李瑞芳

長治醫(yī)學(xué)院 山西長治 046000

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，溫度是一個非常重要的生理參數(shù)。人體各個部位的溫度是診斷疾病的重要依據(jù)，例如體表溫度是診斷休克病人的一種重要參數(shù)，因為休克病人的低血壓引起末梢的低血流量；感染性疾病通常由體溫的升高反映出來；麻醉能抑制體溫調(diào)節(jié)中樞，而使體溫下降；精確控制調(diào)節(jié)保溫箱的溫度才能為新生兒提供合適的環(huán)境溫度；關(guān)節(jié)溫度與局部發(fā)炎程度密切相關(guān)，通過局部溫度的測量反映關(guān)節(jié)炎和慢性炎癥等。上述例證說明溫度的測量在整個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。溫度測量的方法有多種，但是這些不同的方法，最根本的區(qū)別在于選擇不同的溫度傳感器。

1 溫度傳感器的種類及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

溫度傳感器是一種熱電式傳感器，是利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關(guān)的性質(zhì)，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化。傳感器的種類有多種，因檢測溫度的原理不同，可分為利用熱電效應(yīng)、熱電容及熱電阻、熱膨脹效應(yīng)、輻射效應(yīng)、熱化學(xué)效應(yīng)及熱電效應(yīng)等溫度傳感器。下面介紹幾種典型的溫度傳感器。

1.1 熱敏式傳感器

利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料的電阻率隨其本身溫度變化而變化的(物理特性)原理制成溫度敏感元件稱為熱敏電阻。熱敏電阻利用電阻對溫度的依賴，就可以將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，從而檢測溫度。

1.1.1 熱電阻式

熱敏電阻作為溫度敏感元件可制成各種形式的測溫探頭，分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。金屬熱電阻具有良好的線性關(guān)系、反應(yīng)速度快、材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，價格低，在測溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特性穩(wěn)定，體積較大。目前，在工業(yè)中應(yīng)用最廣泛。半導(dǎo)體熱敏電阻由于體積小，靈敏度高，長期穩(wěn)定性好等特點在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的溫度測量中使用非常廣泛?？稍谥闋罨虮∑瑺畹臒崦綦娮柰饧颖Ｗo管套，例如將珠狀熱敏電阻封裝在硬塑料、玻璃或金屬套管中，用來測量口腔或直腸溫度。薄片狀的熱敏電阻很適合測量皮膚溫度，近年來發(fā)展的薄膜型熱敏電阻可以做得非常薄，只有十幾納米，用它做測溫元件，將有很好的發(fā)展前景。

1.1.2 熱電偶式

當(dāng)有兩種不同的金屬組成回路時，若兩個觸點的溫度不同，則回路中就有電流通過，稱為溫差電效應(yīng)。熱電偶傳感器就是利用溫差電現(xiàn)象制成的熱敏傳感器。它具有測溫范圍寬、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。例如在腫瘤治療中已經(jīng)證明，加熱能增強放射性對腫瘤的殺滅力。加熱到43 ℃，能使放射性劑量減少1/3，減少了放射的副作用。深部腫瘤用超聲加熱時，對腫瘤區(qū)的溫度測量精度要求較高，利用熱電偶和恒溫冰槽技術(shù)，可以把腫瘤加熱區(qū)的溫度精確控制在43 ℃附近。

1.1.3 熱輻射式

熱輻射式傳感器是一種熱電變換器，它利用涂黑元件來吸收所有入射的輻射量，并將該能量轉(zhuǎn)化為溫度變化通過熱檢測元件變換成電量或點參數(shù)變化。熱輻射式傳感器屬于非接觸式溫度傳感器，“非典”期間廣泛應(yīng)用的紅外測溫儀就是典型代表。

1.2 模擬溫度傳感器(PN結(jié)型溫度傳感器)

PN結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)，利用PN結(jié)的這一特性可以制成各種溫度傳感器，典型的PN結(jié)傳感器有二極管溫度傳感器、三極管溫度傳感器和集成電路溫度傳感器。集成電路傳感器是將作為感溫器件的溫閩三極管及其外圍電路集成在同一芯片上的集成PN結(jié)溫度傳感器。集成模擬溫度傳感器與熱敏式傳感器相比，具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快、實際尺寸小、使用方便等優(yōu)點。常見的模擬溫度傳感器有LM3911，LM335，LM45，AN6701，AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。

