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1、生物传感器全册配套完整精品 课件2 第八章 热电式传感器 温度 分类: 应用: 测温测温 接触测温接触测温 非接触测温非接触测温 热辐射测温热辐射测温 热传导测温热传导测温 压电效应压电效应 热阻效应热阻效应 热电势效应热电势效应 金金 属属热电阻热电阻 半导体半导体热敏电阻热敏电阻 热电偶热电偶 温温 度度 传感器传感器 压电陶瓷（热释电效应）压电陶瓷（热释电效应） 敏感元件 电参数 光电效应光电效应红外温度传感器红外温度传感器、光纤温度传感器、光纤温度传感器 热电阻热电阻 电涡流传感器电涡流传感器 PNPN结热电效应结热电效应 热敏二极管热敏二极管/三极管三极管、集成温度传感器集成温度传感

2、器 工作原理： 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置。它是利用 某些材料或元件的物理特性与温度有关的性质，将温度的变化转化 为电量的变化。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、 在一定温度范围内，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： 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温度的变化而变化，这一现 象被称为热电阻效应。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 00 1() T RRTT T0时的电阻温度系数R0T0时的电阻 金属、单晶半导体， 0，陶瓷半导体（热敏电阻） 0 书上表8.1（P73）给出了各种

3、材料的温度系数和电阻率 原理：热能 热电阻 电阻值 温度 热电阻阻值 温度与电阻阻值的关系 材料：纯金属 -铂、铜、镍、铁 要求： （1）温度系数、电阻率较高 提高 灵敏度，体积小，反应快 （2）物理化学性能稳定 提高稳 定性和准确性，复现性好 （3）良好的输入-输出特性 线性/接近线性，测量精度高 （4）良好的工艺性 批量生产，降低成本 （5）较大的测温范围 特别是在低温范围 8.1.1 8.1.1 金属热电阻金属热电阻 在0630时： 2 0 1BtAtRRt 在-2000时： 32 0 1001ttCBtAtRRt Rt温度为t 的铂电阻值， R0温度为0的铂电阻值 13 )(10983

4、. 3 A 26 )(10586. 0 B 312 )(1022. 4 C 铂电阻:金属铂丝(0.020.07mm)绕制成线圈 Pt100： 特点：(1) 在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好。 不能用于还原介质 (2) 输入输出特性接近线性 (4) 贵重金属，成本较高 (3) 测量精度高：0: 1 0100: 0.5 100650: 0.5% 应用：标准温度计，高精度工业测温，高低温测试 温度与电阻阻值的关系 在-50150时，铜电阻阻值与温度的关系为： 32 0 1CtBtAtRRt 13 )(1029. 4 A 27 )(1013. 2 B 39 )(1023. 1 C :

5、金属铜丝(0.02 0.07mm)绕制成线圈 特点： (1) 在-50 150范围内性能稳定，线性好 (2) 成本低 (3) 电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大 (Cu50, Cu100) (4) 高温易被氧化，易被腐蚀 (5) 测量精度低于铂电阻：-5050: 0.5、50150:1% 应用： 小范围，较低温度，测量精度要求低，没有浸蚀性介质，代替铂 铜电阻 热电阻测量中的误差及解决方法 (1) 引线电阻在温度梯度作用下引起电阻误差。可采用三导线测量 电路组成电桥消除 (2) 各个触点上产生热电动势。将所有触点置于同一温度下可减小这 种误差。用交流电源激励桥路，再用窄带放大器和相敏检波可

6、以消除 (3) 电流流过电阻元件产生的自然效应。降低电桥激励电压并增大放 大器增益可避免自热。也可使用脉冲源激励电桥减小电阻产生的热量 以消除自热的影响，会增加测量电路的复杂性 RL1 = RL2 导线电阻将不影响电 桥平衡 热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系 数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器 的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温 度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热 敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。 结构上多种多样，比如珠状、片状、杆状、垫圈（电子体温计）

7、，主 要由敏感头、引线和管体构成。 热敏电阻的结构和符号 热敏电阻的结构形式 8.1.2 8.1.2 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 （1）温度系数大 灵敏度高，为热电阻10100倍） （2）结构简单，体积小 可以测量点温度 （3）电阻率高、热惯性小 适于动态测温 （4）易于维护、使用寿命长 适于现场测温 （5）互换性差，非线性严重，精度低 （6）成本低，应用广泛 特点 电阻-温度特性（NTC） 0 11 () 0 B TT T RR e B热敏电阻的材料常数20006000K T0标准参考温度（单位：K） R0T0时的阻值 T热力学温度 T=273+t 对上式进行微分，除以RT，可得温度系数

