專(zhuān)利名稱(chēng)：精確測(cè)量皮膚溫度的薄膜鉑電阻溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜鉑電阻溫度傳感器，特別是一種針對(duì)熱舒適研究中人體 皮膚溫度生理參數(shù)多點(diǎn)高精度測(cè)量要求的精確測(cè)量皮膚溫度的薄膜鉑電阻溫度 傳感器，屬于熱舒適研究和測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
皮膚表面溫度是人體和周?chē)h(huán)境之間進(jìn)行熱交換所形成的生理狀態(tài)值，它與 體感溫度有較好的相互關(guān)系，同時(shí)它也是評(píng)價(jià)環(huán)境溫?zé)岬闹匾笜?biāo)之一。因此， 皮膚溫度測(cè)量在醫(yī)學(xué)上的生理研究和病理檢測(cè)，以及人體工程學(xué)研究上有較大應(yīng) 用，尤其在熱舒適研究領(lǐng)域被作為一個(gè)關(guān)鍵生理指標(biāo)而加以研究。目前國(guó)內(nèi)外熱 舒適評(píng)價(jià)都是基于房格爾(Fanger P.0)預(yù)測(cè)平均投票率-預(yù)測(cè)不滿意率 (PMV-PPD)熱舒適理論，它是建立在以平均皮膚溫度等參數(shù)為輸入的人體熱平 衡方程的基礎(chǔ)條件之上。用房格爾熱舒適理論評(píng)價(jià)熱舒適狀態(tài)一般采用的平均皮 膚溫度理論估算值，但實(shí)驗(yàn)研究表明通過(guò)真實(shí)的平均皮膚溫度測(cè)量值可以顯著提 高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。另一方面，最新的熱舒適研究認(rèn)為直接通過(guò)以皮膚溫度為主的人 體生理參數(shù)來(lái)反映熱舒適狀態(tài)更直接更準(zhǔn)確，并已有實(shí)驗(yàn)證明平均皮膚溫度在特 定熱環(huán)境和人員活動(dòng)情況下可以直接反應(yīng)人體熱舒適狀況。可以看出皮膚溫度在 熱舒適研究中地位是日益突出，而且對(duì)它的測(cè)量精度也在逐漸提高。以平均皮膚 溫度作為熱舒適生理指標(biāo)研究結(jié)果為例，熱舒適狀態(tài)下的平均皮膚溫度變化范圍 較為狹窄，只有不到1.17°C，如果要準(zhǔn)確評(píng)判人的舒適狀態(tài)需要在研究中精確 定義舒適皮溫區(qū)間，實(shí)際應(yīng)用中也需要高精確的皮膚溫度測(cè)量來(lái)評(píng)價(jià)熱舒適性。 因此，精確的皮膚溫度測(cè)量對(duì)熱舒適領(lǐng)域有著顯著的意義。
在目前的熱舒適皮膚溫度指標(biāo)研究中，因?yàn)榉墙佑|式皮膚溫度測(cè)量方法無(wú)法 測(cè)量被衣物覆蓋的皮膚表面溫度，而且儀器體積較大，價(jià)格昂貴而應(yīng)用很少，主 要還是采用接觸式皮膚測(cè)溫方法，通過(guò)醫(yī)用膠帶把多個(gè)溫度傳感器粘帖在各部位 皮膚上，根據(jù)不同研究需要，每位受試人員布置測(cè)點(diǎn)數(shù)有21點(diǎn)、17點(diǎn)、14點(diǎn)等， 通過(guò)各部分皮膚溫度取權(quán)重系數(shù)算得平均皮膚溫度，有條件的實(shí)驗(yàn)室采用熱成像技術(shù)做輔助性檢驗(yàn)。
在接觸式皮膚溫度測(cè)量常采用的幾種溫度計(jì)中，熱電偶因?yàn)槠鋬r(jià)格低廉，與 皮膚接觸性好，動(dòng)態(tài)性能理想而應(yīng)用最多，而且為了提高測(cè)量精度減小熱電偶偶 絲導(dǎo)熱對(duì)測(cè)溫的影響常采用熱電偶測(cè)量端與導(dǎo)熱性能良好的集熱片(一般采用銅 片)焊在一起，然后再與表面接觸。這種表面測(cè)溫傳感器的特點(diǎn)是用熱電偶焊接 集熱片前后，其性能基本相同。實(shí)驗(yàn)表明，熱電偶焊接前后，熱-電特性變化小
