1、大学课 程 设 计 说 明 书课程名称 生物医学传感器 题 目 早产儿恒温箱温度控制电路的设计 学 院 班 级 学生姓名 指导教师 日 期 - 0 -课程设计任务书（指导教师填写）课程设计名称 生物医学传感器 学生姓名 专业班级 设计题目 早产儿恒温箱温度控制电路的设计 一、 课程设计目的1、掌握生物医学传感器的工作原理；2、掌握生物医学传感器电路的设计方法；3、了解生物医学传感器的应用。二、 设计内容、技术条件和要求设计内容：用热电阻或热敏电阻测量早产儿恒温箱内温度，与设定的恒温值（可调）进行比较后，控制加热器动作，使箱内的温度保持恒定。若出现温度异常，声光报警。设计要求：1、了解所选用的热
2、电阻或热敏电阻的性能参数；2、电脑仿真软件设计并绘出电路图；3、系统仿真、调试；4、整理设计资料，提交设计报告。三、 时间进度安排1查阅并整理相关资料（3 天）；2设计电路、仿真、调试（8 天）；3撰写课程设计报告（3 天）；4答辩（1 天）。四、 主要参考文献医用传感器（第二版） 陈安宇 科学出版社现代生物医学传感技术 王平 叶学松 浙江大学出版社传感器及其应用实例 何希才 薛永毅 机械工业出版社传感器原理及应用 王雪文 北京航天航空大学出版社模拟电子技术基础 童诗白 高等教育出版社数字电子技术基础 阎石 高等教育出版社指导教师签字： 2016 年 9 月 3 日- 1 -摘要 .- 3 -
3、1 引言 .- 4 -任务与分析 .- 4 -2 传感器的定义和组成 .- 4 -2.2 医学传感器的用途 .- 5 -2.3 医用传感器的特性和要求 .- 5 -2.4 医用传感器的发展 .- 6 -2.5 热电阻式传感器 .- 6 -2.6 金属热电阻 .- 7 -2.7 半导体热敏电阻 .- 7 -2.8 PTC 热敏电阻组织结构和功能原理 .- 8 -2.9 基本特性 .- 9 -2.10 热电偶式传感器 .- 9 -2.11 晶体管与集成温度传感器 .- 10 -2.12 其他类型的温度传感器 .- 10 -2.13 热电式传感器的医学应用 .- 11 -3 方案设计 .- 13 -
4、3.1 Multisim 软件环境介绍 .- 13 -3.2 电路流程示意图 .- 14 -3.3 电源电路的设计 .- 15 -3.4 测温电路设计 .- 15 -3.5 电压比较电路 .- 16 -3.6 报警电路 .- 17 -3.7 升温电路 .- 18 -3.8 降温电路 .- 19 -4 结论 .- 20 -5 主要参考文献 .- 21 - 2 -摘要温度是表征物体冷热程度的物理量，它与人类生活关系最为密切，是工业控制过程中的四大物理量（温度，压力，流量和位置）之一，也是人类研究最早、检测方法最多的物理量之一。它对产品的设计、产品的质量、生产效率、节约能源、生产安全、人体健康起着非
5、常重要的作用。热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的变化转化为电量的变化。由于温度测量与控制应用范围十分广泛，热电式传感器的数量在各种传感器中占据首位，根据统计，热电式传感器数量约占各种传感器使用数量的一半左右。近年来各个行业行为规范就越来越高，众多机械类、医药类、化工类、建筑类等工业和企业都离不开恒温箱的使用。婴儿恒温箱的智能控制系统采用半导体温度传感器满足温度测量要求，温度传感器将采集的温度信号转换成电流信号，然后再由转换电路将电流信号转换为电压信号。该系统具有实时温度显示和温度设定功能，还具有温度上、下限报警和自动控制功能。当温度高于或低于设定值一定程度时
6、，发出生光报警，消除由于单片机系统意外失控所造成的危险，提高了恒温箱工作的可靠性和使用安全性。 关键词： 医用传感器 恒温箱- 3 -1 引言任务与分析任务：用热电阻或热敏电阻测量早产儿恒温箱内温度，与设定的恒温值（可调）进行比较后，控制加热器动作，使箱内的温度保持恒定。若出现温度异常，声光报警。分析：本设计是对恒温系统进行的温度控制。从系统内温度的检测、变换到信号的转换和传送这一系列的过程都牵扯到很多的知识，在设计过程中我们也遇到很多困难，比如说温度测量器件的选用，如何稳压等，都经过了考虑才选择了这个方案。也遇到了不少问题，经过讨论我都基本上解决了。2 传感器的定义和组成我国国家标准“传感器
7、通用术语”中，传感器的定义式：能感受或响应规定的被测量并按照一定规律转换成可以用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接相应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件所组成。由于电学量（如电压，电流等）容易进行后续处理，一般情况下传感器是将非电量转换成电学量，传感器典型结构如图 2-1 所示。非电量 电学量图 2-1 传感器的典型结构医用传感器（medical sensors）是能够感知多数为非电量的生物信息并将其转换成电学量的器件或装置。敏感元件 转换元件- 4 -2.2 医学传感器的用途反映生命的信息绝大多数属于非电量，医用传感器是把非电量转换成电量的器件。其主要用途如下：1.提供信息