8、2 1 T T dRB RdTT （单位：K-1） 与T2成反比，是T的非线性函数 伏安特性（NTC） 表示在稳定状态下，热敏电阻两端的电压与流过热敏电阻的 电流之间的关系。可以分为三段： PA：线性段，功耗1mw，电流不 引起电阻发热，热敏电阻相当 于固定电阻。 A点是没有自热时的Imax1 AB：正阻区段，W耗T环境，RT，电压 增加变缓。 B点，R = 0， T自热=T环境 恒压源供电，用RS与RT串联 和前面 一样的分析方法 i i Tis p TB TB GG R2 21 GTi 热敏电阻在Ti时的电导 IRT指示温度 改善线性后温度系数会减小，并联和串联后的温度系数为： pTii

9、p RRT B RdT dR /1 1 2 1/ / 2 sTi i s GG TB 要在更宽的温度范围内获得线性，可设计更复杂的线性化网 络或数字化技术。 热敏电阻测温电路（NTC） 直接测量法：通过直接测量热敏电阻上的电压或通过的电流。 采用运算放大器的线性化热敏电阻的测量电路 电路图中Rs使支路电导对温度的特性线性化。串联电路仅用50mV 电压供电，可有效地消除自热误差。接到运算放大器输入端的电流反 馈在输入端产生一个“虚地”，使测量流过热敏电阻的电流时不影响 其端电压。如放大器输入阻抗很大，则流过反馈电阻RF的电流将等于 热敏电阻电流i减去补偿电流i0，因此，输出电流与热敏电阻电流成线

10、 性关系，所以输出电压也随温度作线性变化。这个系统在040范 围内使用时，最大偏差为0.15。 惠斯登电桥测量：直流电流和交流电桥 直流电桥中，RT1和RT2匹配，只要这两个电阻上有温差，放大器 就会输出与温差有关的信号。可测出0.01温差 交流电桥中，为了消除直流漂移和1/f噪声的影响，要使用交流窄 带放大器和相敏检波，而且交流放大器的中心频率远离低频端。此外， 要电桥中要采取电阻平衡和电容平衡达到温差为零，用来消除分布电 容的影响。漂移NB)，两个不 同的接点温度：T0为冷端，T为热端（T T0），则回路中产生以下几 种电动势： 接触电势：当两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电 子密

11、度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。失去自由电子的金 属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。当扩散达到平衡时， 在两种金属的接触处形成一个稳定的电位差EAB(T)电势，称为接触电 势。其大小与材料和结点温度有关。 结论：当电子密度一定（即材料一定）时，回路接触电势与 两结点温差成正比 接触电势 扩散 静电场 NA NB B A ABAB N N TT e k TETEln)()()( 00 EAB(T)A、B两种金属在温度T时的接触 电势； K波尔兹曼常数波尔兹曼常数 e电子电荷电子电荷 NA, NB导体导体AB的自由电子密度的自由电子密度材料材料 T节点处的绝对温度节点处的绝对温度 温差

12、电势：对于单一金属，如果 两端的温度不同，则温度高端的自由 电子向低端迁移（电子能量不同）， 使单一金属两端产生不同的电位，形 成电势，称为温差电势。其大小与金 属材料的性质和两端的温差有关，可 表示为： 温差电势 扩散 静电场 热端 冷端 T T AA dTTTE 0 ),( 0 A汤姆逊系数 T0,TA、B两节点绝对温度 结论：一般温差电势极小，所以在实际计算回来电势时，可以 忽略不计。 因此，整个闭合回路中，总的热电势为 dTTETE TTETTE TETETTE T T BAABAB BA ABABAB 0 )()( )()( )()()( 0 00 00 ， ， 温差电势 接触电势

13、回路总电势 T T BABA dTTTETTE 0 )(),(),( 00 总的温差电势： 热电偶的基本定则： 如两电极材料相同，即NA=NB，虽 ，但 ，必须 用两种不同材料构成热电偶。 0 TT 0 ( ,)0 AB ET T 如T=T0，则, 0 ( ,)0 AB ET T 均质回路定则：热电势只与两结点温度T，T0有关，而与尺寸、 形状及温度分布无关。 中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种导体时，只要第三种 导体两端温度相同，则 不变。 0 ( ,) AB ET T 标准电极定律：若已知导体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： 0001

14、2 ( ,)( ,)( ,) ABACBC ET TET TET TVV 常用铂丝作标准电极C，作为确定各种材料热电特性的基准 中间温度定则：若温度T1、T2时热电热电势为V1，T2、T3时为V2。 则T1、T3时 EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)=V1+V2。 中间导体定律的实际意义在于，在闭合的热电偶回路中，可方 便地引入各种导体（仪表，连接导线等），以便测量回路中的热电 势或热电流的大小。此外也允许用任意的焊接方法来焊接热电偶。 标准电极定律的意义在于，各种材 料电极与第三种材料电极C（一般C称 为标准电极，由铂制成）组成的热电偶 回路产生的热电势已知，就

