石英晶体传感器 0540ppt课件

石英晶体测温传感器 石英晶体测温原理 石英晶体是弹性体 它存在固有振动频率 当强迫振动频率等于它的固有振动频率时 就会产生谐振 利用这一特性人们将它做成振荡器 压电传感器等元件 通常 用于这些方面的石英晶体 它的温度稳定性是衡量其品质的一项重要指标 由于石英晶体的固有振动频率与温度密切相关 因此 我们可以利用这一特点作成高精度的温度一频率传感器 石英谐振器的振荡频率随温度而变化 采取特殊的切割方向 可以使这种变化加强 再把这种变化控制成线性或接近线性关系 就可以制成一种高灵敏度测温传感器 根据不同的频率和切型 石英晶体温度传感器的温度灵敏度Ct可以在20Hz 到2850Hz 范围内变动 对这一变化进行频率测量 可以使温度分辨力达到 这是一般温度计很难办到的 这样高的温度分辨力对于某些理化性能实验研究至关重要 1 石英晶体谐振器 石英晶体材料 2 石英晶体压电谐振 压电效应 某些电介物质在一定方向上受到外力的作用而变形时 内部产生极化现象 同时在表面上产生电荷 当外力去掉后 又重新回到不带电状态 这种将机械能转化为电能的现象称为 顺压电效应 相反 在电介质的极化方向上施加电场 它会产生机械变形 这种将电能转化为机械能的现象称为 逆压电效应 具有压电效应的电介物质称为压电材料 其中石英是一种性能良好的压电晶体 石英晶体压电效应 当交变电压加于石英晶片时 石英晶片将会随交变电压的频率产生周期性的机械振动 同时 机械振动又会在两个电极上产生交变电荷 并形成交变电流 当外加交变电压的频率与石英晶片的固有频率相等时 晶片便产生共振 此时镜片的机械振动最强 镜片两面的电荷数量和其间的交变电流也最大 产生了类似于LC回路中的串联谐振现象 这种现象称为石英晶体的压电谐振 3 石英晶体的温度 频率转换 石英晶体切型 晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片 可以是圆形或正方形 矩形等 按切割晶片的方位不同 可将晶片分为AT BT CT DT X Y等多种切型 不同切型的晶片其特性也不尽相同 尤其是频率温度特性相差较大 Y切型 LC切型 AC切型的石英晶体具有良好的线性频率温度特性 石英晶体的固有谐振频率与温度T的关系可以如下表达 曲线拟合法求解石英晶体温度 频率关系 将上述石英晶体固有频率与温度T的关系改写为 为了确定采用曲线拟合法 这种方法是采用n次多项式来逼近反非线性曲线 该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定 其具体步骤如下 1 对传感器进行静态实验标定 得校准曲线 标定点的数据为 输入温度 ti t1 t2 t3 tN 输出频率 fi f1 f2 f3 fN 其中N为标定点个数 i 1 2 N 2 假设反非线性特性拟合方程为 2 3 求解式 2 的待定常数 根据最小二乘法原则来确定待定常数其基本思想是 由式 2 确定的各个fi ti 与各个点的标定值fi的均方差应最小 即要求式 3 的值最小 3 石英晶体传感器应用实例 石英晶体数字温度计 综上所述 石英晶体测温传感器 具有良好的稳定性以及高精度性 其可将温度的变化变换为振荡频率变化的频率调制信号 而该信号极易发送与接收 有很好的抗干扰能力 可实现遥测与遥控 易于用数字式仪器测量 易于与单片机 计算机连