必刺破動(dòng)脈 。 ? 如果采用染料作指示劑 ， 則不可能實(shí)現(xiàn)如此長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)測(cè)量 。 ?測(cè)量血流和呼吸氣流速度 ? 測(cè)量原理： 將一個(gè)熱敏電阻置于流速場(chǎng) （ 如血流 ， 呼吸氣流等 ） 中 ， 在熱敏電阻上通過(guò)電流 ， 對(duì)其加熱 。 流體的流動(dòng)使熱敏電阻上的熱量散發(fā) ， 散發(fā)掉的熱量大小與流體的速度有關(guān) 。 ? 設(shè)：流過(guò)熱敏電阻的電流損耗功率為 ?， 電阻的溫度變化為 ?T， 流速為 v。 則由實(shí)驗(yàn)測(cè)得： a， b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù) . 可見(jiàn)流速 v越大 ， 溫度變化 ?T越小 。 ? 因此 ， 保持所加的功率恒定 ,通 過(guò)測(cè)量出熱敏電阻的阻值變化 (它反映溫度的變化 ),就可求出流速 。 ? 當(dāng)然 ， 也可以設(shè)法保持溫度不變 ， 測(cè)出所需要施加的功率 ?的變化 ,反 映流速的大小 。 vbaT l og?????流速測(cè)量傳感器 Ru測(cè)量熱敏傳感器 Rt溫度補(bǔ)償熱敏電阻 方式 1：只能測(cè)量流速 方式 2：辨別方向方案之一 方式 3：辨別方向方案之二