于rc，響應(yīng)時(shí)間無(wú)論是在空氣中，還是在水中，都比較接近。因而在非瞬態(tài)的
表面溫度測(cè)量中，帶集熱片熱電偶和普通熱電偶有相同性能，熱電偶一般選用K 型、E型、T型，偶絲的截面積一般為0. 5mm2，集熱片一般采用厚度為0. 2 0. 3mm 的銅片。但是這種帶集熱片熱電偶仍存在顯著缺點(diǎn)，如受熱電偶本身性能制約其 穩(wěn)定性較差，精度也較低，而且測(cè)量端和集熱片焊接工藝對(duì)表面測(cè)溫準(zhǔn)確性有一 定影響，與皮膚較大的接觸面積也阻礙皮膚正常散熱等，這些都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn) 生比較大的誤差。已有技術(shù)中，專(zhuān)利號(hào)為93228528.7，名稱(chēng)為"發(fā)電機(jī)定子測(cè) 溫鉑電阻溫度計(jì)"的實(shí)用新型專(zhuān)利在環(huán)氧酚醛壓板一側(cè)開(kāi)有矩形截面空腔，超小 型薄膜鉑電阻引線與外接導(dǎo)線自熔化焊接，置于環(huán)氧酚醛壓板截面空腔內(nèi)，注膠 固封，應(yīng)用于發(fā)電機(jī)定子表面溫度測(cè)試。它的缺點(diǎn)是傳感器與測(cè)量物之間間隔有 膠質(zhì)材料不能直接接觸，結(jié)構(gòu)上也只考慮了傳感器體積小表面測(cè)溫方便，未分析 其傳熱誤差并從結(jié)構(gòu)上改進(jìn)。市面上已有溫度傳感器采用熱敏電阻固定于基板上 通過(guò)電鍍導(dǎo)線間接外接導(dǎo)線來(lái)消除導(dǎo)線傳熱誤差，但都沒(méi)有考慮基板能在皮膚表 面溫度測(cè)量中通過(guò)結(jié)構(gòu)尺寸的合理設(shè)置達(dá)到隔絕外部熱環(huán)境影響等作用。國(guó)外目 前已有的多種使用熱敏電阻的皮膚溫度計(jì)產(chǎn)品，為套管鎧裝結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品主要應(yīng)用 于某個(gè)身體部位的病理檢測(cè)，為手持式，尺寸結(jié)構(gòu)較大因此不便于身體各部位多 點(diǎn)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提供一種適于熱舒適生理實(shí)驗(yàn)研究 需要的，易于實(shí)現(xiàn)皮膚溫度多點(diǎn)接觸測(cè)量，且皮膚溫度測(cè)量性能理想，測(cè)量精度 更高的薄膜鉑電阻溫度傳感器。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括薄膜鉑電阻、聚酰亞胺基板、 外接導(dǎo)線。在聚酰亞胺基板左端上表面分別電鍍第一電極和第二電極，在聚酰亞
4胺基板右端上下表面分別電鍍第三電極和第四電極，在第一電極和第三電極之間 的聚酰亞胺基板的上表面制有第一電鍍導(dǎo)線，在第二電極與第四電極之間的聚酰 亞胺基板下表面制有第二電鍍導(dǎo)線。第一電極與第三電極通過(guò)第一電鍍導(dǎo)線連 接。第二電極與第四電極通過(guò)第二電鍍導(dǎo)線連接。薄膜鉑電阻置于聚酰亞胺基板 上表面，其兩個(gè)電極分別與第一電極和第二電極焊接。第三電極和第四電極分別 與外接導(dǎo)線連接，外接導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀連接。皮膚溫度測(cè)量時(shí)，傳感器上表面 貼緊皮膚，使薄膜鉑電阻完全陷入皮膚內(nèi)，與皮膚形成良好接觸。通過(guò)透氣性好 的醫(yī)用膠帶把傳感器粘帖在皮膚上，保證傳感器接觸良好，不脫離皮膚，膠帶透 氣性好對(duì)皮膚正常出汗無(wú)影響。
