熱敏電阻呼吸頻率傳感器參考資料

1、電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書熱敏電阻呼吸頻率傳感器 羀0引言荿0.1研究背景及意義莆社會(huì)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步、產(chǎn)品的更新、生活節(jié)奏的加快等等一系列的社會(huì)與物 質(zhì)的因素，使人們?cè)谙硎芪镔|(zhì)生活的同時(shí)，更加注重產(chǎn)品在方便、舒適、可靠、價(jià)值、安全和效率等方面的評(píng)價(jià)，也就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常提到的人性化設(shè)計(jì)問題 所謂人性化產(chǎn)品，就是包含人機(jī)工程的產(chǎn)品，只要是 人所使用的產(chǎn)品，都應(yīng)在人機(jī)工程 上加以考慮，產(chǎn)品的造型與人機(jī)工程無疑是結(jié)合在一起的。我們可以將它們描述為：以心 理為圓心，生理為半徑，用以建立人與物（產(chǎn)品）之間和諧關(guān)系的方式，最大限度地挖掘人 的潛能，綜合平衡地使用人的肌能，保護(hù)人體健康，從而提高生產(chǎn)率。若

2、將產(chǎn)品類別區(qū)分 為專業(yè)用品和一般用品的話，專業(yè)用品在人機(jī)工程上則會(huì)有更多的考慮，它比較偏重于生 理學(xué)的層面；而一般性產(chǎn)品則必須兼顧心理層面的問題，需要更多的符合美學(xué)及潮流的設(shè) 計(jì)，也就是應(yīng)以產(chǎn)品人性化的需求為主。蒅現(xiàn)代產(chǎn)品人機(jī)的關(guān)系需要綜合評(píng)價(jià)。即遵循安全性、可靠性、宜人性的原則。安全性 為人和產(chǎn)品的客觀因素、行為因素、生理因素、心理因素。可靠性為產(chǎn)品的使用功能、使 用壽命、環(huán)境條件。宜人性為產(chǎn)品的使用方便、人是否容易疲勞、產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否符合人的 生理特征、產(chǎn)品的形態(tài)、色彩、質(zhì)感、裝飾是否滿足人的心理要求、微氣候（溫度、濕度、 照明、噪聲、振動(dòng)等等）是否適合于人。肅 近些年，關(guān)于人的狀態(tài)研究23

3、456以及對(duì)人體特征的研究是多種多樣的。隨著 社會(huì)的發(fā)展，人們的素質(zhì)不斷的提高，人性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來越受到的重視。蒈呼吸是人類進(jìn)行正常生活的必須的一種行為，并且，呼吸的頻率一定程度上反映了許 多的生理信息。維持人體生命正常的各項(xiàng)生理指標(biāo)在一定范圍內(nèi)是能夠保持動(dòng)態(tài)平衡的， 集體通過各種反饋途徑，能夠自身穩(wěn)定各項(xiàng)重要功能處于正常狀態(tài)。螇呼吸頻率，作為生理參數(shù)的一種，是急性呼吸功能障礙的敏感指標(biāo)。不論是醫(yī)生還是 護(hù)理人員都把它作為生命指征之一。因此呼吸頻率傳感器就尤為重要，呼吸頻率傳感器能 夠?qū)崟r(shí)地反映呼吸狀況，記錄下呼吸單位時(shí)間內(nèi)的吸次數(shù)并且能夠顯示當(dāng)前的呼吸頻率， 這能夠幫助醫(yī)生和研究人員實(shí)時(shí)掌握

4、病人的情況，并及時(shí)地做出有效的治療以挽救病人的 生命。并且，現(xiàn)在隨著生產(chǎn)技術(shù)的需要，在生產(chǎn)的過程中對(duì)人的呼吸頻率及其他參數(shù)進(jìn)行 檢測(cè)顯的越來越重要了，比如，通過對(duì)呼吸頻率的研究，就可以對(duì)人的技能水平等進(jìn)行估 測(cè)。袃由于大規(guī)模集成電路等電子技術(shù)及信息處理功能的飛速發(fā)展，以微型計(jì)算機(jī)為中心的 微電子也以其磅礴之勢(shì)不斷向人類社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)散、滲透。極大程度地改變著人們的科 技、生產(chǎn)方式和生活、社會(huì)結(jié)構(gòu)。尤其是微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，科技界、產(chǎn)業(yè)界、防務(wù)與民 用領(lǐng)域中、各種各樣的電子設(shè)備都廣泛地用它作“電腦”，用以運(yùn)算、處理、裁決不同類型的問題。使其有關(guān)設(shè)備日漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、系統(tǒng)化和智能化。與此同時(shí)，要求能夠

5、迅速、 準(zhǔn)確、靈敏地將有關(guān)信息獲取并傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備或系統(tǒng)的器件一一電子傳感器、便顯得特 別重要并得到了很大發(fā)展。螂早期出現(xiàn)的傳感器，多是利用構(gòu)件的移動(dòng)、伸縮等幾何尺寸與位置的變化來測(cè)量物理 量，再轉(zhuǎn)變成電磁量。如利用毛發(fā)、腸衣的伸縮來感知濕度的變化，再進(jìn)一步用以移動(dòng)銜 鐵來必變電感器，從而獲得電磁信號(hào)；金屬膜伸縮來感知溫度的變化并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓?這類傳感器常稱之為結(jié)構(gòu)型傳感器。目前結(jié)構(gòu)型傳感器在工業(yè)自動(dòng)化、過程檢測(cè)與其它等 方面仍占有相當(dāng)大的比重。薈隨著半導(dǎo)體陶瓷及有機(jī)高分子功能材料的不斷開發(fā)，使傳感器技術(shù)別開面，這些功能 材料，在一定場(chǎng)合下可以直接感知某些等測(cè)的非電或電物理量或生物量，并將

6、之轉(zhuǎn)變?yōu)殡?信號(hào)。這些待測(cè)對(duì)象的被感知，并不是通過結(jié)構(gòu)的改變來實(shí)的，而只是敏感材料的改變故 常稱之為物性型傳感器。盡管物性型傳感材料發(fā)展較晚，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重 量輕，反應(yīng)靈敏，易于集成化、微型化等一系列優(yōu)點(diǎn) ，故引起傳感技術(shù)界與科技界的高度 重視。雖然目前還不夠完善，存在不少問題有待解決，但確有較大的發(fā)展勢(shì)頭，方興未艾, 前途不可限量。膈電子傳感器作為一種獨(dú)立器件，當(dāng)它和微電子技術(shù)與微處理技術(shù)結(jié)合后，出現(xiàn)了新的突破。現(xiàn)階段正朝著集成化，智能化的方向快發(fā)展。薅這不僅給敏感材料與敏感機(jī)理提出了高的要求，同時(shí)也對(duì)半導(dǎo)體工藝與大規(guī)模集成技 術(shù)提出了 更高的要求。傳感器技術(shù)變成了一門學(xué)科交叉

7、型和知識(shí)密集型的應(yīng)用技術(shù)。它 要求既要探索和了解傳感技術(shù)，又要研究和制作敏感材料；既要熟悉待測(cè)對(duì)象各種變化習(xí) 性，又要把所獲取信號(hào)放大、傳輸、儲(chǔ)存、反饋、處理、顯示等。薁在本文中，我們將溫度傳感器來測(cè)量呼吸的頻率。熱量及與之相關(guān)的溫度是與人類生活 關(guān)系最為密切的物理量，也是人類研究最早、檢測(cè)方法最多的物理量之一。自古以來，許 多測(cè)量應(yīng)變法已為人們所熟知。隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，溫檢測(cè)的重要性日益提高，溫度 傳感器的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、防災(zāi)、醫(yī)療、空間及海洋開發(fā)、 家用電器等各個(gè)領(lǐng)域中都離不開溫度傳感器。蚈0.2目前國(guó)內(nèi)外的研究情況芅近年來，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的顯著進(jìn)步，對(duì)