15、可以依据上 述定律求出任何两种材料电极A、B组成 的热电偶产生的热电势大小。在工艺制 作上，大大方便了热电偶的配选工作。 三种导体分别组成热电偶 8.2.2 8.2.2 热电偶种类和特点热电偶种类和特点 热电偶材料的基本要求 （1）热电性质稳定，不随时间变化，且测温范围宽 （2）具有足够的物理、化学稳定性，不易氧化腐蚀 （3）材料温度系数小，导电率高 （4）热电偶产生的热电势要大，线性或接近线性特性 （5）材料复制性好，易加工，廉价 通常合金材料应用较多，铜康铜，镍铬镍硅，铂铂铑等 优点：时间响应快，可小于1ms，尺寸小，直径可小至m；长期 稳定性好。在石英纤维上真空沉积两种金属，更微型，热时

16、间常 数可达s级，可测细胞内瞬时温度。 缺点：输出电压小，灵敏度低， 680 V/ ，需标准参考温度。 热电堆：串接N个热电偶，可使灵敏度提高N倍。 材料材料测温范围测温范围特点特点应用应用 铂铹铂铹10 10 纯铂纯铂0 1000 准确性高，成本高准确性高，成本高精密测温、标准精密测温、标准 铱铹铱铹10 10 纯铱纯铱0 2100 科学研究科学研究 铱铹铱铹40 40 铂铹铂铹40 40 0 1900 氧化、中性气体氧化、中性气体 镍铁镍铁镍铜镍铜50 500 50 20时，EAB(T,T0)减小，而RCu20 增大 Uba增大 则U=EAB(T,T0) +Uba 输出不变，得到补偿。 (

17、c)当T0 20时，EAB(T,T0)增大，而RCu20 减小 Uba减小 则U=EAB(T,T0) +Uba 输出不变，得到补偿。 利用半导体集成温度传感器AD590进行温度补偿的一种电路，由 于电流随温度TA线性增加，从而产生补偿电压，抵消冷端温度产 生的热电势。 8.3 半导体温度传感器 利用PN结的伏安特性与温度有关这一特性，制成温度传感器 8.3.1 8.3.1 二极管温度传感器二极管温度传感器 由一个PN结构成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 线性范围宽： -40100 当T，VF（线 性），2mv/ 对于理想二极管

18、，当两端电压大于n个kT/q时， )exp( kT qV II F sF IF正向电流，VF正向电压，T温度 k玻尔兹曼常数，q电子负荷，Is饱和电流 与温度无关的常数，与迁移率有关的常数 Eg0外推的0K下的材料禁带宽度 )exp( 0 kT E TI g s )ln( 0 F g F I T q kT q E V 当IF恒定，T，VF，即温度系数为负。当电流增加时，灵敏度降低 对于实际二极管，当工作在PN结空间电荷中的复合电流 和表面漏电流可以忽略，并且未发生大注入效应的电压和温度 范围内，它们的特性就与理想二极管相符。 在一定温度范围内，VF与T成线性关系，为了扩大线性范 围，可采用特性

19、相同的差分对管。二只二极管的电位差： 2 1 ln F F F I I q kT V 只要IF1和IF2保持不变，则VF与绝对温度T成正比。 在二极管测温中，用的最多的是恒流源激励电路。恒流源 一般取值10100A，避免自热效应。调节R2和R3可以改变输 出灵敏度和零位，以得到摄氏和华氏温度显示。 8.3.2 8.3.2 三极管温度传感器三极管温度传感器 在一定温度范围内，在小注入条件下，只要 1 kT qVBE 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： kT qV kT E TI BE g C expexp 0 与温度无关的常数

20、，但与结面积和基区宽度有关 Eg00K时硅的外推禁带宽度，常取1.205eV 常数，取决于基区中少数载流子迁移率对温度的依赖性，一般 35 C gBE I T q kT VV ln 0 Vg0 = Eg0/q，如果IC为常数，则VBE仅随温度单调和单值变化 集电极电流IC = VCC/RC，只要VCC不变，则IC恒定，从而保证三极管 工作在恒流状态。电容C1的作用是防止寄生震荡，图b给出了VBE和T 的关系，3条曲线对应于不同的集电极电流值，小电流对应于交大的 电压温度系数。 由于恒流工作状态下，VBE和T的关系只是近似线性，存在一定分非 线性误差，因此精确测量时，必须进行线性补偿：节约电流法

