一种基于压电谐振原理的石英温度传感器

一种基于压电谐振原理的石英温度传感器

在载人宇宙系统中，由于载人宇宙中有工程师，他们生活和工作，因此对室内温度和载人物体温度的监测非常重要。首先,在载人航天环境控制与生命保障系统中,对航天器舱内环境温度要有严格的控制要求,并且随着长期载人航天的发展,对座舱温度的高精度测量及其微小动态变化的监测显得越来越重要。高精度温度监测不仅可提高载人航天器的舱内环境控制精度和准确度,还可提高环控生保系统的动态特性。其次,在航天医学监督与医学保障系统中,航天员体温测量是最基本的项目之一,是航天员安全监测的重要生理指标。目前航天员体温测量采用的是模拟式热敏温度传感器和配备了常用的水银体温计,前者不仅精度低、功耗大、抗辐射和电磁干扰能力差、不便于进行数字信号处理,而且对航天员在疾病、精神紧张和情绪激动等异常状况时的微小体温变化更无能为力;后者携带、使用和读取数据都不方便,而且易破碎、有汞中毒危险等不安全因素的缺点,仅用做航天员体温测量的备用器件。因此,在载人航天系统中,尤其长期载人航天的温度测量,采用高稳定性、高精度、低功耗、抗辐射和电磁干扰能力强的新型数字式石英温度传感器可在复杂恶劣的特殊空间环境中,准确、快速、方便地测量和传输各项温度指标信号。目前,我国对石英晶体温度传感器的研究尚处在初级阶段,实际中采用的大多是国外研制的切型,近几年才研制出高精度的石英晶体温度传感器。但由于设计方法落后、采用的切型复杂和受国内石英晶体加工工艺的限制,影响石英晶体温度传感器在我国广泛应用。现有石英温度传感器的响应时间均大于10s,功耗约为25W左右。本文提出了可视化计算方法,设计了一种适用于载人航天高精度、低功耗和响应速度快的温度监测的数字式石英温度传感器。石英晶片的温度特性根据美国Bechmann教授等人的理论,石英晶体的频率是随着温度的变化而变化。石英温度传感器工作机理是利用石英晶体的振动频率随温度变化的特性来测量温度的。在-200～200℃温度范围内,石英晶体的频率-温度特性可表示为三阶多项式:f=f0[1+α(T-T0)+β(T-T0)2+γ(T-T0)3](1)式中:T0为参考温度(℃);T为待测温度(℃);f为待测温度对应的频率(Hz);f0为某参考温度下的固有频率(Hz);α=1f0Τ0(∂f∂Τ)Τ=Τ0α=1f0T0(∂f∂T)T=T0为一阶频率-温度系数(K-1);β=12f0Τ0(∂2f∂Τ2)Τ=Τ0β=12f0T0(∂2f∂T2)T=T0为二阶频率-温度系数(K-2);γ=16f0Τ0(∂3f∂Τ3)Τ=Τ0γ=16f0T0(∂3f∂T3)T=T0为三阶频率-温度系数(K-3)。考虑了剪切变形与转动惯量对压电悬臂梁弯曲振动频率的影响,结合振动力学理论分析得到压电悬臂梁的弯曲振动方程,推导出ZYtw(θ/ϕ)双转角切型音叉式石英晶片的弯曲振动固有频率公式(在某一参考温度下):f0=λ24π√3ρs′22wl21√1+Νλ212w2l2(1+s′66ks′22)(2)式中:l为石英晶片的长度(m);w为石英晶片的宽度(m);ρ为石英晶体的密度(kg/m3);sij(i,j=1,2,…,6)为弹性柔顺系数(m2/N);λ为coshλcosλ+1=0的解;Ν=2tanhλtanλ+λ(tanhλ+tanλ)λ(tanhλ-tanλ);k取决于截面形状的常数因子。对石英晶体温度传感器的设计而言,不仅要满足通常压电石英晶体传感器对石英晶片的单一振动模式和压电活力的要求,更重要是在此基础上,要特殊考虑石英晶体的频率-温度特性,即需要获得高的一阶频率-温度系数。