石英晶体传感器应用电路设计.docx

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石英晶体传感器应用电路设计

东北石油大学

课程设计

课程传感器课程设计

题目石英晶体传感器应用电路设计

院系电气信息工程学院

专业班级测控技术与仪器

学生姓名

学生学号

指导教师

2014年7月15日

任务书

课程传感器课程设计

题目石英晶体传感器应用电路设计

专业测控技术与仪器姓名学号

主要内容：

本设计对利用石英晶体构成温度的传感器的方法做出较深入的研究，结合其他热敏电阻的特点进行详细的比较，并对石英晶体传感器的原理及石英晶体传感器原理做出详细的介绍，并结合单片机实现温度测量系统。

基本要求：

1．分析石英晶体传感器应用电路设计方案；

2．分析设计中各个电路的工作原理；

3．详细说明所选用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、注明元器件选取参数。

4．设计思路清晰明确，原理分析简单，电路结构完整。

主要参考资料：

[1]曾兴雯、刘乃安、陈建.高频电路原理与分析[M].西安：

电子科技大学出版社，2007.37-97.

[2]马洛夫著．翁善臣译.压电谐振传感器[M].北京：

国防工业出版社，1984.47-61.

[3]姚守拙.压电化学与生物传感器[M].湖南：

湖南师范大学出版社，1997.39-41.

[4]陈小林，王祝盈，谢中等.石英晶体温度传感器的应用[J].传感器技术，2002（5）：

55-57

[5]谢胜秋，宋国庆.谐振式水晶温度传感器的现状及发展预测[J].传感器技术，2002

（2）：

1-4

完成期限2014.7.11—2014.7.15

指导教师

专业负责人

2014年7月10日

摘要

温度测量是工业生产中的一个重要环节。

采用石英晶体作为温度传感器，利用石英晶体对温度的灵敏度高、线性度好等优点，本设计结合其他热敏电阻的特点进行了详细的比较，并介绍了谐振式石英晶体温度传感器的基本原理，给出了用单片机测量温度的基本电路，分析了测量算法，给出了软件流程图。

以80C552单片机为控制核心，实现了石英晶体温度传感器的数字温度计技术。

实验结果表明，系统设计合理、工作稳定可靠、温度测量精度高。

同时给出了温度测量系统的硬件结构和软件设计。

关键词：

石英晶体；温度敏感性；单片机；数字滤波

石英晶体传感器应用电路设计

一、设计要求

1、功能与用途

石英晶体传感器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：

从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。

其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。

利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。

由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。

2、课题意义

掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计一个通过跳线可实现串并联变换的晶体正弦波传感器。

提高电子电路的理论知识及较强的实践能力，能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。

3、国内外发展现状

石英晶体产业随着IT产业的飞速发展和亚洲经济的复苏，去年下半年以来又开始蒸蒸日上，从水晶材料、石英晶片、石英晶体元器件到石英晶体专用仪器设备都急剧增长，处于供不应求的形式。

如美国SAUNDERS公司、TRANSAT公司，据说订单加班生产也满足不了用户急需的需求。

根据JEI的统计，日本1999年石英晶体元器件产量41.59亿只，产值为201648百万日元，平均单价为48.5日元。

我国去年产量（据不完全统计）约为14亿只，但产值仅约10亿元，平均单价只约0.71元、由此可见，虽然从产量上说，我们已成了石英晶体元器件的主要生产国家之一，但产品的技术含量和档次低，产品的利润微乎其微。

暂时因为我们与日美等发达国家存在的技术差距较大，一直吃着发达国家的科技“剩饭”，在全球性产业结构调整中，日美等发达国家将劳动密集型产品转移到中国、泰国等发展中国家与地区，而大力发展技术密集、知识密集和智力密集的SMD晶体、晶体滤波器和晶体传感器等产品。

发展中国家由于产业发展水平低、高技术和高技术产业发展相对滞后，不得不接受这种国际分工，不得不接受发达国家淘汰和即将淘汰的技术与产业转移。

为了缩小与发达国家之间的差距、实践技术、经济的跨越式发展，我们应重视高素质人才的培养与使用，加强高技术、高附加值和自主知识产权等产业方面研究开发投入，在二十一世纪使我国石英晶体产业早日进入世界先进行列。