21、、查分 对管法和反馈法。 反馈法线性化电路。随温度变化的输出电压V0经函数发生器产生一 个随温度变化的集电极电流IC。 k CC T T II 1 1 调整电路使IC1=50A，T1=25。K可以去 1，2或者，当k= 时非线性误差最小。 电流阶跃法，需要检测电压VBE。当晶体管交替工作在不同的集电极 电流IC1和IC2时，对应的电压为： 2 1 21 ln C C BEBEBE I I q kT VVV VBE与T表现为理想的线性关系 把两个结构和性能完全相同的晶体管置于同一温度下，使其分别在两 个不同的恒定集电极电流IC1和IC2下工作，两管基极发射极电压之 差将和单管电流阶跃法一样，与温

22、度保持立项的线性关系： T I I q k V C C BE 2 1 ln 实际中两管做到完全相同的热接触和处于完全相同的测温条件下是很 难的。通常采用集成电路工艺只做出结构和性能极为相似的对管管芯， 再把它们封装在同一管壳内，保证了各性能的匹配 由于两集电极电位相等 2 1 2 1 R R I I C C BE b f V R R V 1 0 T R R q k VBE 1 2 ln 则输出与T的关系为： T R R R R q k V b f 1 2 0 ln1 灵敏度为： 1 20 ln1 R R R R q k T V b f 改变反馈电子Rf可以调整灵敏度 8.3.3 8.3.3 集

23、成电路温度传感器集成电路温度传感器 将感温元件差分对晶体三极管及其外围电路集成在一起。 优点：线性好、精度高、互换性好、体积小。 感温元件产生与绝对温度成正比的电压和电流，该部分称为PTAT 输出电压n q kT R R Vln 1 2 0 nQ、Q2发射板面积比 只要R1/R2为常数，则输出电压V0与绝对温度 T成正比。输出电压的温度灵敏度由电阻比 R1/R2和面积比n决定。 集成电路温度传感器按其输出可分为电压型和电流型，典型的电压 型集成电路温度传感器有PC616A/C，LM135, AN6701等，典型的 电流型有AD590。 8.4 石英晶体温度传感器 利用石英晶体的固有振荡频率随温

24、度变化的特性，把温度转换成频率。 石英晶体的固有振荡频率与温度T的关系可以表示为： 3 0 2 00 0 0 TTCTTBTTA f ffT T石英晶体温度（被测温度） T0参考温度，通常T0=0 fT温度T时的谐振频率 f0温度T0时频率 ABCT0时一、二、三级频率温度系数 Y切型，LC切型，AC切型的石英晶体具有良好的线性频率温度特性 晶体基准振晶体基准振 荡器荡器 混频混频 器器 低通滤低通滤 波器波器 计数计数 器器 振荡振荡 器器 晶体探头晶体探头 f0 ff f0f f0 把温度的变化转化为振荡频率的变化，把测温振荡器的信号与频率 稳定的基准振荡器混频后，取差频f f0在一定的时

25、间间隔内计数，得到与在一定的时间间隔内计数，得到与 温度成正比的计数值温度成正比的计数值 8.5 热像传感器 要检测某个面或三维空间的温度分布，采用非接触，热辐射原理 红外热成像技术。利用液晶的温度效应检测体表温度分布被逐渐 推广使用。 8.5.18.5.1红外探测红外探测器器 当物体温度高于绝对零度，就会发射红外辐射。物体的红外辐 射的强度与波长分布取决于物体的温度和辐射率，人体红外辐 射波长316m。 1、红外光电探测器、红外光电探测器 基于内光电效应：光敏电阻、光电池。 2、红外热探测器、红外热探测器 热电转换包括两个过程：热探测器吸收红外辐射后温度升高随着辐射 功率变化其元件温度发生变

26、化；利用元件的某种温度敏感特性，将辐 射转变为相应电信号。主要有热释电探测器、热敏电阻热探测器。 热释电效应某些晶体在温度变化时会发生电极化。加热和 冷却时产生的电荷变化相反。其电荷密度等于自发极化强度PS。 （1）热释电探测器工作原理 静态条件下，即热幅射恒定，测不出PS（产生的电荷被中和） 动态条件下，热幅射按一定频率变化，能测出PS（产生的电荷 来不及被中和） 等效电路中短路电流为： dt dQ I 每次辐射照射元件的温度变化为T，则产生的表面电荷为： dT dP s TAQ 当辐射照射的调制频率为时，TAI 则输出电压V0的模为： 2/1 222 0 1CR RTA V V0的模正比于