8、如心音、血压、脉搏、体温、血流等，作为重要的生理参数供临床诊断和基础研究。2.监护 长时间连续检测某些生理参数，见识其是否超过正常范围，以便随时掌握患者的状况，出现异常及时报警。3.生化检验 利用传感器的分子识别能力，检测各种体液、溶液中单成分和含量。4.自动控制 根据传感器提供的生理信息，调节执行机构做出反应，实现自动控制。例如：注射泵根据流量传感器的信息调节推进量，实现单位时间注射量的自动控制。5.参与治疗 医用电极经常即用于检测信号，又用于实施治疗。例如：按需形体内起搏器的电极即作为自主心电的检测电极，有作为无自主心电时起搏器发放脉冲的刺激电极，此时所起的就是治疗作用。2.3 医用传感器
9、的特性和要求医用传感器主要是用来检测人体生物信号的，针对生物信号特点应具备特殊的性能,才能够满足医用的要求。生物体是一个有机的整体，各个系统和器官都有各自的功能和特点，但有彼此依赖，相互制约。从体外或体内检测到的信号，既表现了被测系统和器官的特征，又含有其他系统和器官的影响，往往是多物理量、化学量和生物量的综合。医用传感器的任务是从这些综合信息中提取欲测的信息，把信息转换成电学量。因此，医用传感器应具有以下特性：（1）足够高的灵敏度，能够检测出微弱的生物信号。（2）尽可能高的信噪比，以便在干扰和噪声背景中提取有用的信息。（3）良好的精准性，以保证检测出的信息准确可靠。（4）足够快的响应速度，能
10、够跟随生物体信息量的变化。（5）良好的稳定性，保持长时间检测漂移很小，输出稳定。（6）较好的互换性，调试，维修方便。另外，医用传感器主要用于人体，与一般传感器相比，还必须提出以下特殊要求：- 5 -（1）与人体接触、特别是植入体内的传感器材料必须是无毒的，并且与生物体组织具有良好的相容性，长期接触不会引起排异、炎症等不良反应。（2）传感器在进行检测时，不能影响或者尽可能少影响正常的生理活动，否则检测的信息将是不准确的。（3）传感器应具具有良好的电器安全性，特别是与体内接触的传感器应按照防止微电击的电气安全标准具有良好的绝缘性能。（4）传感器在结构上的性能要便于清洁和消毒，防止有害物质交叉感染。
11、2.4 医用传感器的发展随着信息时代的到来，传感器技术已成为信息社会的重要技术基础。现代计算机技术和通信技术不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，而且希望体积小、重量轻、成本低、使用方便。很多国家投入巨资进行传感器尖端技术的研究，有力地推动了传感器的发展。近年来，针对临床医学的特点和临床应用的需求，一用传感器技术也发生了根本性的变革，已经彻底改变了传统医用传感器体积大、性能差的状况，形成了全新的现代的新兴医用传感器技术，并向着崭新的方向快速发展。现代传感器技术的发展方向概括起来主要有：智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测五个方面。2.5 热电阻式传感器几乎所有物质
12、的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象成为热电阻效应。利用这一原理制成的温度敏感元件成为热敏电阻（thermistor），一般采用导体和半导体材料。利用电阻对温度的依赖关系，就可以将被测非电量转换为电量，用来检测表征电阻周围介质性质的各种非电量。在一定的温度范围内，大多数金属的金属率几乎与温度成正比。电阻与温度的关系为R=R1+(T-T)式中，R为元件在温度 T时的电阻；R 为元件在温度是的电阻；为 T时的电阻温度系数，单位一般用C 表示。- 6 -温度系数表征电阻的阻值随温度而变化的程度。金属的温度系数为正，即阻值随温度的升高而增加。单晶 半导体的也是正的，但随参杂的增加而减小。而陶瓷
13、半导体（热敏电阻）的为负，且非线性较大。2.6 金属热电阻铂热电阻传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化来测量温度的一种温度敏感元件,它的特点是准确度高,灵敏度高,测量范围大,无需参考点。金属热电阻传感器的感温元件是由纯金属制成。当温度变化时,感温元件的电阻值随温度而变化,这样就可将变化的电阻值作为电信号输入测量仪表,通过测量电路的转换,即可得到被测温度。1、工作原理实验表明,许多纯金属的电阻率在很宽的温度范围内可以用布洛赫-格林爱森公式描述,即:(T)=MAHT5D60H D(e x?x15)d(1x?ex)(1)式中,A金属的特性常数;M 金属的原子量;HD金属的德拜温度 ;
14、T热力学温度,单位 K。当T0.5HD 时,(1) 式可简化为:(T)A4?MTHD2(2)由(2) 式可见,在德拜温度附近的“高温”下,金属的电阻率与温度成正比。制作热电阻的理想材料有铂、铜、镍等。金属热电阻根据感温元件的材料及适用温度范围一般可分为铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻和低温用热电阻等。2、铂热电阻传感器铂热电阻由以金属铂作为感温元件。它的特点是:线性度好、测量准确、互换性好、抗振动冲击的性能好。2.7 半导体热敏电阻半导体热敏电阻是利用半导体材料的热敏特性工作的半导体电阻。它是用对温度变化极为敏感的半导体材料制作成的，其电阻值随温度变化而发生极为明显的变化。按电阻温度系数不同，热敏
