测试仪器设计报告 便携式温度测量仪

 设计目的：去年的 SARS 横行时，政府为了控制疫 情扩散，采取隔离措施、而从一班人群中隔离出 SARS 患者的最初一步是通过体温测量。上海交大 为了防止疫情在校内蔓延，为每位同学分发了一个 水银体温计。在使用中尽管测试较为准确，但是时 间较长，需要 5 分钟左右；并且由于是玻璃管温度 计，内装水银，如果玻璃管破碎，易造成重金属汞 污染，影响学生健康。同时在火车站等人员流动频 繁处设有固定红外线测温装置，但是由于体积较大， 移动不便，且成本较高。为此，本组设计便携式温 度计，既能较准确得测量温度，成本又不至于很高， 有较高的性价比，适用于医疗卫生团体作应急使用。

 简介：主要介绍了本组的便携式热敏电阻温 度测量仪器的设计原理，设计方案，使用方 法，等一系列内容，同时就设计过程，思路 作出相关解释。  设计仪器：便携式温度测量仪 ( 鉴于本仪器通 用性极强，适用范围广泛，以下报告中仅以 体温计为例 )

 设计方案：根据以上设计要求，小组成员提出了以 下几套初步方案：  1. 使用热电偶仪器测量，利用仪器两电极材料不同， 在不同温度下量触点温度不同，电势不同原理制成。  2. 使用热电阻，利用大多数金属导体电阻随温度变 化而产生变化这一原理制成。  3. 利用集成温度传感器，把温敏晶体管和外围电路 集成到一块电路板上，外接显示装置，将测得信号 转换为温度输出。  4. 使用半导体热敏电阻，利用其温度特性曲线，制 作成温度开关，通过对温度测试电路得控制达到检 测目的。  经过小组成员讨论，决定采用第四种方案，即使用 热敏电阻测量温度

 方案选择：在总结讨论以及参阅网络资料，相关图书后，对方案进行评价：  A 方案 从资料上可以查得，热电偶使用范围主要在工业上，测试 1000 ℃左右的高温 尤其准确。  B 方案 在性能上，热电阻的线性度很好，在低温测量中测试较为精确，但是由于金 属电阻本身的阻值很小，导线电阻不可忽略。 金属活动性也决定了热电阻不适合在潮湿的 环境下工作，且不耐腐蚀。  C 方案 温度的测试会很准确，但是由于采用集成装置，成本的因素不得不考虑。  D 方案 结构简单，体积小，电阻温度系数大，灵敏度较高，电阻率高，热惯性小， 适于动态测量，制造简单，使用寿命较长。但是由于线性度差需要进行线性度修正。  最后，经过小组成员讨论，决定采用第四种方案，即使用热敏电阻测量温度。

 在选择测试材料时考虑到 三种半导体材料： 1 ）负 温度系数热敏电阻 （ NTC ）； 2 ）正温度系 数热敏电阻（ PTC ）； 3 ） 临界温度系数热敏电阻 （ CTR ）。  同时在参考资料中 找到了热敏电阻温度特性 曲线 ( 如右图 )  最终决定使用 NTC 。 CTR 尽管作为温控开关很合适， 但由于过于简单，无法测 得很准确的温度值。

半导体热敏电阻器 R － T 特性的理论分析 从总体上说半导体热敏电阻 R － T 特性服从指数关 系，这主要是由半导体的电阻率与温度的关系决定 的。式 (5.11) 可以描述 各种热敏电阻器（如突变型和缓变型的 PTC 热敏电 阻器、一般及临界型的 NTC 热敏电阻器）的 R － T 特 性的基本变化趋势，但在高精度的测量中发现用它 们处理实验数据后误差不同，有的误差大，有的误 差作修正补偿后才能满足精度需要，这主要因为该 公式对热敏电阻器 R － T 特性的描写不够精确。

 这里可以进一步对该式作以修正，并提出了下面 两个公式：  R(t)=exp[a+b/T+c/ ] (5.13a ） R(t)=exp[(1+C/T)B/T] (5.13b)  式中： a 、 b 、 c 和 C 为材料常数，由热敏电阻的材 料的性质决定。

数学模型  从本质上说，各种热敏电阻器上的 R － T 特性满足指 数关系，因而可以用下面的表达式描述这一性质：  式中： di 和 C 为不同常数。为温度 T 的函数，式 R － T 关系的主要体现者 。

 如果在关系式（ 5.14 ）中分别令 或 及  并适当的调整常数，就可以得到（ 5.11 ）式 和（ 5.13 ）式，因而（ 5.11 ）式和（ 5.13 ） 式可以看作是式（ 5.14 ）的一种特例。

 为了与原有的公式作比较，对所有的 i ，令 并令函数 (5.15) 将式（ 5.15 ）带入式 (5.14), 就可以得到具体的描述 R- T 特性的公式 (5.16a) (5.16b) 式中 : 表示 T 的 j 次幂。 式 (5.16) 与式 (5.14) 类似，不同之处在于它引入了多个 表示材料性质的常数 和 1/T 的高阶项。