27、温度变化速率T，而不取决于晶体是否对热幅射 达到平衡。 测量稳定不变的红外辐射时，一定用遮光盘调制。 主要用于：光谱仪、辐射计、红外热成像、非接触测温。 优点：灵敏度高，光谱范围宽，高频响应好，响应快。 缺点：易受振动影响，不能对直流信号工作。 （2）热敏电阻热探测器）热敏电阻热探测器 辐射测温可在交、直流方式下工作。辐射测温可在交、直流方式下工作。 电阻两端蒸镀电极并 接引线，上面涂有黑化 层，吸收辐射。电阻胶 合在绝缘衬底上，基体 起导热作用。缩短电阻 响应时间。 探测频率和响应时间低探测频率和响应时间低 于热释电探测器。于热释电探测器。 比较比较 光电探测器：只对光电探测器：只对响应，多

28、数需致冷，探测率高，响应，多数需致冷，探测率高， 响应时间短。响应时间短。 热探测器：对各种波长响应，可在室温下测量，探热探测器：对各种波长响应，可在室温下测量，探 测率低，响应时间长。测率低，响应时间长。 一维阵列红外探测器和二维红外CCD热像传感器的出现，更 加小型化，性能更好，得到广泛应用 （3）液晶测温膜）液晶测温膜 一些有机化合物。在一定温度范围内，既具有液体的特点， 又具有晶体的某些特性。 液晶对于不同波长的光，具有选择反射的特性，波长越长， 反射角愈大。 对于一定的视角，白光照射下，反射光的波长无i液晶的温度 改变，温度降低，波长较长，温度升高，波长较短。特征色由反特征色由反 射

29、光波长决定射光波长决定。温度变化，反射光波长变化，特征色变化。 T，反射长， T， 反射短， T从低高， 长短，红蓝， 可形象反映体表温度。 8.6 热电传感器的医学应用 1 常规温度测量 除了水银温度计以为的电子体温计出现，测量水银体温计不便测 量的部位。 多采用接触式，测量一点。共同点：为尽量减小测温探头对被测点 温度场的影响，均采用薄片结构，高传热系数，比热小的材料 响应时间为10s 2 体表温度分布测量 通常指皮肤温度由局部血流量、下层组织的导热及表皮散热 等因素决定。可用于早期发现近表皮恶性疾病，协助诊断各种炎 症，观察某些药物疗效等。 红外热成像仪原理 被测对象 扫描，聚 光，滤波

30、 红外 检测器 信号处理显示 同步信号控制温度补偿 一般利用红外热成像技术非接触无损伤对人体体表逐点进行扫描， 并通过聚光透镜将红外辐射能汇聚到红外光探测器上。 热扫描成像系统（TTM）热断层扫描、热CT 与一般热成像系统不同，可以测出热源的深度及辐射值，灵敏 度高。测出由于功能异常产生的0.1的变化，30帧/秒，被动接收， 绿色CT。根据人体细胞新陈代谢变化时，正常与非正常细胞的辐射 差。 2 体表温度分布测量 3 深部温度测量 深部温度可能，可通过下面几种方式实现 热流补偿法 原理：使表皮与外界绝热，表皮温度会升高，最终达皮下深部的温 度 加热器：迅速达到热平衡，补偿不完全绝热。 体表散热

31、受阻：TA，T=TA-TBV0加热器工作。 当一定时间后：T=0，V0=0，测出TA，即体内温度。 植入式温度遥测 原理：石英晶体固有频率f0=f(T) 振荡器频率f振可变，当f振=f0， 石英晶体共振。 测得f0T。 优点：传感器植入部分，无需电 源激励，可小型化和长期植入。 探针式体内温度测量 主要用于测量组织、器官、血液等的温度。 2 E 电磁波电场E，该部位电导率,则 电能 E2热能。 热敏电阻及引线应： 生物， 避免电阻自身吸收热量使温度T 采用高阻值热敏电阻及导线（电阻率 高） 加热疗法热敏电阻温度计 热电偶阻抗非常小，为避免E2的影响，温度测定时，应中断加 温（电磁感应，超声）

32、加热疗法热电偶多通道温度计 深部温度分布的无创检测 （1）微波法 生物组织以热噪声形式向外发射微波 0.55GHz 强度温度 频率深度 fL深部组织 fH浅部组织 被动测量法用高灵敏度热噪声接收机接收不同频率的微波信 号，可测定从体壳到体内数厘米组织的平均温度。 主动测量法微波CT，透射波与生物体微波频率衰减常数、相 移常数相关。 4 热传输流量传感器 测量活体内血流的方法中，有两种是根据热传输原理而设计的： 一种是以不变的速度输入热量，同时测量上游和下游之间的温差。 由于传输到下游温度换能器的热量取决于流速，测定温度差就能求 出流速。另一种是根据热元件的热传输随流速变化的关系，测量元 件的电