8、溫度傳感器的要求越來越高。高精度、 高穩(wěn)定性的產(chǎn)品需求量不斷擴(kuò)大，因此，高性能的溫度傳感器的開發(fā)及應(yīng)用，更加引起人 們的重視。溫度傳感器按使用的方式可分成二大類：測(cè)溫時(shí)使傳感器與被測(cè)物體直接接觸 的稱為接觸型溫度傳感器；傳感器與被測(cè)物體不接，而是利用被測(cè)物發(fā)出的熱輻射來測(cè)量 的稱為非接觸型溫度傳感器。肅并且，傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)以及微機(jī)技術(shù)的發(fā)展加速了監(jiān)護(hù)儀器的更新?lián)Q代的 步伐。主要特征是：生理信號(hào)采集的擴(kuò)展，多功能測(cè)量插件；應(yīng)用微機(jī)改善了信號(hào)的分析 與處理的速度；儀器體積減小，重量減輕，耗電少，實(shí)現(xiàn)集成化。莀在國(guó)外醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀器用于對(duì)病人的加強(qiáng)護(hù)理已經(jīng)有20余年的歷史。監(jiān)護(hù)的內(nèi)容可分為危重病

9、監(jiān)護(hù)、手術(shù)監(jiān)護(hù)、胎兒監(jiān)護(hù)、呼吸監(jiān)護(hù)和脈搏血氧監(jiān)護(hù)等。這類儀器有丹麥的 DANICA公司出產(chǎn)的 DALDGUE20系列中心，床邊監(jiān)護(hù)儀。德國(guó)的西門子公司出產(chǎn)的 SIRECST73系列監(jiān)護(hù)儀等等。螈在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的呼吸頻率監(jiān)護(hù)儀器起步較晚，因此技術(shù)不夠成熟，產(chǎn)品不多，比較典型的有:蚆(1)遼寧省醫(yī)療器械研究所研制的 HJ-200型實(shí)用嬰兒呼吸監(jiān)護(hù)儀，該儀器由先進(jìn)的 數(shù)字電路技術(shù)和報(bào)警系統(tǒng)組成，并利用高靈敏度的電壓傳感器和嬰兒腹式呼吸的特點(diǎn)，精 確監(jiān)視嬰兒的呼吸頻率異?；蚝粑鼤和Ｐ畔?，并可長(zhǎng)期使用不必更換傳感器。螄(2)上海福勒儀器有限公司研制的 FL-508B多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，該儀器使用模塊化設(shè)計(jì)生 產(chǎn)，

10、性能穩(wěn)定，自動(dòng)聲光報(bào)警，使用靈活方便，易學(xué)易用，并且除能夠測(cè)量呼吸頻率外還 可測(cè)量血壓、體溫、血氧飽和度等。莃0.3總體方案論證袈熱敏電阻是一種阻值隨溫度變化而變化的電子器件。通過恒流源供電，由于U=IR,因此在一定時(shí)間內(nèi)電阻阻值的變化次數(shù)和電壓大小的變化次數(shù)相同，而電阻R阻值的變化是由外界溫度的變化所引起的，而電阻外界小范圍的溫度變化是由人體所呼出氣體和外界空 氣的溫度差異所引起的，所以一次電壓變化就是一次電阻阻值變化同時(shí)也是一次溫度變 化，也就是人呼吸一次，因此只需記錄電壓的變化次數(shù)就可得到呼吸次數(shù)，然后除以時(shí)間 就得到呼吸頻率。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大得到我們所要的電壓波形，再通過AD轉(zhuǎn)換

11、將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，最后在LCD顯示器上顯示。肇0.4可行性分析節(jié)一個(gè)人在平靜的時(shí)候每分鐘的呼吸次數(shù)大約為15 45次，也就是呼吸頻率為0.25 0.75Hz,而外界干擾信號(hào)的頻率的數(shù)量級(jí)一般都在1KHz以上，而人體的呼吸頻率最大不會(huì)超我們所測(cè)頻率的信號(hào)，然后過10Hz=所以我們只需要通過有源濾波器把頻率在10Hz以上的信號(hào)濾掉就能得到在通過放大器放大、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、最后在LED顯示器上顯示。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：測(cè)試簡(jiǎn)單易行，便于重復(fù)使用，而且不受病人身體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾 的影響，特別適用于監(jiān)護(hù)處于轉(zhuǎn)移和運(yùn)輸途中的病員和呼吸頻率，而阻抗法特別易受軀體 運(yùn)動(dòng)

12、等干擾影響。并且，除了在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用外，對(duì)實(shí)際工作中的人，我們也可以用同樣 的方法來對(duì)他們進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)各種目的。羈 蕆 羄 袀 羈 袈 莂 羃 肇 肅 肄 螞 腿 蒆 祎 蒁 芇 袇 芄 芀 莇 羋 羆芃 蕆 蒞 蒃 肂 薇 螅 膅 袀 袁 膆 蚃 袃 羈 薇 蒞 螞 肁 羈 螃莁1溫度的一些基本知識(shí)膀測(cè)量(或稱度量)是人們認(rèn)識(shí)自然界的一種科學(xué)方法。 通過各種測(cè)量，人們能夠從數(shù)量 上來描述周圍的世界，揭示自然界的規(guī)律，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的不斷前進(jìn)。膅溫度是一個(gè)重要的基本物理量，溫度單位是國(guó)際單位制中七大基本單位之一。 在國(guó)民 經(jīng)濟(jì)的個(gè)部門，如電力、化工、機(jī)械、冶金、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)等部門中及人們

13、的日常生 活中，溫度檢測(cè)是十分必要的，尤其在國(guó)防和現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，溫度的精確測(cè)量更是 不可缺少的。溫度量測(cè)量的精度和方法將直接影響生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量和人們?nèi)粘Ｉ畹馁|(zhì) 量。就熱電阻而言，它測(cè)量精度高，線性好，測(cè)量溫度范圍大，是一種理想的溫度傳感器。 可是，溫度傳感器的標(biāo)定是一件既復(fù)雜又繁瑣的事情。薅1. 1溫度和溫標(biāo)膀 早在1592年，意大利物理學(xué)家伽利略(Galileo Galilei)就利用一根玻璃管和一個(gè)玻璃球制成一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度計(jì)來粗略地觀察溫度的變化。之后，物理學(xué)家胡克(RobertHooke)、惠更斯(ChristianHungens)和牛頓(IsaacNewton)先后建立了自己

14、的溫標(biāo)。1714年華倫海脫(Daniel Fahrenheit)第一次制造出性能可靠的水銀溫度計(jì)，并建立了華氏溫標(biāo)。隨后相繼建立了攝氏、列氏、蘭金和絕對(duì)溫標(biāo)。芀一般地說，表示某個(gè)物體冷熱程度的物理量稱為溫度。從宏觀上看，溫度的概念是建 立在熱平衡基礎(chǔ)之上的，它表征一個(gè)物體或系統(tǒng)是否處于熱平衡狀態(tài)的宏觀性質(zhì)。從微觀 上看，溫度反映了物體或系統(tǒng)分子熱運(yùn)動(dòng)的激烈程度或平均動(dòng)能的大小。薆溫標(biāo)是溫度數(shù)值化的標(biāo)尺，它給出了溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，并明確了溫度 的測(cè)量單位。目前流行的溫標(biāo)有熱力學(xué)溫標(biāo)，其單位為開文，符號(hào)為K攝氏溫標(biāo)，其單位為C、華氏溫標(biāo)，其單位為F以及列氏溫標(biāo)，其單位為R其后三者的關(guān)系為