通過(guò)對(duì)皮膚溫度測(cè)量特性分析發(fā)現(xiàn)這種傳感器主要存在兩方面測(cè)量誤差。一 方面，傳感器雖然直接接觸皮膚測(cè)得皮膚溫度，但是外界熱環(huán)境也可能對(duì)測(cè)量結(jié) 果造成干擾；另一方面因傳感器緊貼皮膚表面，必定影響其所在部位皮膚的散熱， 破壞原有熱平衡，從而會(huì)對(duì)真實(shí)的皮膚溫度產(chǎn)生影響。針對(duì)這兩個(gè)誤差首先通過(guò) 有限元分析軟件ANSYS熱分析模擬計(jì)算了傳感器各種尺寸結(jié)構(gòu)下、測(cè)量中醫(yī)用膠 帶不同粘帖厚度下，以及皮膚溫度和外界熱環(huán)境不同熱工況下的傳感器溫度分 布，找出了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸和醫(yī)用膠帶厚度來(lái)消除第一個(gè)誤差來(lái)源。
因?yàn)槠つw真實(shí)溫度變化情況無(wú)法準(zhǔn)確模擬，所以在傳感器尺寸結(jié)構(gòu)和測(cè)量時(shí) 粘帖方式確定后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其對(duì)原有皮膚溫度帶來(lái)的影響。通過(guò)高精度的 紅外線測(cè)溫儀對(duì)比粘帖前后的皮膚溫度發(fā)現(xiàn)測(cè)量中皮膚溫升可以忽略不計(jì)。使用 本發(fā)明傳感器測(cè)量中不會(huì)對(duì)真實(shí)皮膚溫度產(chǎn)生顯著影響。
實(shí)驗(yàn)中薄膜鉑電阻溫度傳感器使用數(shù)量較大，因此采用的是價(jià)格相對(duì)合理的 工業(yè)A級(jí)精度的薄膜鉑電阻，通過(guò)對(duì)每個(gè)薄膜鉑電阻溫度傳感器采用高精度標(biāo)定 方法來(lái)提高測(cè)量精度。
本發(fā)明有益效果本發(fā)明對(duì)原有的接觸式皮膚溫度測(cè)量方法有較大改進(jìn)，充 分利用了薄膜鉑電阻的皮膚接觸性好、穩(wěn)定性好、精度高、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn) 來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量皮膚溫度，盡量減少了測(cè)量中的存在的誤差源，提高了皮膚溫度整體
測(cè)量精度，誤差可以控制在o. rc以內(nèi)，為熱舒適生理指標(biāo)研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。


圖l本發(fā)明薄膜鉑電阻溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明薄膜鉑電阻溫度傳感器俯視圖
圖中1薄膜鉑電阻，2聚酰亞胺基板，3外接導(dǎo)線，4第一電極，5第二 電極，6第三電極，7第四電極，8數(shù)據(jù)采集儀，9第一電鍍導(dǎo)線，10第二電 鍍導(dǎo)線
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施做進(jìn)一步的描述