33、阻变化或测量保持温度不变所必须增加的功率，就能求得流 速。 热量血流速度计 （4）NMR（核磁共振）测温 （2）超声法: 利用声速或衰减系数的温度特性测定体内温度分布 (3）阻抗CT法：通过测量由于组织温度变化而引起的组织阻抗变化， 推算出温度变化。 以不变的速度输入热量，同时测量上游和下游之间的温差。由于 传输到下游温度换能器的热量取决于流速，测定温度差就能求出流速。 这种装置比较简单。它与血管及周围组织的热接触很差，在一定 程度上会使灵敏度发生很大变化。由于沿套子或血管壁的热传导，以 及血流对两端热点偶冷却的不同引起温度差异。 血管内热敏电阻探头 使热敏电阻工作在伏安特性的负阻区，利用热敏

34、电阻的耗散原理。 热敏电阻在血流中所消耗的功率W与血流速度v有如下关系： vba T W lg a b均为常数 T为加热热敏电阻温度与血液温度之差。 热敏电阻R放置在流动血液中，通过一个频率约为2kHz的高频电 源对其加热，使之温度略高于血液温度。在血流作用下，血流带走R 的热量，是R的温度下降从而阻值升高，电桥失去平衡。利用反馈回 路改变R的加热电源功率，使R的温度回升。加到R上的功率与血液流 量成一定函数关系，测出加热东率即可得到血液流速或血流量。 毛细血管血流量测量 局部毛细血管血流量可以由测量阻 值表观的热传导率获得。血流运输是引 起表观热传导率改变的原因。 表观热传导率=k毛细血管血

35、流率 5 一些生理参数的热测量 1、热稀释法测心输出量 把一定热量的液体注入静脉或右心房血液混合脉动脉处测 出血液温度TQ。 2、热敏电阻式热式血流量传感器 热源在血液中的热传导与血液流速V有关，据此可测量血流量大小。 3、热敏式呼吸传感器 （2）热丝式流量传感器与气流直接接触，响应很快。 i) 铂丝（加热元件），桥路自动调节铂丝上的电压，保持恒温 （400）桥路输出流量 ii) 两钨丝（热敏元件） 组成另一电桥，用于判定方向 （1）热管式呼流量传感器 例1：将一支灵敏度0.08mV/的热电偶与电压表相连，电压表接 线端处温度为50。电压表上读书为60mV，求热电偶热端温度。 解：根据题意，电

36、压表上的读数是由热端温度t，冷端温度为50 产生的，即E(t, 50)=60mV。又因为 )0 ,50()0 ,()50,(EtEtE 则mVEtEtE6408. 05060) 0 , 50()50,()0 ,( 所以热端温度为 T = 64/0.08 = 800 例2：现用一支镍铬铀镍热电偶测某换热器内温度，其冷端温度 为30，而显示仪表机械零位为0，这时指示值为400，若认为换 热器内的温度为430，对不对？为什么？正确值为多少？ 解：不对。 因为仪表机械零位在0与冷端30温度不一致，而仪表刻度是 以冷端为0刻度的，而此时指示值不是换热器真实温度t。必须经过 计算、查表、修正方可得到真实温

37、度值。由题意首先查热电势表，得 mVE943.28)0 ,400(mVE80. 1)0 ,30( 实际热电势为实际温度t与冷端30产生的热电势，即 mVEtE943.28)0 ,400()30,( 而mVEtEtE744.30801. 1943.28)0 ,30()30,()0 ,( 查热电势表得t = 422 例3：用补偿热电偶可以使热电偶不受接线盒所处温度t1变化的影 响，如下图所示接法。试用回路电势的公式证明。 解：如图所示，AB为测温热 电偶，CD为补偿热电偶，要求补 偿热电偶CD热电性质与测温热电 偶AB在0100范围内热电性质 相近，即有eAB(t) = eCD(t)。根据热 电特

38、性可以画出其等效电路图。 因此回路总电势EABCD(t, t1, t0)主要 是由四部分接触电势组成，则有： ）（ 1)()()()(),( 11001 tetetetetttE ACBDCDABABCD 根据热电势特性：当回路内各点温度相等时，回路电势为零。即 当t = t0= t1时，EABCD = 0得 )2()()()()( 1111 tetetete ABCDACBD 因为eAB(t1) = eCD(t1)，故上式等于零，此时将式(2)带入式(1)有 ),()()()()(),( 00001 ttetetetetetttE ABABABCDABABCD 由以上结果可知与接线盒处温度t

39、1无关， 只要保持补偿热电偶处t0 恒定即可正常测温。 生物医学传感器安全性与可靠性 生物医学传感器的特点 生物医学传感器作为传感器的一个重要分支，生物医学传感器作为传感器的一个重要分支， 其设计与应用必须考虑人体因素的影响，考虑生物其设计与应用必须考虑人体因素的影响，考虑生物 信号的特殊性、复杂性，考虑生物医学传感器的生信号的特殊性、复杂性，考虑生物医学传感器的生 物相容性、物相容性、生物相容性生物相容性、可靠性、安全性。而可靠可靠性、安全性。而可靠 性直接和安全性相关。性直接和安全性相关。 安全性的基本要求 传感器本身具有良好的技术性能，如灵敏度、线性、 迟滞、重复性、频率响应范围、信噪比

