一种新型石英音叉温度传感器的研究

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1、哈尔滨理工大学工学硕士学位论文一种新型石英音叉温度传感器的研究摘要精确的温度测量是现代测控技术中的重要组成部分。基于不同物理机制的温度测量和控制方法多种多样，虽然基于半导体的集成电路测温技术，可以提供与微电子系统兼容的新颖技术，但是传统的热电偶和热电阻(Ptl00)温度传感器仍然发挥着重大的作用，因为半导体的参数在宽温的范围内变化较大，而半导体集成温度传感器的灵敏度随着个体的不同而明显不同，这意味着需要对此传感器进行不断的校验和较差的互换性，从而导致其消耗比预计的高得多。热电偶的缺点是需要精确的温度参考源、较低的灵敏度和

2、非线性。对于精确的温度测量，特别是在低温范围，敏感元件特性的经常变化。典型的问题是：非线性、低灵敏性、自热、长期稳定性差、输出信号弱和磁场影响。而石英晶体温度传感器由于具有灵敏度高、准确度高、长期稳定性好、动态范围高、互换性好和与微处理器兼容的频率输出信号，因此已经成为微传感器领域重要的研究对象。采用新的热敏切型双旋YZtw(110／100)，已经设计出小型热敏石英音叉谐振器，该谐振器的输出为数字频率信号，谐振器采用弯曲振动模式优于其他切型的传感器的振动模式，对提高子谐振器的线性度以及减少环境等效电阻进行理论分析。采用可

3、变结构方式的机械加工方法调制谐振器的精确频率，同时提高谐振器的灵敏度和减少非线性，因此，该谐振器可以作为温度传感器。采用等精度数字频率测量原理对智能传感器的硬件结构进行设计，采用具有适当时基的计数器起就可以非常容易地对频率进行数字处理，不必进行A／O转换可直接进行数字信号处理，有效地消除中间电路对传感器性能的影响。而这种采用计数器代替A／D转换器的方法可以以较低的代价获取较高位数的计数器、具有良好的动态范围而不受A／D转换器的限制和具有优良的分辨率，其分辨率可达10～。对频率测量的基本原理、误差分析、提高测量精度和分辨率

4、的基本方法进行了分析。结果表明石英音叉温度传感器具有高分辨率，重复性好长期稳定性好和不需频繁校验。对于温度传感器的频率一温度特性非线性校正的算法进行分析，采用分段线性插值和多项式插值的方法，虽然获得较高的精度，但需要精确的温度校正点，内存占用量大，并且保留了所有的测量误差，不太适合嵌入式系统。对此采用哈尔滨理工大学工学硕士学位论文最小二乘法进行数据拟合对温度频率一温度特性曲线进行多项式拟合，计算方法简单，速度快，精度高，内存占用量小，适合于嵌入式系统。从而使数字温度计获得高稳定、高可靠、高精度和高分辨率的性能。最后通过实

5、验表明，采用石英音叉温度传感器的测温计，在一40"C至0160"(3的测量范围内，其测量分辨率0．0056C，准确度0．1℃，响应时间2秒。关键词石英音叉谐振器；温度传感器；等精度数字频率测量：最小二乘法1l哈尔滨理工大学工学硕士学位论文StudyonaNewTypeQuartzTuning-ForkTemperatureSensorAbstractPrecisetemperaturemeasurementisallimportantpartofmodemtechnology．Nowadaystemperaturemea

6、surementandcontroliscarryingoutthroughavarietyofmethodsandtools，basedondifferentphysicalprinciple．Traditionalthermocouplesandplatinumresistancetemperaturetransducersk．g．Ptl00)arestilldominantlyused，althoughsemiconductorbasedelectronicthermometerswouldofferamuchmo

7、reattractivetechnologywithrespecttodirectmicroelectronicscompatibility．However,becauseofthewidespreadvariationofsemiconductorparametervalues，thesensitivityofsemiconductortemperaturesensorsvariessignificantlyfromsampletosample．Thismeansneedforallindividualcalibrat

8、ionandlackinterchangeability,whichcausemuchhighercostasexpectedatthefirstglance．Thedisadvantagesofthermocouplesaretheneedforanaccuratelydefinedreferencetempera