测试仪器设计报告 便携式温度测量仪

1. 测试仪器设计报告便携式温度测量仪

2. 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。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。

3. 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 )

4. 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：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

5. 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：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。

6. 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）。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。

7. 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。

8. 这里可以进一步对该式作以修正，并提出了下面两个公式：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。

9. 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 。

10. 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。

11. 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。

12. 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0.007℃,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）

13. 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)

14. 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)

15. lnR= (5.23a) • lnR= (5.23b) • 其中：常数 ＝ln（nd）＋

16. 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＋ΔR） ≈ ΔR (5.24) 式中：表示温度对电阻的一阶导数。

17. 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。

18. 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。

19. 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。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。

20. 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：http://www.google.com http://www.baidu.com http://isnmag.com http://www.bgri.com http://www.tester.cn