40、、温度漂移、 零点漂移、灵敏度漂移等。 传感器的形状和结构应与被检测部位的解剖结构相 适应，使用时，对被测组织的损害要小。 传感器对被测对象的影响要小，不会对生理活动带 来负担，不干扰正常生理功能。 传感器要有足够的牢固性，引入到待测部位时，不 致脱落、损坏。 安全性的基本要求 传感器与人体要有足够的电绝缘，以保证人体安全； 即使在损坏情况下，人体受到的电压低于安全值 传感器进入人体能适应生物体内的化学作用，与生 物体内的化学成分相容，不易被腐蚀、对人体无不 良刺激，并且无毒。 传感器进入血液中或长期埋于体内，不应引起血凝。 传感器应操作简单、维护方便，结构上便于消毒。 使用方便、舒适、稳定、

41、可靠、安全、耐用、快捷使用方便、舒适、稳定、可靠、安全、耐用、快捷 直径直径6F的电极体的电极体 -体积小，方便植入体积小，方便植入 10mm的端环间距的端环间距-避免远场感知避免远场感知 1.8mm的旋出长度的旋出长度 -既能牢靠固定，又保证植入的安全性既能牢靠固定，又保证植入的安全性 顶端激素缓释技术顶端激素缓释技术-降低术后心脏起搏阈值降低术后心脏起搏阈值 MED 4719内绝缘层内绝缘层-抗挤压能力强抗挤压能力强 分离式旋出标记分离式旋出标记-X线下影像清晰线下影像清晰 电气安全性 随着医院及医学研究机构使用医学电子仪器设备的品种、随着医院及医学研究机构使用医学电子仪器设备的品种、 数

42、量和复杂程度的不断增加，偶发的电击事故也逐渐增多数量和复杂程度的不断增加，偶发的电击事故也逐渐增多 。 为此，制定安全的防范措施，正确设计和使用传感器，把意为此，制定安全的防范措施，正确设计和使用传感器，把意 外电击的危险减小到最低程度，对医用传感器的设计和使用外电击的危险减小到最低程度，对医用传感器的设计和使用 者都是十分必要的。者都是十分必要的。 通常会发生宏电击和微电击两种情况。而漏电流是发生通常会发生宏电击和微电击两种情况。而漏电流是发生 宏电击的原因。因此设计时必须对漏电流大小加以限制。微宏电击的原因。因此设计时必须对漏电流大小加以限制。微 电击是由直接流入心脏组织内的电流产生的，通

43、常会引起室电击是由直接流入心脏组织内的电流产生的，通常会引起室 颤导致死亡。实际应用中，心脏起搏器、心内导管等易使患颤导致死亡。实际应用中，心脏起搏器、心内导管等易使患 者受到微电击。因此，国家标准严格给出了漏电流和患者测者受到微电击。因此，国家标准严格给出了漏电流和患者测 定电流的容许值。定电流的容许值。 此外，医疗仪器中广泛应用微波、超声波、激光和核能此外，医疗仪器中广泛应用微波、超声波、激光和核能 等，必须有效地控制使用能量，既能达到良好的诊断和治疗等，必须有效地控制使用能量，既能达到良好的诊断和治疗 效果，又不会造成不良效果。效果，又不会造成不良效果。 生物医学材料的安全性 对材料本身

44、的要求 耐生物老化性，对于长期植入的材料应具有生物稳定性 物理和力学稳定性，长期在体内环境下强度、弹性以及 外形尺寸具有稳定性，此外还要具有耐曲挠疲劳性、耐 磨性、界面稳定性等 易于加工成型 价格适当 可以用通用方法灭菌 在医学领域使用的生物材料必须符合下列要求：在医学领域使用的生物材料必须符合下列要求： 生物相容性 血液和导管传感器相互作用的描述指标 蛋白质吸附控制：传感器表面加负电荷 传感器表面打光滑 传感器表面加水凝胶 血栓形成控制： 加蛋白抑制剂 加肝凝脂 血小板聚集控制： 在传感器构成材料外部聚合膜 中加NO 生物医学材料的安全性 在人体效应方面的要求 无毒性，即化学惰性，一般说，制