在坐标变换的基础上,由(2)式对温度求导可得:α=1f0Τ0(∂f∂t)Τ=Τ0=Τ(1)w-12Τ(1)ρ-12Τ(1)s′22-2Τ(1)l-12h1+hh′h(3)式中h′h=2Τw-2Τl+11+ks′22s′66(Τs′66-Τs′22);Τ(1)s′22=(ds′22s′22dΤ)Τ=Τ0=1s′22[s11Τ(1)s11cos4ϕ+2s13Τ(1)s13cos2ϕsin2ϕ+2s14Τ(1)s14cosθsinϕcos3ϕ(3-4cos2θ)+S33Τ(1)s33sin4ϕ+s44Τ(1)s44sin2ϕcos2ϕ];Τ(1)s′66=s11Τ(1)s11[1+cos(2ϕ)]-s12Τ(1)s12[1+cos(2ϕ)]+12s44Τ(1)44(1-cos(2ϕ))+s14Τ(1)s14[sin(2ϕ+3θ)-sin(-2ϕ+3θ)];T(1)siji,j=1,2,…,6为石英晶体一阶弹性柔顺常数的温度系数(K-1);Τ(1)ρ=(dρρdΤ)Τ=Τ0=-(2a1+a3)=-34.90×10-6(Κ-1);T(1)w=a1=13.71×10-6为宽度方向上的一阶线膨胀系数(K-1);T(1)l=a1sin2(ϕ)+a3cos2(ϕ)为长度方向上的一阶线膨胀系数(K-1);a1=13.71×10-6为石英晶体在X方向上的一阶线膨胀系数(K-1);a3=7.48×10-6为石英晶体在Z方向上的一阶线膨胀系数(K-1)。由式(3)可得ZYtw(θ/ϕ)石英晶片的一阶频率-温度系数α的绝对值与石英晶体双转角θ和ϕ的关系如图1所示。用作温度传感器的石英晶片,其一阶频率-温度系数α不能太小;取|α|≥3.5×10-5K-1为石英晶体温度传感器的一阶频率-温度系数的最小值。在图1中取|α|=3.5×10-5K-1的平面横截后向θ、ϕ平面进行投影,可得到ZYtw(θ/ϕ)双转角石英晶片的θ、ϕ的取值范围,如图2所示的阴影区域。同样的,采用可视化计算方法可获得具有单一频率,高压电特性良好的频率-温度特性的双转角切型为θ=115°、ϕ=-12°。石英温度传感器是由石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成的。石英温度传感器一般都放在密封的外壳中,以防止在石英晶片的表面沉积固体微粒、水汽及其它有害物质。使用外壳能提高温度传感器的可靠性,预防石英晶片的老化。ZYtw(115°/-12°)切型的音叉式石英温度传感器采用冷压焊密封在小型金属管壳内,如图3所示,外形尺寸为ϕ×8mm。传感器动态特性音叉式石英温度传感器的静态特性即石英温度传感器的频率-温度特性用实验方法获得,经过数据拟合就能得到传感器的静态数学模型。石英温度传感器的特性测试系统如图4所示。图中真空容器保持真空度10-3Torr,系统中的铜块温度可控制在-77～500K。音叉式石英温度传感器的静态频率-温度特性如图5所示。由最小二乘法拟合可得到石英温度传感器的频率-温度特性为:f(T)=f0(T0)[1+α(T-T0)+β(T-T0)2+γ(T-T0)3]=31530[1-4.0183×10-5(T-25)-7.9290×10-8(T-25)2-5.8329×10-13(T-25)3](4)式中T0=25℃为参考温度;f(T)为T温度时对应的传感器输出频率(Hz)。由此可知,ZYtw(115°/-12°)切型的音叉式石英温度传感器的标称频率为31.530kHz,一阶频率-温度系数为-4.0183×10-5K-1,二阶频率-温度系数为-7.9290×10-8K-2和三阶频率-温度系数为-5.8329×10-13K-3。说明该传感器作为高精度温度测量是可行的。在此基础上,经过后续常规测频电路和软件倍频后,石英温度传感器在-70～160℃范围内分辨率可达0.03℃/Hz,功耗仅为2μW。采用阶跃响应法对ZYtw(115°/-12°)切型的音叉式石英温度传感器进行动态特性测试,结果如图6所示。取测得的传感器整个阶跃响应的63.2%所需时间为音叉式石英温度传感器动态响应时间T=4.5s。石英温度传感器的无线传输方式的选择基于压电悬臂梁弯曲振动的微分方程,考虑了剪切变形和转动惯量对压电石英悬臂梁弯曲振动的影响,推到出石英晶体悬臂梁的弯曲振动频率公式。并采用可视化设计方法对压电活力、单一振动频率和一阶频率-温度系数进行优化设计,获得了适合载人航天温度监测要求的石英温度传感器热敏切型。其静、动态特性测试结果表明该传感器的各项性能指标能够达到载人航天各项温度实时监测的要求,验证了设计方法的正确