15、：羃 1C =5(F_32) =5.R94膃目前我們使用的溫標(biāo)是IPTS 68。其定義為：I、熱力學(xué)溫度是基本溫度，其符號(hào)是T,單位是開爾文，符號(hào)是 K。開爾文定義為三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。水三相點(diǎn)是指化學(xué)純的水在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三相平衡時(shí)的溫度，熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定其為273.16K o由于歷史原因，IPTS68中也使用攝氏溫度，符號(hào)為 t，其定義為：t=T- To，式中 T0=273.15 K,故攝氏溫度是以比三相點(diǎn)低 0.01K的冰融點(diǎn)T0作為參考起點(diǎn)的。溫度的差 值可用開爾文也可用攝氏度表示。一般冰點(diǎn)以上用攝氏度表示，冰點(diǎn)以下用開爾文表示。 IPTS 68同時(shí)使用國(guó)際實(shí)用開爾文溫

16、度（T68）和國(guó)際實(shí)用攝氏溫度（t68），它們的差別僅在 于計(jì)算溫度的起點(diǎn)不同，它們的關(guān)系是：t68 =T68 273.15 K，式中t68和T68的單位是C 和K，為方便起見，t68和T68常簡(jiǎn)寫為t和T.芀1.2溫度的測(cè)量方法羇溫度檢測(cè)的目的是要準(zhǔn)確地獲取反映物體或系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)的特征參量一溫度的定 量信息。根據(jù)熱平衡觀點(diǎn)，為了檢測(cè)某個(gè)系統(tǒng)或物體的溫度，必須使溫度檢測(cè)儀表的傳感 器作為一個(gè)系統(tǒng)與被側(cè)的某個(gè)系統(tǒng)或物體的溫度直接或間接地達(dá)到熱平衡，使得傳感器的 溫度與被測(cè)物溫度一致，然后根據(jù)溫度檢測(cè)儀表的輸出信號(hào)確定被測(cè)物的溫度的大小。蚅目前用來測(cè)量溫度的傳感器有很多，如熱膨脹式溫度傳感器（水

17、銀溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)等）和熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體傳感器等熱電式溫度傳感器。熱電式溫度傳感器是一種 將溫度變化轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，它利用傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化的特性來達(dá)到 測(cè)量的目的。羂該裝置對(duì)于被標(biāo)定的傳感器也只限于熱電阻傳感器 （包括鉑電阻傳感器、銅電阻傳感 器等）和半導(dǎo)體熱敏電阻，因?yàn)闊犭娮鑲鞲衅魇潜容^常用的熱傳感器。對(duì)于其它類型的熱 傳感器（如熱電偶、集成傳感器等）則不適用。莀該裝置可以方便地標(biāo)定一個(gè)未標(biāo)定的熱電阻式溫度傳感器，如果增加一些附加裝置也可以標(biāo)定其它類型傳感器，對(duì)于熱電阻式傳感器標(biāo)定精度能達(dá)到0.5 %以上。由于熱源的問題對(duì)于本裝置標(biāo)定溫度范圍在-20 C+120C之

18、間，這也是熱電阻的線形度較好的一 段。由于熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性測(cè)量溫度的。這就要求電阻溫 度系數(shù)要盡可能的大和穩(wěn)定，電阻率高，電阻與溫度之間關(guān)系最好成線性，并且在較寬的 范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)。鉑電阻的物理、化學(xué)性質(zhì)在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，因此它能用作工業(yè)測(cè)溫元件和溫度標(biāo)準(zhǔn)。所以本裝置的標(biāo)準(zhǔn)傳感器采用鉑電阻傳感器 PTIOO ,理論上的測(cè)溫范圍可達(dá)到-200 C，精度達(dá) 0.1 % C時(shí)的電阻值為100 0C , R1OOR =1.3910也就是說，該電阻在攝式 100C時(shí)的電阻值為 139.10 除此以外還有銅材料的熱電阻，但銅材料的熱電阻由于測(cè)量精度不太

19、高，測(cè)量范圍不大，一般不用作基準(zhǔn)。所以銅材料熱電阻作為標(biāo)準(zhǔn)不是我們的首選。在此范圍內(nèi)可以方便地改變和設(shè)定溫度值。傳感器按國(guó)際溫標(biāo)IPTS 68規(guī)定選用鉑電阻溫度傳感器作為基準(zhǔn)器傳感器按照不同的方法有不同的分類，如表1.1所示薀表1.1溫度傳感器的分類裊測(cè)溫方 法節(jié)測(cè)溫原理薂溫度傳感器名稱蝕芆體積變 化肄固體膨脹式芁雙金屬溫度計(jì)螀接觸式蚇蒂液體膨脹式肀水銀、酒精、壓力溫度計(jì)等衿膄氣體膨脹式肅壓力式（充氣）溫度計(jì)、氣體溫度計(jì)等電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書腿 腿 #衿膅羆金屬熱電阻袂鉑、銅、鎳、銠、鐵熱電阻等罿薆電阻變 化莄半導(dǎo)體熱敏電 阻蟻鍺 碳金屬氧化物等半導(dǎo)體熱敏由陽蟻鍺、

20、碳金屬氧化物等十導(dǎo)體熱敏電阻聿羇電壓變化肆PN結(jié)電壓蒀PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)腿莈薃賤金屬熱電偶蒂銅-康銅，鎳鉻-鎳硅熱電阻等艿薄熱電勢(shì) 變化芅貴金屬熱電偶芁鉑銠10-鉑，鉑銠3卜鉑銠6熱電偶：荿羅蚃難熔金屬熱電 偶羀鎢一錸，鎢一鉬熱電偶等荿蒅非金屬熱電偶肅碳化物一硼化物熱電偶等蒈螇頻率變化袃石英晶體螂石央晶體溫度計(jì)薈膈光學(xué)性 質(zhì)變化薅光纖及液晶薁光纖溫度傳感器，液晶測(cè)溫膜等芅其它肅其它莀測(cè)溫錐，聲學(xué)溫度計(jì)等螈蚆熱輻射 能螄亮度法莃目視亮度溫度計(jì)，光電亮度溫度計(jì)等袈非接觸 式肇化節(jié)全輻射法賺輻射感溫器或溫度計(jì)羈蕆羄比色法袀比色高溫計(jì)羈袈莂部分輻射法羃部分輻射溫度計(jì)，光譜溫度計(jì)等肄其它螞紅外溫度計(jì)電子工

21、程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書熱敏電阻呼吸頻率傳感器 芃2熱敏電阻呼吸頻率傳感器的設(shè)計(jì)蕆2.1熱敏電阻的選取1011蒞熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組 成，利用的原理是溫度引起電阻變化。 若電子和空穴的濃度分別為n,p,遷移率分別為卩n, 卩p,則半導(dǎo)體的電導(dǎo)為：蒃（T =q（n 卩 n+p 卩 p）T（V）薇圖2.1幾種熱敏電阻阻溫曲肂因?yàn)閚、p、卩n、卩p都是依賴溫度T的函數(shù)，所以電導(dǎo) 是溫度的函數(shù)，因此可以有測(cè)量電導(dǎo)而推算出溫度的高 低，并能做出電阻-溫度特性曲線。這就是半導(dǎo)體熱敏電 阻的工作原理。熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（PTC和負(fù)溫 度系數(shù)（NTC熱敏電阻

