石英晶體傳感器 0540.ppt

石英晶體測溫傳感器 石英晶體測溫原理 石英晶體是彈性體 它存在固有振動頻率 當強迫振動頻率等于它的固有振動頻率時 就會產(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)的一項重要指標 由于石英晶體的固有振動頻率與溫度密切相關(guān) 因此 我們可以利用這一特點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 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 對這一變化進行頻率測量 可以使溫度分辨力達到 這是一般溫度計很難辦到的 這樣高的溫度分辨力對于某些理化性能實驗研究至關(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 內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象 同時在表面上產(chǎn)生電荷 當外力去掉后 又重新回到不帶電狀態(tài) 這種將機械能轉(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 它會產(chǎn)生機械變形 這種將電能轉(zhuǎn)化為機械能的現(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) 當交變電壓加于石英晶片時 石英晶片將會隨交變電壓的頻率產(chǎn)生周期性的機械振動 同時 機械振動又會在兩個電極上產(chǎn)生交變電荷 并形成交變電流 當外加交變電壓的頻率與石英晶片的固有頻率相等時 晶片便產(chǎn)生共振 此時鏡片的機械振動最強 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 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)系改寫為 為了確定采用曲線擬合法 這種方法是采用n次多項式來逼近反非線性曲線 該多項式方程的各個系數(shù)由最小二乘法確定 其具體步驟如下 1 對傳感器進行靜態(tài)實驗標定 得校準曲線 標定點的數(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為標定點個數(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)最小二乘法原則來確定待定常數(shù)其基本思想是 由式 2 確定的各個fi ti 與各個點的標定值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)用實例 石英晶體數(shù)字溫度計 綜上所述 石英晶體測溫傳感器 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 而該信號極易發(fā)送與接收 有很好的抗干擾能力 可實現(xiàn)遙測與遙控 易于用數(shù)字式儀器測量 易于與單片機 計算機連