1.2.1 電流輸出型集成溫度傳感器—AD590

AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型集成溫度傳感器，供電電壓范圍為3～30 V，工作溫度—50 ℃～+150 ℃，靈敏度為1 μA/℃。測量精度可達(dá)±0.5 ℃，在測溫范圍內(nèi)線性誤差小于±0.5 ℃。由于該傳感器是電流輸出型，且輸出阻抗高，因此它具有較強的抗干擾能力，可以進(jìn)行有線多點溫度遙測；與A/D轉(zhuǎn)換、LED顯示等就可構(gòu)成數(shù)字式溫度計。

1.2.2 電壓輸出型集成溫度傳感器—AN6701

AN6701是一種新型的高靈敏度集成溫度傳感器。工作溫度0～80 ℃，靈敏度為100 mV/℃。測量精度可達(dá)±0.1 ℃，在測溫范圍內(nèi)線性誤差小于±0.1 ℃。這種傳感器具有靈敏度高、線性好、精度高、熱響應(yīng)快等優(yōu)點。它的應(yīng)用很廣泛，且體積小，分辨率高，可做高精度的體溫計。

1.3 數(shù)字式溫度傳感器

利用石英晶體固有振蕩頻率和溫度的線性關(guān)系，把溫度變化轉(zhuǎn)化為振蕩頻率的變化。數(shù)字式溫度傳感器分為邏輯輸出型和數(shù)字量輸出型即智能溫度傳感器。

邏輯輸出型溫度傳感器即為溫度開關(guān)，在許多應(yīng)用中，我們并不需要嚴(yán)格測量溫度值，只關(guān)心溫度是否超出了設(shè)定范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報警信號，啟動或關(guān)閉其他控制設(shè)備，此時可選用邏輯輸出式溫度傳感器。

智能溫度傳感器也稱為智能溫度控制器，是在智能溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。它是在20世紀(jì)90年代中期問世的，是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。智能溫度傳感器包括一通道和多通道(有3，4，5，7通道)。它能適配各種微控制器構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng)，也可脫離微控制器單獨工作，自行構(gòu)成測溫儀。以DS18B20為例，DALLAS公司的溫度傳感器DS18B20為世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由64位ROM、溫度靈敏元件、內(nèi)部存儲器和配置寄存器4部分組成。具有獨特的單線接口方式，與單片機連接時僅需要一條口線；測溫范圍為—55 ℃～+125 ℃，在—10 ℃ ～+85 ℃范圍內(nèi)精度為±0.4 ℃；通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式；用戶可自行設(shè)定非易失性的報警上下限值；外圍電路簡單，使用時不需要外圍電源，可用數(shù)據(jù)總線供電；超小的體積，超低的硬件開銷，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，單線接口，可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。用DS18B20和單片機等設(shè)計病房多點(路)溫度測控系統(tǒng)，同時測量多個病人的體溫，并實現(xiàn)數(shù)字顯示、高溫報警功能。

2 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的溫度傳感器的發(fā)展趨勢

近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個階段：傳統(tǒng)分立式溫度傳感器(含敏感元件)；模擬集成溫度傳感器/控制器；智能溫度傳感器。而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的溫度測量主要有兩種方式：接觸式和非接觸式。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，由集成化向智能化發(fā)展。而智能溫度傳感器正朝著小體積、高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速拓展。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)以及材料工藝和制造工藝的不斷提升，無論是接觸式還是非接觸式，溫度傳感器發(fā)展的方向不外乎小體積、低功耗、快響應(yīng)、高靈明度。

[1]姜遠(yuǎn)海,霍紀(jì)文,尹立志.醫(yī)用傳感器[M].第一版.北京:科學(xué)出版社,1997.

[2]沙占友,薛樹琦,龐志鋒.中外集成傳感器實用手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[3]陳安宇.醫(yī)用傳感器[M].第二版.北京:科學(xué)出版社,2008.

[4]王煜東.傳感器及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[5]張洵,靳東明,劉天理.半導(dǎo)體溫度傳感器研究進(jìn)展綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,3(25):1-3.