精确度分析  在测温应用中，当用不同的描述 R-T 特征公式分 析实验数据时，人们最关心的是公式的精确度。由 公式（ 5.14a ）分析实验数据，得到的温度值的误差 可小于 ℃, 远远优于用公式（ 5.11 ）得到的值。 下面将结合参数 α 来分析由公式（ 5.16 ）得到的温度 值的误差。  α 为描述热敏电阻对温度的变化的灵敏度的特征 参数，其定义为 α ＝ (5.17 ）

 将式（ 5.11 ）、式 (5.13) 和式 (5.16) 分别带入式 (5.17) ，可以得到灵敏度的表达式为 α = － (5.18a) α = (5.18b) α = (5.19a) α = (5.19b) α = (5.20a)

 α = (5.20b)  由式 (5.18)~(5.20) 可以看出灵敏度直接与 1/T 的各次 项有关，实际上电阻值也可以用类似的形式表示出 来。由式（ 5.11 ）、（ 5.13 ）和 (5.16) 可以得出 lnR=lnA+B/T (5.21a) lnR=lnA+ClnT+B/T (5.21b) lnR=a+b/T+c/ (5.22a) lnR= B/T+BC/ (5.22b)

 lnR= (5.23a)  lnR= (5.23b)  其中：常数 ＝ ln （ nd ）＋

 由式（ 5.18 ）和（ 5.21 ）可以看出由传统的描述 R-T 的特性 公式得到的灵敏度和 lnR 只与 1/T 的一次或二次项成正比，而 式（ 5.19a ）给出的不仅与这两项有关，而且与 1/T 的三次项 成正比。这一项对精度和 R/T 关系来说，起到一个补偿和微 调的作用，使得有公式（ 5.13 ）计算得到的温度的误差远远 小于前者。式（ 5.22 ）和 (5.23) 中的三次或四次项及其它高 阶项，同样会起到一个细微调和微补偿的作用，这样由式 （ 5.16 ）得到的温度值的误差会远远小于基于原有公式的误 差值。  如果将与电阻值 R 对应的温度表示为 T （ R ），经过 微小的变化 ΔR 后项对应的温度表示为 T （ R ＋ ΔR ）， 则由公式计算得到的温度值误差（精确度）可用下 式来表征： T （ R ＋ Δ R ） ≈ Δ R (5.24) 式中：表示温度对电阻的一阶导数。

 通过前面的分析及式（ 5.18 ）～（ 5.23 ）可以看出， S 实际上式由描述热敏电阻的 R －式的精确度决定的。 如果引入 1/T 的二次项，将会式得公式（ 5.13 ）对 R － T 特性描述更为精确，相应得由它计算得到得温 度值精确度得到了极大的提高。在公式（ 5.16 ）中， 如果把取道 1/T 的 n 次项相对应的精确度表示为 ， 则式（ 5.24 ）可表示为  (5.25)  上式中的 可以称为 i 阶测量精度，它与公式 （ 5.16 ）中所保留的 i 阶数项相对应，这样通过在改 式中适当截取到一定阶数项，就能得到相应的精确 度。

 通过对 R － T 特性这种数学模型分析可以看出：  选取一定数目的实验数据点，通过简单的解 析计算，不但可以得到具有很高精确度的温 度值，而且其精确度是可以控制的；  在公式中引入多个直接与材料特性有关的常 数，对不同的材料热敏电阻来说，它们也不 相同，因而可以把它们看作是描述热敏电阻 材料特性的参数，从而是热敏电阻材料性质 的表征更加细致化。

 市场预测：此温度计体积小，便于携带，可以作为非常时期的手持式温 度计，可以为医护人员快速获取体温资料提供很大方便。同时，由于其 响应时间较短，通常在几秒中内即可测得温度，可以为医疗作业提高一 定的效率。而放弃采用玻璃管水银温度计则大大提高了安全系数。本设 计中的测温仪器准确的说只是一个测温内核，因此，如果加上其他辅助 设备，可以应用于很多方面。例如，在信号输出端接上电磁继电器，通 过电流信号控制电磁继电器的通断，从而显示为一光源的亮与不亮，直 观的显示温度的合格与否；如果接上一指针式显示器，则能够将测试结 果较准确的一数值形式记录，可以帮助进行简单的病情情况判断；如果 需要更加精确的温度显示，可以在输出端连接集成电路，把信号转化为 数字在液晶屏上显示，这样准确的温度更加有助于医师对病情的把握。 可以说，本内核配备上不同的附件可以实现用户的低，中，高的各层次 的要求，如果设计一个插口，能够简单的通过插拔装置，来完成各层次 测试，那么会有很大的市场空间。并且，可以将各种附件配成一套，以 套装形式出售，增大销售量。在报告开始，曾经提到过，本设计的适用 于多个领域。其一就是现在的婴儿用品。如今人们的生活水平提高了， 对于健康的要求也变高了；而计划生育政策的实施，使得家长对于孩子 得关心与日俱增，婴儿的健康更是成为重中之重。使用本测试仪器对婴 儿的食品温度，环境温度，接触的水环境温度都能有很好的监控。对于 这一较为新兴的产业，可以适当的提高产品价格，以获取更大的盈利空 间。

 参考文献： 《传感器与检测技术》（西安电子科技大学出版社 彭军 编著） 《传感器技术》 （东南大学出版社 贾伯年 俞朴 编著） 《动力机械测试技术》（上海交通大学出版社 罗次 申 主编）  参考网址：