45、备生物医学材料的原料 必须经过严格提纯，材料配比和所有配合剂都要严格控制， 生产环境和产品包装都要有严格防污染保证 无热源反应 不致癌 不引起过敏反应和不干扰机体的免疫机制 不发生材料表面的钙化沉着 对于与血液接触的材料，必须有良好的血液相容性 常用的生物材料 医用传感器的材料主要有金属、非金属无机材料和有机医用传感器的材料主要有金属、非金属无机材料和有机 高分子材料三大类：高分子材料三大类： 目前较多应用的医学金属材料有贵金属（铂、黄金）、目前较多应用的医学金属材料有贵金属（铂、黄金）、 不锈钢、钛、钽等不锈钢、钛、钽等 医用非金属无机材料主要有生物陶瓷、生物玻璃（羟基医用非金属无机材料主要

46、有生物陶瓷、生物玻璃（羟基 磷灰石）、碳素材料。它们主要应用于人工器官。磷灰石）、碳素材料。它们主要应用于人工器官。 目前医学高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、粘合剂、目前医学高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、粘合剂、 涂料等，其中，硅橡胶具有生理惰性优良、血液相容性好、涂料等，其中，硅橡胶具有生理惰性优良、血液相容性好、 弹性好、易于加工成型、耐热、可反复使用高压蒸汽灭菌、弹性好、易于加工成型、耐热、可反复使用高压蒸汽灭菌、 对气体和药物通透性好等特点；聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯对气体和药物通透性好等特点；聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯 等也有较好的生物相容性，可用于医用导管。等也有较好的生物相容性，可

47、用于医用导管。 生物医学材料的消毒和灭菌 热灭菌：高压蒸汽，最普遍，最可靠 化学灭菌 辐射灭菌：主要用于一次性使用医疗制品 过滤灭菌：主要用于畏热物质 超声协同灭菌 气体等离子灭菌：适用于热敏材料或细小管腔等 植入或与身体接触的生物医学材料，包括由它制造的人植入或与身体接触的生物医学材料，包括由它制造的人 工器官、医用装置或元件，一般在使用之前应进行消毒灭菌工器官、医用装置或元件，一般在使用之前应进行消毒灭菌 处理。消毒是指杀灭非芽胞和增殖状态的致病微生物，灭菌处理。消毒是指杀灭非芽胞和增殖状态的致病微生物，灭菌 则是指杀灭一切微生物，包括病原菌和非病原菌，如细菌、则是指杀灭一切微生物，包括病

48、原菌和非病原菌，如细菌、 芽菌、真菌和病菌等等。消毒和灭菌主要有下列方法芽菌、真菌和病菌等等。消毒和灭菌主要有下列方法 可靠性设计可靠性设计 可靠度R 可靠性定义：产品在规定条件下和时间内，完成规 定功能的能力。 可靠度R产品在规定条件下和时间内，完成规定 功能的概率。 不可靠度F产品在规定条件下和时间内，丧失规 定功能的概率。 R+F=1 失效率： 在t时刻前未失效的条件下，在t时刻后 的单位时间发生失效的概率。 （1） （t，t+t）内失效的产品数； r(t)（0，t）内产品累积失效数。 到t时刻，尚未失效的产品数。 t ttN tr t s tr tN s 早期失效阶段：特点：失效率高。

49、原因：设计、制造工艺缺早期失效阶段：特点：失效率高。原因：设计、制造工艺缺 陷陷 偶然失效阶段：特点：失效率低，且稳定。偶然因素，质量偶然失效阶段：特点：失效率低，且稳定。偶然因素，质量 缺陷，材料特点，环境缺陷，材料特点，环境 耗损失效阶段：特点：耗损失效阶段：特点：(t)随时间增加而增加。原因：磨损、随时间增加而增加。原因：磨损、 腐蚀、疲劳、老化。腐蚀、疲劳、老化。 可靠寿命： 对于不可修复产品，指发生失效前的工作时间。 可修复产品，指相邻两故障间的工作时间。（无故 障工作时间） 不维修系统的可靠性 1串联系统任一单元失效会使整个系统失效的系 统 2并联系统组成系统的所有单元都失效时才失

50、效 的系统 医疗器械监督管理条例（国务院第276号令） 本条例所称医疗器械，是指单独或者组合使用于 人体的仪器、设备、器具、材料或者其他物品， 包括所需要的软件； 第一类是指，通过常规管理足以保证其安全性、 有效性的医疗器械。市级 第二类是指，对其安全性、有效性应当加以控制 的医疗器械。省级 第三类是指，植入人体；用于支持、维持生命； 对人体具有潜在危险，对其安全性、有效性必须 严格控制的医疗器械。国家级 血糖仪血糖仪 有创型有创型 微创型微创型 无创型无创型 毛细血管全血毛细血管全血 吸血式吸血式 激光采血式激光采血式 抹血式抹血式 新生儿血新生儿血 研究中研究中 静脉全血静脉全血 动脉血动