热电式传感器及其应用

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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、3.8.2PN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

2、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：-260～＋850℃；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-20～＋500℃，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–268.8～253℃-272.9～272.99

3、℃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、辐射高温计和光电高温计。2．光谱高温计前苏联研制的YCI—I型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,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NB

4、S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BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。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P–N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BaSrTiO3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

5、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3.8.1热敏电阻式传感器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

6、和温度之间的关系接近线性：0~6300C-200~00C3.8.1.2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

7、；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

8、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