22、，以及臨界溫度熱敏電阻（CTR , 他們的電阻-溫度特性如圖2.1所示。熱敏電阻的主要特 點(diǎn)是：靈敏度高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100被以上，能檢測(cè)出10-6 C的溫度變化；工作溫度范圍寬， 常溫期間使用于-55 C315C，高溫期間適用溫度膏腴 315C （目前最高可以達(dá)到2000C）,低溫器件適用于-273 C55 C；體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無法測(cè)量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100KQ間任意選擇;易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過濾能力強(qiáng)螅 由于半導(dǎo)體熱敏電阻有獨(dú)特的性能，所以在應(yīng)用方面，它不僅可以作為測(cè)量元件（如 測(cè)量溫度、流量、液

23、位等），還可以作為控制元件（如熱敏開關(guān)、限流器）和電路補(bǔ)償元 件。熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業(yè)、通訊、軍事科學(xué)、宇航等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展前 景極其廣闊。膅2.1.1 PTC熱敏電阻袀PTC（ Positive Temperature Coefficient ）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有 正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料，可專門用作恒定溫度窗肝氣。該材料是以BaTiQ或SrTi或PbTiQ為主要成分的燒結(jié)體，其中摻入微量的 Nb Ta、Bi、Y、La等氧化物進(jìn)行原 子價(jià)控制而使之半導(dǎo)化，常將這種半導(dǎo)化的BaTiQ等材料簡(jiǎn)稱為半導(dǎo)（體）瓷；同時(shí)還添加增大其正電阻溫度系數(shù)的 Mn Fe、Cu

24、 Cr的氧化物和起其他作用的添加無采用一般陶 瓷工藝成形、高溫?zé)Y(jié)而使鈦酸鉑等及其固溶體半導(dǎo)化，從而得到正特性的熱敏電阻材料。 其溫度系數(shù)及居里點(diǎn)溫度隨組成成分及燒結(jié)條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化。袁 鈦酸鋇晶體屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，是一種鐵電材料，純鈦酸鋇是一種絕緣材料。在鈦酸 鋇材料中加入微量稀土元素，進(jìn)行適當(dāng)熱處理后，在居里溫度附近，電阻率陡增幾個(gè)數(shù)量 級(jí)，產(chǎn)生PTC效應(yīng)，此效應(yīng)與BaTiQ晶體的鐵電性及其在居里溫度附近材料的相變有關(guān)。 鈦酸鋇半導(dǎo)瓷是一種多晶材料，晶粒之間存在著晶粒間界面。該半導(dǎo)瓷當(dāng)達(dá)到某一熱頂溫 度或電壓，晶體粒界就發(fā)生變化，從而電阻急劇變化。膆鈦酸鋇半導(dǎo)瓷的PTC效應(yīng)

25、起因于粒界（晶粒間界）。對(duì)于導(dǎo)電電子來說，晶粒間界相 當(dāng)于一個(gè)。當(dāng)溫度低時(shí)，由于鈦酸鋇內(nèi)電場(chǎng)的作用，導(dǎo)致電子極容越過勢(shì)壘，貝皿阻枝較 小。當(dāng)溫度升高到居里點(diǎn)溫度（即臨界溫度）附近時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)受到破壞，它不能幫助導(dǎo)電 電子越過勢(shì)壘。這相當(dāng)于勢(shì)壘升高，電阻值突然增大，產(chǎn)生PTC效應(yīng)。鈦酸鋇半導(dǎo)瓷的PTC 效應(yīng)的物理模型有海望表面勢(shì)壘型、丹尼爾等人的鋇缺位模型和疊加壘型模型，它們分別 從不同方面對(duì)PTC作出了合理解釋。蚃實(shí)驗(yàn)表明，在工作溫度范圍內(nèi)，PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用公式表示:袃 rt = rt0 exp bp 仃-To）羈式中，Rr絕對(duì)溫度為T時(shí)的熱敏電阻的阻值；薇Rr0絕對(duì)溫度為

26、To時(shí)的熱敏電阻的阻值;蒞 B 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏指數(shù)螞PTC效應(yīng)起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質(zhì)，并隨雜質(zhì)種類、濃度、燒結(jié)條件等而產(chǎn)生顯著變化。最近，進(jìn)入實(shí)用化的熱敏電阻中有利用硅片的硅溫度，敏感元件，這是體 型且精度高的PTC熱敏電阻，由n型硅構(gòu)成，因其中的雜志昌產(chǎn)生的電子散射溫度上升而 增加，從而電阻增加。肁PTC熱敏電阻于1950年出現(xiàn)，隨后1954年出現(xiàn)了以鈦算鋇為主要材料的 PTC熱敏電 阻。PTC熱敏電阻在工業(yè)上可用作溫度的測(cè)量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測(cè)與調(diào) 節(jié)，還大量用于民用設(shè)備，如控制瞬間開水器的水溫、空調(diào)器與冷庫的溫度，利用本身加 熱作氣體分析和風(fēng)速機(jī)等

27、方面。羈2.1.2 NTC熱敏電阻螃NTC( Negative Temperature Coefficie nt)是指溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料。該材料是利用錳、銅、硅、鉆、鐵、鎳、鋅等兩種以上 的金屬氧化物進(jìn)行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷，可制成具有負(fù)溫度系 數(shù)(NTC的熱敏電阻。其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié) 喉狀態(tài)不同而變化?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫等作為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料。莁NTC熱敏電阻半導(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，具有負(fù)的溫度系數(shù)，膀膅電阻值近似表示為：1 1、薅 Rt

28、= Rt exp Bn ()TT0薆圖2.2熱敏電阻溫度膀式中Rt、Rt0分別為溫度T、T時(shí)的電阻值，3為材料常數(shù)。陶瓷晶粒本身由于溫度變化 而使電阻率發(fā)生變化，這是由于半導(dǎo)體的特性決定的。芀NTC熱敏電阻器的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的階段。1834 年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了硫化銀有負(fù)溫度系數(shù)的特 性。1930年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化亞銅-氧化銅也具有 負(fù)溫度系數(shù)的性能，并將之成功地運(yùn)用在航空一起 的溫度補(bǔ)償電路中，隨后，由于晶體管技術(shù)的不斷 發(fā)展，熱敏電阻器的研究取得重大進(jìn)展。1960年研 制出了 NTC熱敏電阻器。NTC熱敏電阻器廣泛用于測(cè)溫、控溫、溫度補(bǔ)償?shù)确矫?。下面?紹一個(gè)溫度測(cè)量的應(yīng)用實(shí)例，NTC熱敏

29、電阻測(cè)溫用原理如圖2.2所示羃它的測(cè)量范圍一般為-10 C+300C,也可做到-200 C+10C,甚至可用于+300C +1200C環(huán)境中做測(cè)溫用。Rr為NTC熱敏電阻器；R和R是點(diǎn)橋平衡電阻；R為起始電阻； R為滿度電阻，校驗(yàn)表頭，也稱校驗(yàn)電阻；R、Rs和W/分別為分壓電阻，為電橋提供穩(wěn)定的只流電源。民與表頭(微安表)串聯(lián)，起修正表頭刻度和限制流經(jīng)表頭的電流的作用。 民與表頭并聯(lián)，起保護(hù)作用。在不平衡電橋臂的接入一只熱敏元件Rr做溫度傳感器探頭，因而使電橋?qū)蔷€間的表頭指示也相應(yīng)變化。這就是熱敏電阻器溫度計(jì)的工作原理。膃 熱敏電阻器溫度計(jì)的精度可以達(dá)到 0.1 C，感溫時(shí)間可以至10秒以下