如圖l，圖2所示，本發(fā)明包括薄膜鉑電阻1、聚酰亞胺基板2、外接導(dǎo)線3。 在聚酰亞胺基板2左端上表面分別電鍍第一電極4和第二電極5，在聚酰亞胺基 板2右端上下表面分別電鍍第三電極6和第四電極7，在第一電極4和第三電極 6之間的聚酰亞胺基板2的上表面制有第一電鍍導(dǎo)線9，在第二電極5與第四電 極7之間的聚酰亞胺基板2下表面制有第二電鍍導(dǎo)線10。第一電極4與第三電 極6通過(guò)第一電鍍導(dǎo)線9連接。第二電極5與第四電極7通過(guò)第二電鍍導(dǎo)線10 連接。薄膜鉑電阻1置于聚酰亞胺基板2上表面，其兩個(gè)電極分別與第一電極4 和第二電極5焊接。第三電極6和第四電極7分別與外接導(dǎo)線3連接，外接導(dǎo)線 3與數(shù)據(jù)采集儀8連接。薄膜鉑電阻1采用Ptl000，尺寸為2. 08X 1. 32X0. 36mm， 為了測(cè)量過(guò)程中防止汗水，整個(gè)薄膜鉑電阻溫度傳感器外部涂抹一層普通絕緣 膠。圖1、 2所示是鉑電阻阻值測(cè)量二線制連接，每個(gè)電極分別引出兩根導(dǎo)線就 變?yōu)樗木€制連接，可避免外接導(dǎo)線電阻值所帶來(lái)的誤差實(shí)現(xiàn)更高精度測(cè)量。皮膚 溫度測(cè)量時(shí)，薄膜鉑電阻溫度傳感器上表面貼緊皮膚，厚度為0. 36rnra的薄膜鉑 電阻l完全陷入皮膚內(nèi)，與皮膚形成良好接觸。通過(guò)透氣性好的醫(yī)用膠帶把薄膜 鉑電阻溫度傳感器粘帖在皮膚上，保證接觸良好，不脫離皮膚，膠帶透氣性好對(duì) 皮膚正常出汗無(wú)影響。
通過(guò)對(duì)皮膚溫度測(cè)量特性分析發(fā)現(xiàn)這種薄膜鉑電阻溫度傳感器主要存在兩 方面測(cè)量誤差。一方面，薄膜鉑電阻溫度傳感器雖然直接接觸皮膚測(cè)得皮膚溫度， 但是外界熱環(huán)境也可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾；另一方面因薄膜鉑電阻溫度傳感器 緊貼皮膚表面，必定影響其所在部位皮膚的散熱，破壞原有熱平衡，從而會(huì)對(duì)真 實(shí)的皮膚溫度產(chǎn)生影響。針對(duì)這兩個(gè)誤差首先通過(guò)有限元分析軟件ANSYS熱分析 模擬計(jì)算了薄膜鉑電阻溫度傳感器各種尺寸結(jié)構(gòu)下、測(cè)量中醫(yī)用膠帶不同粘帖厚 度下，以及皮膚溫度和外界熱環(huán)境不同熱工況下的薄膜鉑電阻溫度傳感器溫度分布，找出了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸和醫(yī)用膠帶厚度來(lái)消除第一個(gè)誤差來(lái)源。模擬發(fā)現(xiàn)粘 帖單層醫(yī)用膠帶，基板厚度為0. 3mm時(shí)這種薄膜鉑電阻皮膚溫度傳感器可以避免 受外界熱環(huán)境影響?；彘L(zhǎng)度12腿寬度2. 5mm就可以滿足電鍍引線以及電極布 置需要。最后確定基板尺寸為12X2. 5X0. 3mm，測(cè)量中只需使用單層醫(yī)用膠帶 粘帖。
因?yàn)槠つw真實(shí)溫度變化情況無(wú)法準(zhǔn)確模擬，所以在薄膜鉑電阻溫度傳感器尺 寸結(jié)構(gòu)和測(cè)量時(shí)粘帖方式確定后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其對(duì)原有皮膚溫度帶來(lái)的影響。
通過(guò)高精度的紅外線測(cè)溫儀(精度士o. rc)對(duì)比粘帖前后的皮膚溫度發(fā)現(xiàn)測(cè)量
中皮膚溫升可以忽略不計(jì)。使用本發(fā)明傳感器測(cè)量中不會(huì)對(duì)真實(shí)皮膚溫度產(chǎn)生顯 著影響。
