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基于石英晶体温度传感器的数字温度计
基于石英晶体温度传感器的数字温度计 2011年12月09日 来源: 温度是基本物理量之一,在很多场合都要求能快速、准确地测量温度,有些场合甚至还要点测温度值,对这些,传统方法已不能胜任。 对于某些切型的压电石英晶体〔1〕〔5〕,利用其温度-频率特性做成传感器,可将温度的变化转换为频率调制型信号;而该信号在传送与接收过程中,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、计算机连接,据此就可以做成满足要求的数字温度计。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可以在20Hz/℃至2850Hz/℃范围内变动,使温度分辨力达1×10-4℃,而且温漂、时漂极小。1 测温机理 压电石英晶体在振荡电路激励下,会产生各种形式的机械振动。晶片的厚度剪切振荡〔2〕如图1所示,其振荡频率为:式中,n:泛音次数,h:晶片厚度,v:剪切波的速度,ρ:石英晶体密度,μ:石英晶体弹性系数;其中h,ρ,μ都是温度的函数,这样,频率f就成为温度t的隐函数f(t)。 实验表明,对任何一种石英谐振器,其温度-频率特性f(t)是一条二次或三次抛物线或直线;在-200~+200℃内,在足够的精度下,石英晶振的频率特性可用三次多项式表示:这就是石英晶体的温度敏感特性,式中,f0为在任意参考温度t0℃时的频率;a、b、c分别为一、二、三阶频率温度系数,与晶片的切割类型及振型有关。作为温度传感器,为了保证较高的灵敏度以及温度-频率特性有良好的线性,a值要大,且远大于b和c的值(最好有b=c=0),但实际生产的晶片中二者不可兼得。目前,对于旋转Y切型YXL+5°,有a=95.6×10-6/℃(f=10MHz),分辨率达万分之几度;Ys切型:a=80×10-6/℃(f=5MHz,n=3),分辨率高达4×10-6℃;NL切型线性度很好,其系数a=63.5×10-6/℃,b=-18.1×10-9/℃,c=-35.9×10-11/℃。常见石英温度传感器的主要切型、各阶温度系数及温度-频率非线性度如表1所示〔3〕。 对于线性度很好的石英晶体,被测温度较容易测算,不再赘述;若忽略c,则可由(3)式解得温度t〔4〕: 显然,当测得ft后可计算出被测温度。 为不失一般性,可用简化的牛顿迭代法对(3)式求 解三次函数〔3〕,取t=t0做第一次迭代:这样,既减小了非线性误差,又便于单片机运算。2 单片机测温原理 由于用于测温的石英传感晶振的振荡频率f较高(几MHz以上),不能用单片机直接测量,但经分析后发现,可借助D触发器测得其与参考频率的差值Δf,从而实现测温。测温电路如图2所示,由温度传感晶振构成的振荡器,其输出的频率信号f经整形后送到D触发器。 取单片机的时钟晶振信号fCP(取fCP稍低于f0)为参考频率并作为D触发器的CP信号,其波形图如图3所示。设ΔT=TCP-T,初始时,CP上升沿与D端输入的传感方波f的下降沿对齐,此刻,Q端由高电平跳到低电平,经过k个CP周期,当kΔT=T/2时,Q端变为高电平。CP周期的个数k可由单片机定时器的计数值(即机周期个数)n换算而得:k=-12n。这样,有ΔT=T/(24n),而Δf=fCP-f=ΔTfCP/T=fCP/(24n)。此处,fCP与f并非同一晶振的频率,当在初始温度t0时,单片机定时器的计数值为n0(不要溢出); 传感晶振的温度为t时,其频率的变化应当是: 按式(6)计算出f1,取Δf1=Δf-f1,代入上式做第二次迭代后,即算得较精确的被测温度t。 编写程序的框架流程图如图4
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