30、。它不僅適用于 糧倉測(cè)溫儀，同時(shí)也可以應(yīng)用于食品儲(chǔ)存、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)種田、海洋、深井、高空、 冰川等方面的溫度測(cè)量。芀2.1.3 CTF熱敏電阻羇臨界溫度熱敏電阻 CTR(Critcal Temperature Resistor )具有負(fù)電阻應(yīng)變特性，在 某一溫度下，電阻值隨溫度的增加激烈減小，具有很大的負(fù)溫度系數(shù)。構(gòu)成材料是釩、鋇、 鍶、磷等氧化物的混合燒結(jié)體，是半玻璃狀的半導(dǎo)體，也稱CTF為玻璃態(tài)熱敏電阻。聚變溫度隨添加鎢等氧化物而變。這是由于不同雜質(zhì)的摻入，是氧化釩的晶格間隔不同造成的。 若在適當(dāng)?shù)倪€原氣氛中無氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急變溫度變大；若進(jìn)一步還原為 三氧化二釩，則急變消

31、失。產(chǎn)生電阻急變的溫度對(duì)應(yīng)于半玻璃半導(dǎo)體物急變的位置，因此 產(chǎn)生半導(dǎo)體-金屬相移。CTR能夠作為控溫報(bào)警等應(yīng)用。蚅 熱敏電阻的理論研究和應(yīng)用開發(fā)已經(jīng)取得了引人注目的成果。隨著高、精、尖科技的 應(yīng)用，對(duì)熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理和應(yīng)用的更深層次的探索，以及對(duì)性能優(yōu)良的新材料的深入 研究，將會(huì)取得迅速發(fā)展。羂2.1.4熱敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)12電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書熱敏電阻呼吸頻率傳感器 電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書莀（1）標(biāo)稱電阻值 敏電阻上標(biāo)注的值，艮5 是熱敏電阻在環(huán)境溫度為（25_0.2 C）時(shí)的電阻值。通常是指熱 也稱為額定功率電阻值。如果環(huán)境溫度t不是（250.2 C），而在莈 R25 =Rt1

32、a25 (t - 25)（2527C）之間，貝U可以按下式換算成基準(zhǔn)溫度（25C）的阻值 忠。膂式中，R5標(biāo)稱電阻值;螁R溫度為t C時(shí)的電阻值;蒀a25被測(cè)熱敏電阻在25E時(shí)的電阻溫度系數(shù)蒄（2）零功率電阻值Rr在規(guī)定的溫度下，由于電阻體內(nèi)部發(fā)熱引起的電阻值變化相對(duì)于總的測(cè)量誤差而言，可以忽略不計(jì)時(shí)測(cè)得的熱敏電阻的阻值稱為零功率電阻值。襖（3）零功率電阻溫度系數(shù)aT在規(guī)定溫度（T通常為20C ）下，熱敏電阻的零功率電阻 值的相對(duì)變化率與引起該變化的相應(yīng)溫度之比，稱為零功率電阻溫度系數(shù)，單位為 /c, 用公式表示如下葿aT1 dRTB 2R dT T薀（4）熱敏指數(shù)B它是描述熱敏材料物理特性的

33、一個(gè)常數(shù)。B值越大，阻值也越大，靈敏度也越高。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并非是嚴(yán)格的常數(shù)，它隨溫度的升高略有增加。B值可用公式表示為裊 B = 2.303弓T2lg旦R2節(jié)式中，B熱敏指數(shù);薂Ri , R在溫度TiTi時(shí)的電阻值，單位歐姆蝕（5）耗散系數(shù)H指熱敏電阻在靜止空氣中，熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差 C 時(shí)所能耗散的功率被稱為耗散系數(shù)，也稱為耗散常數(shù)，單位為WC 。他是衡量一個(gè)熱敏電阻工作時(shí)，電阻體與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換的物理量。當(dāng)熱敏電阻處于熱平衡狀態(tài)時(shí)， 耗散系數(shù)H有如下關(guān)系：芆 H=X st肄式中，入熱傳導(dǎo)系數(shù)，他取決于介質(zhì)的溫度、性質(zhì)、狀態(tài)和密度等；芁s傳導(dǎo)面積；螀t傳導(dǎo)時(shí)間

34、；蚇耗散系數(shù)的大小與熱敏電阻的結(jié)構(gòu)、形狀以及所處的介質(zhì)的種類、狀態(tài)等因數(shù)有關(guān)。蒂（6）熱容量C熱敏電阻的溫度變化1C所需吸收或釋放的熱量，單位為 J/C；肀（7）能量靈敏度G 使熱敏電阻的阻值變化1%所需要的耗散的功率，單位為 W能量 靈敏度G與耗散系數(shù)H,電阻溫度系數(shù)a之間的關(guān)系為衿G= (H/ a )100膀(8)熱時(shí)間常數(shù)T它是指在零功率條件下，當(dāng)溫度突變時(shí)，熱敏電阻的溫度變化為其初始的和最終的溫度差的63.2%所需要的時(shí)間，即為熱容量 C與耗散系數(shù)H之比蒞 t =C/H芅(9)最高工作溫度Tmax,它是指數(shù)熱敏電阻在規(guī)定的技術(shù)條件下，長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許 的最高溫度。肁 TmaFTo+P

35、/H莆式中，To環(huán)境溫度，單位為K;肇PE環(huán)境溫度為To時(shí)的額定功率，單位為 W肅H耗散系數(shù)賺(10)額定功率PE它是指熱敏電阻在規(guī)定的技術(shù)條件下，長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的耗散功率，在此條件下熱敏電阻自身溫度不應(yīng)超過Tmaxo螇(11)測(cè)量功率Pc它是指數(shù)電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電阻體因測(cè)量電流加熱而引起的電阻變化不超過0.1%時(shí)所耗散的功率:蒅Pc1000aT賺2.1.5熱敏電阻的選定膈在本設(shè)計(jì)中我們選用深圳訊敏電子科技有限公司0402系列CN0402R221B2900HT亥電阻的尺寸外形如圖2.3所示單位 unit - (inch)型號(hào)LTD0402l.O+O. 15(0.040+0. 006

36、)0.50.15(0. 020+0. 006)0.50 15020+0. 006)a 25+0.10(U.aiO + 0.304)0603L.B0.2(D. OB30. 008)0.30,2(0.031 0.008)0 550 2 (D. 02B0 008)0.30.2041 土 0.00806052.0+0.20. OT90. 00B)l,20.2(0.047+0.003)0.550.2(0.035+0.008)0.50.3 020 0 012)120S3.2+0.2(0 126 0.0001.6+0.2(0. 0630. 008)1. l0.CO. 043+0.008)0.5 + 0. 3

37、 020 + 0. 312)薁圖2.3熱敏電阻的規(guī)格芀該電阻25r時(shí)的阻值 忠=220歐姆，B值在25r -50 C時(shí)的值為2900,其阻值誤差為一 3% B值誤差為士3%使用溫度范圍為-40+125E，額定功率為100mw該電阻有以下特點(diǎn)：高可靠的疊層片式陶瓷結(jié)構(gòu)體積小，無引線,適合高密度表面貼裝。端電極采用三層電 鍍具有優(yōu)良的可焊性及耐熱沖擊性，適合波峰焊及再流焊。分布容量低，可應(yīng)用于高頻 領(lǐng)域。響應(yīng)速度快。優(yōu)良的耗散系數(shù),0402系列約2mw C優(yōu)良的溫度系數(shù)，工作溫度 范圍：40C + 125EO蕿2.1.6熱敏電阻接接線方法及理論分析蚅在本設(shè)計(jì)中我們用的是直流單臂電橋接法，如圖2.4