15、电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两种。在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧增大，负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧减小。在工作温度范围内，阻值随着温度地升高而增加地热敏电阻器称为正温度系数热敏电阻，简称 PTC 元件。PTC 元件主体的主要材料是钛酸钡，掺入能改变居里点温度的物质和极微量的导电杂质，经研磨、压型、高温烧结而成的复合钛酸盐的 N 型半导瓷。PTC 元件在达到一个特定的温度前，电阻值随温度变化缓慢，当超过这个温度时，- 7 -阻值剧增，发生阻值剧增变化的这点温度称居里点温度，是 PTC 元件的主要技术指标之一。在 PTC 元件的主体材料钛酸
16、钡中掺入锶，可使居里点的温度在 120 以下，如果掺入铅，可使居里点温度在 120以上，如果不掺入任何东西，居里点温度保持在120；同时掺入锶和钡，得到补偿型 PTC 元件。PTC 元件应用较广，可用于温度补偿、电动机过流保护、自动温度调节和控制，恒温发生器。其主要特点如下：1、灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大 10100 倍以上，能检测出 10-6的温度变化； 2、工作温度范围宽，常温器件适用于- 55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到 2000），低温器件适用于-27355； 3、体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度； 4、使用方便，电阻值
17、可在 0.1100k 间任意选择； 5、易加工成复杂的形状，可大批量生产； 6、稳定性好、过载能力强2.8 PTC 热敏电阻组织结构和功能原理陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体，而陶瓷 PTC 热敏电阻是以钛酸钡为基，掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的，具有较低的电阻及半导特性。通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来达到的： 在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一部分被较高价的离子所替代，因而得到了一定数量产生导电性的自由电子。对于 PTC热敏电阻效应，也就是电阻值阶跃增高的原因，在于材料组织是由许多小的微晶构成的，在晶粒的界面上， 即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒，阻碍电子越界进入到相邻
18、区域中去，因此而产生高的电阻，这种效应在温度低时被抵消： 在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地流动。 而这种效应在高温时，介电常数和极化强度大幅度地降低，导致势垒及电阻大幅度地增高 ，呈现出强烈的 PTC 效应。- 8 -2.9 基本特性电阻温度特性：表示 PTC 电阻（取对数）与温度的关系，有两种类型：缓慢型（补偿型或 A 型）：PTC 元件具有一般的线性阻温特性，其温度系数在（38）/，可广泛的应用于温度补偿、温度测量、温度控制、晶体管过流保护。开关型（B 型）：又称临界 PTC 元件,在温度达到居里点后，其阻值急剧上升，温度系数可达（1560）/
19、以上，可用于晶体管电路以及电动机、线圈的过流保护。电动机及变压器的电流控制。各种电路设备的温度控制和控制、温度报警及恒温发热体等。电流时间特性：表示 PTC 元件的自热和外部热耗散达到平衡之前的电流与时间的关系。在 PTC 元件施加某一电压的瞬间，由于初值较小，电流迅速上升；随着时间的推移，因 PTC 元件的自热功能，进入正温电阻特性区域，阻值急剧增加，电流大幅下降，最后达到稳定状态、电流达到稳定状态的时间取决于 PTC 元件的热容量、热耗散系数和外加电压等。根据 PTC 的这种特性，可广泛的应用于电机启动、继电器接点保护、定时器、彩色电视机自动消磁等。2.10 热电偶式传感器热电偶是一种感温
20、元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在 0时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶
