摘要:研制成功一种高精密、高稳定的石英温度仪,其温度测量范围为-60℃~180℃,测温误差≤0·05℃;电源电压的变化以及仪表工作环境温度的变化对测温准确度影响极小。文中介绍了研制的谐振式石英晶体温度传感器的设计方法、制作工艺和实测特性以及MAX2620集成电路的技术指标和在该仪表中的应用电路。
1 引言
石英晶体温度仪是一种新型的智能化仪表,它利用石英传感器的谐振频率与被测温度一一对应关系制作的。与传统的铂电阻等模拟传感器不同,石英温度传感器的工作机制是“谐振”,其优点如下:
(1)稳定性高(可达10-10~10-12),时间漂移小,其误差远小于铂电阻温度计。俄罗斯Малов教授指出:“现在广泛应用的铂电阻温度计的非线性较大,在0~100℃范围内达到0·55℃,而 石英温度计在该范围内却不超过0·07℃[1]”。
(2)分辨率佳,可达10-3~10-6℃[2],“其灵敏度大大高于绝大多数温度传感器和温度计,其中包括铂电阻温度计”[1]。
(3)长期稳定性极好。“1年内可达0·001℃~0·01℃,在12年内也可达0·002℃~0·02℃”[1]。
(4)输出信号是频率,可省略A/D变换器[2],进入微处理器。
(5)导线的接触电阻和导线的长度以及电源电压的稳定度测量准确度无影响,这是铂电阻温度计无法比拟的。
(6)石英传感器的Q值(品质因数)很高,其热敏特性仅由石英传感器决定;此外其外围电路又是数字电路,因此无温漂,仪表周围环境温度的变化几乎对准确度无影响。
(7)其工作原理是谐振,在超低温(4K)时灵敏度下降很少;而铂电阻等靠分子热运动,因此灵敏度下降剧烈,并且铂电阻在50K温度时存在拐点,在20K时灵敏度为零。
目前国内、外的专家从事石英晶体温度计的研究[1-8]大都致力于线性切型的探索和小型化等。笔者认为,由于微处理技术的飞速发展,最关键的是提高传感器的一致性。只要有效地 利用其良好的重复性和长期稳定性,采用单片机和软件就可以制造特性优异的石英温度计。
本文以提高传感器的一致性为重点,探讨石英温度计的设计、补偿等。
2 智能石英温度计的工作机制
谐振式石英温度传感器是它的基础和关键。通常,厚度切变C模式石英谐振器的谐振频率f(T)可以用下式表示[1]:
显然,不必计较切型的非线性,重点是其温度灵敏度、一致 性和低寄生模式特性。石英温度传感器的一致性主要是
(1)在参考温度时传感器频率的一致性,
(2)频率—温度特性斜率的一致性。
前者是由晶体研磨、抛光、镀膜工艺和老化工序决定的,后者是由晶体的切型、x射线定向、切割和研磨工艺精度决定的。
3 谐振式石英温度传感器切型的设计与加工
国际上报导的切型如表1所示[1~5]。
LC切型[1]是石英晶体的双转角切型,其频温特性是线性的,但是它对工艺精度要求苛刻,此外,一阶温度系数较小(35×10-6/℃)。Y5°切型[2]石英晶体的单转角切型,其一阶温度系数 很高,为90×10-6/℃,但是该切型的频率—温度曲线很陡,因此对工艺精度要求也比较高。上述两种切型用于大批量生产的谐振式石英温度传感器皆不适宜。那么,在该切型附近是否能寻 找一种新切型,使切割角的改变对温度系数影响较小呢?相对于晶体的x轴(电轴)把Y(机械轴)逆时针旋转一个角θ所获得的切型:旋转角为-5∽10°时,压电活力最大,而旋转角为在65~90°时压电活力几乎为零,因此在5∽10°范围内选取新切型。对于该切型晶片(15mm)的厚度切变振动模式,其一阶温度系数,二阶温度系数,实测值示于表2
4 石英温度传感器的制作
此传感器使用材料Q值为250万、包裹体小于8个/cm3、腐蚀隧道密度小于30条/cm2的A级石英晶体制作。为了降低寄生振动模式的干扰,减少装架时带来的“支架效应”,把晶片加工 成平凸透镜形,为了减少传感器的时间常数,提高其响应速度, 采用示于图1的晶片。内引线利用Au-Si共晶焊料焊接,传感器底座是柯伐材料。以柯伐丝/玻璃绝缘子结构作为外电极,不 仅保证了气密性,而且可靠性高。
5 石英温度探头及其规一化
石英温度探头是智能化石英温度计的核心部件之一。其中的振荡器是温度探头的关键器件,它可以把被测温度变为频率信号输出。其外形图如图2所示。温度探头的保护管以不锈钢 材料制作,振荡电路装在接线盒内。振荡电路至温度数字显示器的距离为0·3~100m。传感器以5V电源供电。为了防止由于外引线移动,导致传感器并联电容的变化,保护管内充满了经 酸处理的氧化铝粉。图2中,d=16mm
实验表明,在被测温度范围内谐振式石英温度传感器的动态电阻变化2~4倍。显然,为了获得高精度传感器,振荡频率应不随负载的变化而改变。此外,电源电压的变化和电路周围 环境温度的变化也是影响传感器准确度的不良因素[7]。当通过石英温度传感器的电流小于0·3mA时,传感器本身发热产生的温度误差不会超过0·0002℃[4]。因此,应使电流小于0·3mA。因此,选择了集成电路MAX2620和单片机89C52作为主要部件。
集成电路MAX2620包括下述基本电路单元[9]:构成科尔皮兹(COLOITTS)振荡电路的晶体三极管、偏压用恒流源电路以及差动输出缓冲放大器。它的主要特点如下:①恒流源具有温度补偿功能,由于该集成电路存在输出缓冲功能,因此,无论环境温度的变化或者负载的波动,皆不能影响振荡的稳定度。②相位噪声小,可达-110dB/Hz。③工作电压范围宽,可在+2.7~+5·25V范围内正常工作。④功耗低,电压为3·3V,功耗为2·7mW;待机时为0·3μw。⑤即使电源电压波动较大,也能稳定地工作。
虽然严格地控制晶体的x射线定向、切割、研磨和调频工艺,能够保证一致性,但是在大批量生产时,考虑到成品率,其频率也只能控制在0·125KHz范围,这等效于频温特性的斜率误差 在±0·2%以内,换算成温度误差T≈0·14℃。这对于制作高精度温度仪表(0·05℃)还有较大差距。因此在制作温度探头时必须进行补偿,以提高温度探头的互换性。在图2所示的接线盒中,装入一枚移位寄存器,并且把修正各传感器频温特性系数A、B、T0、fT0的数据存放其中时,则该石英温度探头具有互换性。
6 传感器的外围电路
其电路图如图3所示。
该温度仪中的单片机软件利用公式(1)的多项式计算与查表法相结合的办法,求得被测温度值。此方法不仅运算速度快, 而且计算的准确度高。测温仪采用LED5位数字显示,根据使 用要求,温度探头至数字显示器利用3~100m的同轴电缆连接。
7 实验结果与讨论
利用美国S&A公司制造的150D型晶体阻抗仪、美国惠普(HP)公司生产的HP5335A频率计数器、HP E5100A网络分析仪、一等标准铂电阻温度计、标准恒温水槽、标准恒温油槽和标准酒精恒温槽,测得谐振式石英晶体温度传感器和温度仪的主要技术指标如下:
(1)体温度传感器
参考频率:f0=10.587762MHz 动态电阻:38Ω温度灵敏度:964Hz/℃ 热时常数:3S(水介质)静态电容:12pF Q值:2·1万
(2)温度测量仪
工作模式:石英晶体振荡式;测温范围:-60~+180℃; 测温误差:±0·05℃;温度分辨率:±0·01℃; 响应时间:7S(标准温度探头);电源电压变化产生的测温误差: 0·008℃(变化±10% 时); 环境温度变化产生的漂移误差:±0·02(温度变化100℃时);仪表电源:220V±10%AC 10VA
8 结束语
本文介绍了一种高精密、高稳定的石英温度仪。它采用新型谐振式石英晶体温度传感器和MAX2620型集成电路。它有效地利用了谐振式石英温度传感器优异的重复性、一致性以及对电源电压变化的不灵敏特性,充分地使用了MAX2620的科尔皮兹振荡、恒流电源、差动输出缓冲放大电路,制成了高精度、高稳定、高可靠的石英温度仪。
9 参考文献:
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作者简介:林金秋,女,硕士研究生。研究方向:现代信号处理、自动化仪表和新型传感器。