38、所示，其中一個(gè)電阻為傳感器我們將此電橋叫單臂電橋，現(xiàn)假定 R不感受應(yīng)變時(shí)，可調(diào)整某一個(gè)固定電阻使其輸出為零（必然滿足RR=RF4）。在此基礎(chǔ)上，如果Ri在應(yīng)變作用下變?yōu)镽i+A Ri,貝U電橋的輸出為薄Uo(R| 二 RJ R3R2R4(Ri =Ri R2XR3 RJRi R3(Ri lRi R2XR3 R4)Uei+生遲iRi丿RiR3蚆經(jīng)過計(jì)算證明當(dāng)Ri=R，Rs=R時(shí)，電橋靈敏度最大，此時(shí),UoUeRi Ri2 r；莃上式表明單臂電橋輸出為非線形，非線形誤差為L(zhǎng)=_2Ri100%膂本文中R=R為熱敏電阻，取 Rb=R=150Q薀2.2恒流源電路的設(shè)計(jì)13蒈為了提高傳感器的精度我們對(duì)熱敏電

39、阻通以恒流電源I，使得熱敏電阻自身發(fā)熱，使其溫度最后保持在人體體溫37C左右。下邊計(jì)算恒流源I的大小，如圖2.4所示，為了提 高電橋的靈敏度，令Ri，R為熱敏電阻，F(xiàn)3，R4為普通電阻，現(xiàn)已知熱敏電阻在 25度時(shí)的 阻值恵=220Q,材料常數(shù)B=2900,可根據(jù)公式：1 i薇 R t Rq exp B ()膅計(jì)算出 電=150.45 Q ，取整得R37=150Q蝕假設(shè)在室內(nèi)空氣不流動(dòng)，則根據(jù)熱平衡原理，在穩(wěn)定的情況下熱敏電阻所產(chǎn)生的熱量 應(yīng)等于熱敏電阻往外界耗散的熱量，其平衡方程為：衿Q=Q肄式中，QJ熱敏電阻上電流所產(chǎn)生的熱量，Q= I 2R羄 Q r熱敏電阻往外界耗散的熱量，Q螀所以有艿

40、i2r =ha t測(cè).J HAT螆艮卩I = i R螞假設(shè)室溫為25C，又由于CN0402R221B2900H熱敏電阻的耗散系數(shù)為 H=2mw/ C,則經(jīng) 計(jì)算，本設(shè)計(jì)中的流經(jīng)熱敏電阻的電流I的大小應(yīng)為l=12.6mA。由于電橋?qū)ΨQ性，則恒流 源的電流大小應(yīng)為25.2mA螀 本設(shè)計(jì)利用LM317做恒流源電路13 , LM317是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)穩(wěn)壓器 集成電路。我國(guó)和世界各大集成電路生產(chǎn)廠商均有同類產(chǎn)品可供選用，是使用極為廣泛的 一類串聯(lián)集成穩(wěn)壓器。蒆LM317的輸出電壓范圍是1.2V至37V,負(fù)載電流最大為1.5A。它的使用非常簡(jiǎn)單，僅 需兩個(gè)外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性

41、調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓 器好。LM317內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。膄通常LM317不需要外接電容，除非輸入濾波電容到8-Pin SOIC蒁圖 2.5 LM317管腳圖LM317輸入端的連線超過6英寸（約15厘米）。使用輸出 電容能改變瞬態(tài)響應(yīng)。調(diào)整端使用濾波電路能得到比標(biāo)準(zhǔn) 三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。袀LM317能夠有許多特殊的用法。比如把調(diào)整端懸浮到一 個(gè)較高的電壓上，可以用來調(diào)節(jié)高達(dá)數(shù)百伏的電壓，只要 輸入輸出壓差不超過LM317的極限就行。當(dāng)然還要避免輸 出端短路。還可以把調(diào)整端接到一個(gè)可編程電壓上，實(shí)現(xiàn)可編程的電壓輸出。其管腳圖如圖 2.5所示:袇其電

42、路圖如圖2.6所示，其外圍元件少，易于制作，LM317工作時(shí)，輸出端（in ）與 調(diào)整端（ADJ之間有恒定的1.25V電壓，與系統(tǒng)地之間有50卩A的電流，因此，LM317是 浮動(dòng)工作的電路，即通過調(diào)整端對(duì)地之間的電阻夠成回路，輸出電壓等于調(diào)整端電壓加上 1.25V。設(shè)計(jì)時(shí)把負(fù)載電阻作為調(diào)整端的接地電阻，其輸出電流僅與輸出端到調(diào)整端之間 的電阻R1有關(guān)，而與負(fù)載電阻無關(guān)。輸入電壓的大小與恒流源輸出電流的穩(wěn)定性密切相關(guān)， 只要輸入的支流電壓Un足夠高，那么，負(fù)載阻抗就能在較大范圍內(nèi)變化， 且維持負(fù)載電流 恒定。若調(diào)節(jié)精度電阻R，周圍可連續(xù)改變輸出電流的大小。其輸出電流的計(jì)算公式為：祎 I out

43、= 1. R蒄由于本設(shè)計(jì)所要求的恒流源電流為Iin=25.2mA。則電阻R的大小應(yīng)為R“50Q251罿LM317nraitR19莄圖2.6恒流源電路芃聿2.3運(yùn)算放大器的選擇蠆由于熱敏電阻呼吸頻率傳感器采用直流電源(電池)供電，設(shè)計(jì)過程中所用元器件較 多，為了保持良好的線性性能及較低的失調(diào)誤差，運(yùn)放應(yīng)該具有一個(gè)較小的輸入偏置電流。此外，輸入噪聲電壓、輸入共模電容和差分電容也對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整體精度產(chǎn)生不利的 影響。為滿足此要求，此光電探測(cè)器中放大器采用AD704和AD705 AD704/AD705/AD706微微安級(jí)輸入電流的雙極型運(yùn)算放大器是美國(guó)AD公司(An alog Devices In

44、c)最近二年推出的優(yōu)秀產(chǎn)品之一。它具有低功耗、低漂移、高輸入阻抗、交流與直流特性優(yōu)異等一系列 優(yōu)點(diǎn)。肆AD704/AD705/AD706E種運(yùn)算放大器，它們的區(qū)別在于每一塊集成塊內(nèi)含有的運(yùn)算放 大器個(gè)數(shù)不同。AD705是在每個(gè)集成塊內(nèi)只封裝一個(gè)運(yùn)算放大器，AD706是在每個(gè)集成塊內(nèi)封裝了二個(gè)匹配的 AD705運(yùn)算放大器，而 AD704是在每個(gè)集成塊內(nèi)封裝了四個(gè)匹配的 AD705芯片，為四運(yùn)放器件。本文均以AD705性能為例進(jìn)行使用說明。AD704/AD705/AD706 的管腳排列圖如圖2.7所示：U114niH-Nih RVlrCMWinn l wai;対扯SOK卜 iCi憂KEfutd.c

45、ci ci4d.fiDll I Si怙.R斛小tl IMPN1薈2.3.1 AD704/AD705/AD706運(yùn)算放大器的基本特性羇AD704/AD705/AD706是低功耗、雙極型的運(yùn)算放大器，它具有雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （BiFET）的輸入級(jí)。因此，具有輸入阻抗高、輸入失調(diào)電壓低、輸入偏置電流小、輸入失 調(diào)電壓漂移小的特點(diǎn)。由于采用了超雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸入級(jí)，輸入偏置電流達(dá)到了微 微安級(jí)的水平，使它既具有BiFET與雙極型運(yùn)算放大器的許多優(yōu)點(diǎn)，又克服了全溫度范圍 內(nèi)偏置電流（l）B）漂移大的缺陷。在全溫度范圍內(nèi)，它的IB典型應(yīng)用僅增長(zhǎng)5倍，而一般 BiFET運(yùn)算放大器IB要增長(zhǎng)1000倍。