二、设计方案及其特点

1、方案一：

热敏电阻测量

如图1所示是一种常用的热敏电阻测量原理电路，由电源，电阻电桥，运放和输出四部分组成。

电源部分包括R4，R6，C1，U1B。

R4，R6为分压电路，C1主要滤除Vcc中的纹波，U1B为LM324运放，工作于电压跟随方式，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，为后级电桥提供稳定的电流。

电桥由R1，R2，R3，R13及U2（热敏电阻）组成，通过调节R13使电桥平衡，当温度发生变化时，热敏电阻阻值发生变化，电桥产生电位差。

运放电路由R7，R8，R9，R10及U1A组成，这是一种灵敏度高的电桥放大电路，放大倍数由R9/R8得到。

输出电路由R5，R12，R14，D1组成，调节R14可以调整输出电压幅度。

D1主要用于防止输出负电压，保护后级A/D电路。

其他电阻类传感器的工作原理与此相似，也可以分成以上几部分。

热敏电阻的指数曲线特性难补偿，线性差。

图1热敏电阻温度采集电路

2、方案二：

热敏电阻PT100

如图2所示是PT100温度采集电路，该电路采用稳压恒流电路及电桥的组合，使得电路有较好的平衡性与灵敏性。

由于Pt100的变化范围较小，所以前级的放大就十分的重要，要求前级误差小U1A（TL082）稳压使避免了电源对电桥的影响，同时有十分准确的电压保证后级通过Pt100的电流恒定。

后级的差分放大是对ΔUi的放大，通过调节R6就能对不同温度段进行精确的测量，同时R6还起到标定的作用。

电路简单，测量精度高，Pt100的线性很好，测量范围为从－200℃～＋650℃。

图2PT100温度采集电路

3、方案三：

石英晶体温度传感器

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1x10-4℃，石英传感器的敏感元件是石英晶体，石英晶体传感器的原理框图如图3所示。

图3石英晶体传感器的原理框图

经方案一、方案二和方案三比较，由于石英晶体的主要成份是二氧化硅，其密度为2.65×103kg/，莫氏硬度为7，熔点高达1750℃，难溶于水，长期稳定性能好，石英晶体具有较高的机电耦合系数，线性范围宽，重复精度高，滞后小，无热释电效应，动态特性优良，振动频率稳定，是其它材料难以代替的。

三、传感器工作原理

对于某些切型的压电石英晶体，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。

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如图4所示，其振荡频率为：

（1）

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：

（2）

这就是石英晶体的温度敏感特性，式中，为在任意参考温度℃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。

   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：

（3）

表1常见石英温度传感器频率温度系数

切型

a（×）

b（×）

C（×）

N%（Δt=±50℃）

YXL/0°

Y切型

92.5

57.5

5.8

12.5

YXL/5°

旋转Y切

95.6

63.8

35.0

13.4

YXL/31°

AC切

20.0

23.0

118.0

23.0

YXWL/11°10′/9°24′LC切

33.78

0±0.14

0±0.23

0±0.08

YXWL/18°54′/9°45′

34.02

1.87

0.98

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（3）式求解三次函数，取t＝做第一次迭代：

（4）

图4传感镜片的结构与厚度剪切震荡

这样，既减小了非线性误差，又便于单片机运算。

四、电路的工作原理

图5单片机测温原理图

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5所示，由温度传感晶振构成的传感器，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（取稍低于f）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＝－f＝/T＝/（24n）。

此处，与f并非同一晶振的频率，当在初始温度时，单片机定时器的计数值为（不要溢出）；

　　传感晶振的温度为t时，其频率的变化应当是：

（5）

用迭代法计算，代入得到第一次迭代的温度值为：

（6）

按式计算出，取Δ＝Δf－，代入上式做第二次迭代后，即算得较精确的被测温度t。

为消除偶然误差，定时器的n值取其连续16次测量值的平均值（除以16易实现）。

迭代计算依据上面的分析计算，其中的算术运算通过调用子程序来完成。

五、单元流程设计、参数计算和器件选择

1、测量流程设计

编写程序的框架流程图如图6所示，为消除偶然误差，定时器的n值取其连续16次测量值的平均值（除以16易实现）。