石英晶體傳感器 0540.ppt

石英晶體測(cè)溫傳感器 石英晶體測(cè)溫原理 石英晶體是彈性體 它存在固有振動(dòng)頻率 當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率等于它的固有振動(dòng)頻率時(shí) 就會(huì)產(chǎn)生諧振 利用這一特性人們將它做成振蕩器 壓電傳感器等元件 通常 用于這些方面的石英晶體 它的溫度穩(wěn)定性是衡量其品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo) 由于石英晶體的固有振動(dòng)頻率與溫度密切相關(guān) 因此 我們可以利用這一特點(diǎn)作成高精度的溫度一頻率傳感器 石英諧振器的振蕩頻率隨溫度而變化 采取特殊的切割方向 可以使這種變化加強(qiáng) 再把這種變化控制成線性或接近線性關(guān)系 就可以制成一種高靈敏度測(cè)溫傳感器 根據(jù)不同的頻率和切型 石英晶體溫度傳感器的溫度靈敏度Ct可以在20Hz 到2850Hz 范圍內(nèi)變動(dòng) 對(duì)這一變化進(jìn)行頻率測(cè)量 可以使溫度分辨力達(dá)到 這是一般溫度計(jì)很難辦到的 這樣高的溫度分辨力對(duì)于某些理化性能實(shí)驗(yàn)研究至關(guān)重要 1 石英晶體諧振器 石英晶體材料 2 石英晶體壓電諧振 壓電效應(yīng) 某些電介物質(zhì)在一定方向上受到外力的作用而變形時(shí) 內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象 同時(shí)在表面上產(chǎn)生電荷 當(dāng)外力去掉后 又重新回到不帶電狀態(tài) 這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為 順壓電效應(yīng) 相反 在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng) 它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形 這種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為 逆壓電效應(yīng) 具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為壓電材料 其中石英是一種性能良好的壓電晶體 石英晶體壓電效應(yīng) 當(dāng)交變電壓加于石英晶片時(shí) 石英晶片將會(huì)隨交變電壓的頻率產(chǎn)生周期性的機(jī)械振動(dòng) 同時(shí) 機(jī)械振動(dòng)又會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生交變電荷 并形成交變電流 當(dāng)外加交變電壓的頻率與石英晶片的固有頻率相等時(shí) 晶片便產(chǎn)生共振 此時(shí)鏡片的機(jī)械振動(dòng)最強(qiáng) 鏡片兩面的電荷數(shù)量和其間的交變電流也最大 產(chǎn)生了類(lèi)似于LC回路中的串聯(lián)諧振現(xiàn)象 這種現(xiàn)象稱為石英晶體的壓電諧振 3 石英晶體的溫度 頻率轉(zhuǎn)換 石英晶體切型 晶片是從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片 可以是圓形或正方形 矩形等 按切割晶片的方位不同 可將晶片分為AT BT CT DT X Y等多種切型 不同切型的晶片其特性也不盡相同 尤其是頻率溫度特性相差較大 Y切型 LC切型 AC切型的石英晶體具有良好的線性頻率溫度特性 石英晶體的固有諧振頻率與溫度T的關(guān)系可以如下表達(dá) 曲線擬合法求解石英晶體溫度 頻率關(guān)系 將上述石英晶體固有頻率與溫度T的關(guān)系改寫(xiě)為 為了確定采用曲線擬合法 這種方法是采用n次多項(xiàng)式來(lái)逼近反非線性曲線 該多項(xiàng)式方程的各個(gè)系數(shù)由最小二乘法確定 其具體步驟如下 1 對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定 得校準(zhǔn)曲線 標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)據(jù)為 輸入溫度 ti t1 t2 t3 tN 輸出頻率 fi f1 f2 f3 fN 其中N為標(biāo)定點(diǎn)個(gè)數(shù) i 1 2 N 2 假設(shè)反非線性特性擬合方程為 2 3 求解式 2 的待定常數(shù) 根據(jù)最小二乘法原則來(lái)確定待定常數(shù)其基本思想是 由式 2 確定的各個(gè)fi ti 與各個(gè)點(diǎn)的標(biāo)定值fi的均方差應(yīng)最小 即要求式 3 的值最小 3 石英晶體傳感器應(yīng)用實(shí)例 石英晶體數(shù)字溫度計(jì) 綜上所述 石英晶體測(cè)溫傳感器 具有良好的穩(wěn)定性以及高精度性 其可將溫度的變化變換為振蕩頻率變化的頻率調(diào)制信號(hào) 而該信號(hào)極易發(fā)送與接收 有很好的抗干擾能力 可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)與遙控 易于用數(shù)字式儀器測(cè)量 易于與單片機(jī) 計(jì)算機(jī)連