46、由于采用超 B雙極性技術(shù)，AD704/AD705/AD706勺 失調(diào)電壓達(dá)到微伏級(jí)，并且還具有精密雙極型運(yùn)算放大器的低噪聲特性。與op-07相比，輸入失調(diào)電壓僅為op-07的1/15。溫度漂移值為op-07的1/2。由于是BiFET輸入級(jí)，因AD704/AD705/AD706此，信號(hào)源阻抗可以比 op-07高得多，而它的直流精度卻保持不變, 的主要技術(shù)性能指標(biāo)列于表2.2螞表2.2 AD704/AD705/AD706 的主要技術(shù)性能指標(biāo)荿螀 艿 螆 螞 螀 蒆 膄 蒁 袀 袇 祎 蒄 罿 羋 莄 芃 聿 蠆 肆 肂 腿 肀電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說苗A廠匚74兌明書羈參數(shù)名稱莁（四運(yùn)放）葿 AD7U

47、5荿（單運(yùn)放）蒄（雙運(yùn)放）蕿輸入失調(diào)電壓薆 30（1 V薅 10 1 V膃 10 1 V蚈輸入偏置電流羇 80pA莇 30pA羂 30pA肂輸入失調(diào)電流莈 30pA螅 30pA羅 30pA肂頻率響應(yīng) 截止頻率蝿 0.8MHz蕆 0.8MHz螄 0.8MHz膂轉(zhuǎn)換速率膀 0.15V/ i s羅 0.15V/ i s薃 0.15V/ i s節(jié)輸入阻抗差動(dòng) 芇共模蚆 40MQ / 2pf芁 300 MQ / 2pf莂 40MD / 2pf蚇 300 MQ/ 2pf肄 40MQ / 2pf莄300 MQ / 2pf蒂共模抑制比CMRR肇132db祎132db肅132db薂共模輸入電壓范圍葿土 14V芄

48、土 14V袂土 14V薁輸出電壓擺幅薆土 14V羆 14V蟻土 14V蟻電源電壓 正常工作電壓 羇最低工作電壓蒄最咼工作電壓蚄土 15V螁土 2.0V莈土 18V膆土 15V蒃土 2.0V袁土 18V蝿土 15V蚄土 2.0V節(jié)土 18V羈25 C時(shí)最大失調(diào)電壓膀蒞 60 1 V （ K 級(jí)）芅肁最大失調(diào)電壓漂移莆肇 0.6 i V/ C（ K級(jí)）肅賺25 C時(shí)最大輸入偏流螇蒅 100pA （ K 級(jí)）螂賺0.伯z10Hz電壓噪聲膈芇 0.5 i M-p薁芀1/f轉(zhuǎn)折頻率蕿蚅4Hz薄莀10Hz處電壓噪聲蚆莇 17nV/Jhz莃蒀10Hz處電流噪聲肇裊 50fA/ JHz膂薀土 15V時(shí)的功耗蒈

49、薇 650mW膅蝕增益帶寬積衿肄 0.8MHz羄電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書熱敏電阻呼吸頻率傳感器 薄 肅 艿 腿 芆 襖 荿薈2.3.2 AD704/AD705的雙極性基準(zhǔn)電源輸入羇AD704/AD705的需要雙極性基準(zhǔn)電源輸入，本文使用了一片MAX774配合電源來產(chǎn)生土 5V的電壓。MAX774是MAXIM公司生產(chǎn)的+5V-5V的DC DC電平整流轉(zhuǎn)換器件，特性如下：螞*最小輸出功率5W荿*最大輸出電流可達(dá)100卩A羈*在5MA-1A負(fù)載電流范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 85%蒅*最大偏置電流僅為5 11 A莁*輸入電壓范圍316.5V葿*-5V或可調(diào)整輸出電壓荿*轉(zhuǎn)換頻率咼達(dá)300KHZ腿MAX774

50、勺內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.8所示MODECOMFMtMORMAXIMMAX774Wk775I.WWFfREHCITTRI3 QCIW?ENTCKJIRJLCROJfTSFRCW CUTCS刖0蕿圖2.8 MAX774的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖薆MAX774勺管腳排列圖及基本電路如圖2.9和圖2.10INPUTctuFB5HHREFINE-MAX774MAX775MAX776DIPSO莇圖2.9 MAX774管腳排列圖羇圖2.10 MAX774基本轉(zhuǎn)換電路莈 螅 羅 肂 蝿 蕆 螄 膂 膀 羅 薃 節(jié)芇2.4信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)14蚆信號(hào)放大電路是為了將微弱的傳感器信號(hào)， 放大到足以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理，或推動(dòng)指 示器、記

51、錄器以及各種控制機(jī)構(gòu)。由于傳感器輸出的信號(hào)形式和信號(hào)的大小各不相同，傳 感器所處的環(huán)境條件、噪聲對(duì)傳感器的影響也不一樣，因此所采用的信號(hào)放大電路的形式 和指標(biāo)也不同。在有個(gè)情況下還要求對(duì)增益能夠程控，對(duì)窗傳感器的非線形通過放大電路 線形化。此外，對(duì)于生物電信號(hào)的放大以及核電站等強(qiáng)噪聲的背景下的信號(hào)放大，考慮到 安全等原因，還需將傳感器有放大電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，才用隔離放大電路。芁 隨著集成技術(shù)的發(fā)展，集成運(yùn)算放大器的性能不斷完善，價(jià)格不斷降低，完全采用分 立元件的信號(hào)放大電路已基本被淘汰，主要是用集成運(yùn)算放大器組成的各種形式的放大電 路，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)制成具有某些性能的單片集成放大器。但是在功率放大

52、電路中，晶體管仍 有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。莂 在測(cè)量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號(hào)的放大電路稱 為測(cè)量放大電路，亦稱儀用放大電路蚇 測(cè)量放大電路的結(jié)構(gòu)形式是由傳感器的類型決定的。例如，電阻應(yīng)變式傳感器聽國(guó)電 橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓信號(hào)，并用差動(dòng)放大器做進(jìn)一步的放大，因此電橋放大電路就是其測(cè) 量放大電路。又如，用光電池、光敏電阻作為檢測(cè)元件時(shí)，由于他們的輸出電阻很高，可 視為電流源，此時(shí)測(cè)量放大電路即為微電流放大電路。肄 測(cè)量放大電路的頻帶寬度是由被測(cè)參數(shù)的頻率范圍及其載波信號(hào)頻率決定的。測(cè)控系 統(tǒng)中，被測(cè)參數(shù)的頻率，低的動(dòng)電流開始，高的可至1011Hzo被測(cè)信號(hào)的頻率越寬，測(cè)量放大

53、電路的頻帶也就應(yīng)越寬，才能使不同的頻率信號(hào)具有聽樣的靈敏度，使輸出不失真。莄241基本要求與類型蒂通常，傳感器輸出的電信號(hào)是微弱的，且與電路之間的連接具有一定的距離。例如， 在典型的工業(yè)環(huán)境中，距離可達(dá) 3m以上，這時(shí)就需要用電纜傳輸信號(hào)。傳感器有內(nèi)阻， 電纜也有電阻，這些電阻和放大電路產(chǎn)生的噪聲，以及環(huán)境噪聲都會(huì)對(duì)放大電路造成干擾， 影響它正常工作。因此對(duì)測(cè)量放大電路的基本要求是：測(cè)量放大電路的輸入阻抗應(yīng)與傳 感器輸出阻抗相匹配；穩(wěn)定的放大倍數(shù)；低噪聲；德的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電 流，以及低的漂移；足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無畸變地放大瞬態(tài)信號(hào)）；高的共模輸入范圍和高的共模抑制比；可調(diào)的閉環(huán)增