熱舒適生理實(shí)驗(yàn)中對(duì)每位受試者有IO個(gè)以上的測(cè)點(diǎn)，薄膜鉑電阻溫度傳感 器使用數(shù)量大，因此本發(fā)明采用的是市面上常見(jiàn)且達(dá)到工業(yè)A級(jí)精度的薄膜鉑電 阻，正常的皮膚溫度大致在10'C 4(TC范圍內(nèi)，允許偏差在O. 17 0.23'C范圍， 測(cè)量精度不高，因此采用高精度標(biāo)定方法——公式法提高測(cè)試精度。對(duì)每個(gè)薄膜 鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行多個(gè)溫度下的阻值測(cè)試，確定其特有的測(cè)溫特性。經(jīng)實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證最后誤差可以控制在0. rc以內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種精確測(cè)量皮膚溫度的薄膜鉑電阻溫度傳感器，包括薄膜鉑電阻(1)、聚酰亞胺基板(2)、外接導(dǎo)線(3)，其特征在于在聚酰亞胺基板(2)左端上表面分別電鍍第一電極(4)和第二電極(5)，在聚酰亞胺基板(2)右端上下表面分別電鍍第三電極(6)和第四電極(7)，在第一電極(4)和第三電極(6)之間的聚酰亞胺基板(2)的上表面制有第一電鍍導(dǎo)線(9)，在第二電極(5)與第四電極(7)之間的聚酰亞胺基板(2)下表面制有第二電鍍導(dǎo)線(10)，第一電極(4)與第三電極(6)通過(guò)第一電鍍導(dǎo)線(9)連接；第二電極(5)與第四電極(7)通過(guò)第二電鍍導(dǎo)線(10)連接，薄膜鉑電阻1置于聚酰亞胺基板(2)上表面，其兩個(gè)電極分別與第一電極(4)和第二電極(5)焊接，第三電極(6)和第四電極(7)分別與外接導(dǎo)線(3)連接，外接導(dǎo)線(3)與數(shù)據(jù)采集儀(8)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確測(cè)量皮膚溫度的薄膜鉑電阻溫度傳感器，其 特征是所述的薄膜鉑電阻(1)是采用Pt1000，尺寸為2.08X1.32X0.36mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確測(cè)量皮膚溫度的薄膜鉑電阻溫度傳感器，其 特征是所述的聚酰亞胺基板(2)的尺寸為12X2. 5X0. 3mra。
全文摘要
精確測(cè)量皮膚溫度的薄膜鉑電阻溫度傳感器屬于熱舒適研究和測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括薄膜鉑電阻、聚酰亞胺基板、外接導(dǎo)線。薄膜鉑電阻置于聚酰亞胺基板上表面，其兩個(gè)電極與聚酰亞胺基板對(duì)應(yīng)電極焊接。并通過(guò)電鍍導(dǎo)線、外接導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀連接。本發(fā)明對(duì)原有的接觸式皮膚溫度測(cè)量方法有較大改進(jìn)，充分利用了薄膜鉑電阻的皮膚接觸性好、穩(wěn)定性好、精度高、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量皮膚溫度，并通過(guò)有限元方法熱模擬研究和實(shí)驗(yàn)手段控制傳感器測(cè)量誤差在0.1℃以內(nèi)，提高了皮膚溫度整體測(cè)量精度，為熱舒適生理指標(biāo)研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)A61B5/01GK101548881SQ20091005118
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者葉劍軍, 彭友輝, 王月梅, 連之偉, 陳建萍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)