54、益；線形好、精度高；成本低。肇應(yīng)該指出的是，不同的傳感器，不同的使用環(huán)境、不同的使用條件和目的，對(duì)測(cè)量放 大電路的要求是不同的。但是可以這樣說，測(cè)量放大電路是一中綜合指標(biāo)很好的高性能放 大電路。祎按測(cè)量放大電路的結(jié)構(gòu)原理可分為差動(dòng)直接耦合式、調(diào)制式和自動(dòng)穩(wěn)定式三大類。其中差動(dòng)直接耦合式包括了單端輸入（同向或反向）運(yùn)算放大電路、電橋放大電路、電荷放 大電路等測(cè)量放大電路。熱敏電阻呼吸頻率傳感器熱敏電阻呼吸頻率傳感器51 51 肅按元件的制造方式可分為分立元件結(jié)構(gòu)和形式、通用集成運(yùn)算放大器組成形式和單片 集成測(cè)量放大器三種。前兩種形式相比，通用集成運(yùn)算放大器組成形式具有體積小、精度 高、調(diào)節(jié)方便、

55、性能價(jià)格比佳等優(yōu)點(diǎn)。單片集成測(cè)量放大電路的體積更小、精度更高、使 用更方便。但是價(jià)格較貴。隨著集成工藝的發(fā)展，單片集成測(cè)量放大電路的應(yīng)用也日益增 廣。薂242本設(shè)計(jì)中所用放大電路的設(shè)計(jì)袂圖2.11同相放大器葿在本設(shè)計(jì)中用到兩個(gè)放大電路，第一個(gè)為前置放大， 如圖2.10所示：為一個(gè)典型的同相放大電路，其輸出 電壓U0表達(dá)式為：R21+二2 UiR1 J薆由于37C電阻經(jīng)過與人體呼吸出來的氣流對(duì)流散熱后的溫度大約為34C，經(jīng)計(jì)算得熱敏電阻在34T時(shí)的電阻值R=165Q，所以可以算出15R1R1189 1500.0295V4 1 1.2 150蟻要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理就必須先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，現(xiàn)取電阻R

56、=51K艮=200K蟻則：增益Af = V 005電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書熱敏電阻呼吸頻率傳感器 羇第二個(gè)為儀應(yīng)放大電路15，電路圖如圖2.12所示蒄其對(duì)稱性結(jié)構(gòu)使整個(gè)放大器具有很高的共模抑制能力，是智能儀器中最常用的測(cè)量放大 器，通常為保證放大器的共模抑制能力，電路參數(shù)對(duì)稱，即R=R; R=F4; R=R，此時(shí)，放大器的閉環(huán)增益為：螁圖2.12儀用放大電AfW -仏甩R3莈顯然，為了保證電路的對(duì)稱性，改變?cè)鲆孀詈侠?、最?jiǎn)單的辦法是改變Rg的阻值。在這里我們?nèi)?R=R=200K R=R=51K F5=R=2OOK FG=34K,肅2.5濾波電路的設(shè)計(jì)莀2.5.1濾波器的基本知識(shí)16蝿測(cè)量系統(tǒng)從

57、傳感器拾取的信號(hào)中，往往包含噪聲和許多與被測(cè)量無關(guān)的信號(hào)，從而影 響測(cè)量精度。這些噪聲一般隨機(jī)性很強(qiáng)，很難從時(shí)域中直接分離，但是限于其產(chǎn)生的機(jī)理， 其噪聲功率是有限的，并按一定規(guī)律分布于頻率域中某一特定的頻帶中。信號(hào)分離電路一 般利用濾波器從頻率域中實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的抑制，提取所需的測(cè)量信號(hào)，是各種測(cè)控系統(tǒng)中必 不可少的組成部分。蚆濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，當(dāng)信號(hào)與噪聲分布在不同的頻帶中時(shí)，可以從頻率域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)分離。在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中，噪聲與信號(hào)的頻帶往往有一定的 重疊，如果重疊不很嚴(yán)重，仍可利用濾波器有效地抑制噪聲功率，提高測(cè)量精度。一般來 說，測(cè)量精度在很大程度上由測(cè)量信號(hào)頻帶

58、內(nèi)游泳信號(hào)功率與噪聲功率之比，即信噪比決 定。除濾除噪聲外，濾波器還可以用于分離各種不同的信號(hào)，例如將表面粗糙度信號(hào)與濾 度信號(hào)分開，將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分開等。蒁按照所處理信號(hào)的形式不同，濾波器可以氛圍模擬與數(shù)字兩大類，。二者在功能特性方面偶許多相似之處，在結(jié)構(gòu)組成方面又有很大差別。前者處理對(duì)象為連續(xù)的模擬信號(hào)， 后者為離散的數(shù)字信號(hào)。聿濾波器對(duì)不同頻率的信號(hào)有三種不同的選擇作用：在通帶內(nèi)使信號(hào)受到很小的衰減 而通過。在阻帶內(nèi)使信號(hào)受到很大的衰減而抑制。在通帶與阻帶之間的一段過度帶使 信號(hào)受到不同程度衰減。衿濾波器的三種頻中分布位置不同， 可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率信號(hào)的選擇作用。 根據(jù)所選擇的 頻率

59、濾波器可分為四種不同的基本類型：低通濾波器，通帶從零延伸帶某一規(guī)定的上限 頻率。高通濾波器，通帶從某一規(guī)定的下限頻率延伸到無窮大。帶通濾波器，通帶為 于兩個(gè)有限非零的上下限頻率之間。帶阻濾波器，阻帶位于兩個(gè)有限非零的上下限頻率 之間。此外還有一種全通濾波器，各種頻率的信號(hào)都能通過，但不同頻率信號(hào)的相位有不 同變化，實(shí)際上是一種移相器。肇根據(jù)電路組成濾波器又可以分為:膃LC無源濾波器 由電感L、電容C組成的無源電抗網(wǎng)絡(luò)具有良好的頻率選擇特性，并 且信號(hào)能量損耗小、噪聲低、靈敏度低，曾廣泛應(yīng)用于通信及電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域。其主要 特點(diǎn)是電感元件體積大，在低頻及超低頻頻帶范圍品質(zhì)因數(shù)低（即頻率選擇性差）

60、，不便于集成化，現(xiàn)在在一般測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用不多。膂RC無源濾波器 由于電感元件有和多不足，人們自然希望實(shí)現(xiàn)無感濾波器。由電阻R、電容C構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)，其頻率選擇性較差，一般只用作低性能濾波器。袈由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器 這類濾波器主要有機(jī)械濾波器、壓電陶瓷；濾波器、 晶體濾波器、聲表面波濾波器等。其工作原理一般是通過電能與機(jī)械能、分子振動(dòng)能的相 互轉(zhuǎn)換，并與器件固有頻率諧振實(shí)現(xiàn)頻率選擇，多用作頻率選擇性能很高的帶通或帶阻濾 波器，其品質(zhì)因數(shù)可達(dá)數(shù)千至數(shù)萬，并且穩(wěn)定性很高，具有許多其他種類濾波器無法實(shí)現(xiàn) 的特性。由于其品種系列有限，調(diào)整不便，一般僅應(yīng)用于某些特殊場(chǎng)合。芄RC有源濾波器RC無源濾波