石英音叉溫度傳感器測(cè)試系統(tǒng)

?ば煬?+孟月霞+劉春花+馬靜

摘要：石英音叉溫度傳感器一種高精度準(zhǔn)數(shù)字溫度傳感器，輸出為頻率信號(hào)。它采用石英音叉諧振器作為熱敏元件，將外界溫度的變化轉(zhuǎn)換為石英音叉諧振器諧振頻率的變化。為實(shí)現(xiàn)對(duì)該傳感器特性的測(cè)試，開發(fā)了基于LabVIEW的特性測(cè)試系統(tǒng)，為進(jìn)一步優(yōu)化傳感器的性能打下基礎(chǔ)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0℃到100℃的溫度范圍內(nèi)，該傳感器的靈敏度為2979Hz/℃，遲滯度為0023%，非線性誤差為0019%，分辨力為005℃。該傳感器具有體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；其測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、性能穩(wěn)定，為該傳感器的特性提供了一種可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：石英音叉；溫度傳感器；LabVIEW；測(cè)試系統(tǒng)

DOI：1015938/jjhust201702009

中圖分類號(hào)： TP2129

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2017）02-0044-06

Abstract：Quartz tuning fork temperature sensors （QTFTS） is a kind of high precision digital temperature sensor， which has digital signal output and uses quartz tuning fork resonant device as thermal applications It can convert the change of ambient temperature to the change of resonance frequency of quartz tuning fork resonator Aimed at to study the characteristics and provide theory basis for further optimization of the sensor， the test system for QTFTS based on LabVIEW has been successfully developed The experimental results show that in 0℃ to 100℃ temperature range， the sensor has a high thermosensitivity of 2979Hz/℃， hysteresis degree of 0023%， linearity of 0019% and resolution of 005℃ respectively The results show that the sensors have the advantages of small bulk， low cost， high precision and so on Furthermore， the test system features good stability and reliability， furthermore， it provides a feasible solution for testing the characteristics of the sensor

Keywords：quartz tuning fork；temperature sensor；LabVIEW；testing system

0引言

溫度傳感器是各種傳感器中最為常用的一種，占整個(gè)傳感器市場(chǎng)總需求量的40%以上，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域，如國(guó)防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等[1]。

溫度傳感器是將非電學(xué)物理量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。傳統(tǒng)的工業(yè)溫度傳感器按照材料及電子元件特性可分為鉑電阻和熱電偶兩類，前者具有良好的測(cè)溫精度和穩(wěn)定性，但功耗較大，需通過A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器連接，會(huì)損失測(cè)量精度；后者需要恒定的溫度參考源，靈敏度低且非線性較高。而石英音叉溫度傳感器是通過石英晶體頻率溫度特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)，輸出為頻率信號(hào)，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、不需要A/D轉(zhuǎn)換可直接與微處理器相連等優(yōu)點(diǎn)，在精密的溫度測(cè)量領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用[2-4]。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)石英音叉溫度傳感器特性的準(zhǔn)確測(cè)試，就需要開發(fā)性能穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)的測(cè)試系統(tǒng)。目前，市面上針對(duì)該傳感器的特性測(cè)試系統(tǒng)采用示波器、頻率計(jì)、恒溫槽等設(shè)備輔助完成，而測(cè)試結(jié)果無法直觀的顯示出來，需要進(jìn)一步計(jì)算才能完成對(duì)該傳感器特性的分析。而基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的傳感器特性測(cè)試系統(tǒng)，為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界測(cè)試傳感器特性提供了一種新的解決方案，實(shí)現(xiàn)了軟件即是儀器的轉(zhuǎn)變，可以在上位機(jī)上直接顯示測(cè)試的結(jié)果（如溫度頻率特性曲線、擬合方程、靈敏度等），測(cè)試結(jié)果更加直觀，操作更加簡(jiǎn)單方便[5]。

LabVIEW軟件是由美國(guó)國(guó)家儀器公司創(chuàng)立的應(yīng)用較為廣泛的虛擬儀器集成環(huán)境，采用了一種功能強(qiáng)大的圖形化編程語言——G（Graphics）語言。LabVIEW與其他的編程軟件不同，它是專門為科學(xué)家和工程師設(shè)計(jì)的一種編程環(huán)境，除了具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、事件處理以及內(nèi)置編譯器之外，還內(nèi)置種類豐富的函數(shù)、助手、工具等，具有簡(jiǎn)單易學(xué)、開發(fā)效率高、界面友好、二次開發(fā)方便、操作性強(qiáng)、效果直觀、可移植性高等優(yōu)點(diǎn)，因此被工業(yè)界和學(xué)術(shù)界接受，廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)的采集、過程監(jiān)控、儀表控制、自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)字信號(hào)分析和實(shí)驗(yàn)室研究等方面[6-11]。

本文在對(duì)傳感器理論分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于LabVIEW的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器溫度頻率特性和靜態(tài)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確、快速的測(cè)量，為進(jìn)一步優(yōu)化傳感器的性能打下基礎(chǔ)。

2石英音叉諧振式溫度傳感器

21傳感器工作原理

石英晶體溫度傳感器是準(zhǔn)數(shù)字溫度傳感器，它采用石英音叉諧振器件作為熱敏元件，通過特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)敏感外界溫度，將外界溫度的變化轉(zhuǎn)換為石英音叉諧振器的機(jī)械應(yīng)變，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為諧振頻率的變化，以頻率的偏移來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境中不同物理量的檢測(cè)，即當(dāng)周圍環(huán)境溫度變化時(shí)，石英晶體諧振器的諧振頻率會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)對(duì)頻率變化的測(cè)量，經(jīng)過相應(yīng)的頻率與溫度的轉(zhuǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量[12-14]。石英音叉溫度傳感器與厚度變式石英晶體溫度傳感器相比具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用石英音叉諧振器作為傳感器的敏感元件。

22切型與振動(dòng)模式

作為敏感元件的石音叉諧振器工作于彎曲振動(dòng)模式，采用雙切角石英晶體熱敏切型。石英晶體具有各向異性，通過對(duì)石英晶體切割角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)其諧振頻率對(duì)溫度信號(hào)敏感，提高石英音叉溫度傳感器的靈敏度。該傳感器采用熱敏切型為雙轉(zhuǎn)角XYθΦ-cut切型，其中θ為石英晶體繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度，Φ為石英晶體繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度，如圖1所示。

為了使石英晶體諧振器工作于彎曲諧振模式，可以通過合理設(shè)置石英晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電極來實(shí)現(xiàn)[15-16]。當(dāng)外加交變的激勵(lì)電壓時(shí)，石英音叉工作于彎曲振動(dòng)模式。采用如圖2所示的電極設(shè)置，分別用紅色區(qū)域和藍(lán)色區(qū)域代表石英音叉臂的拉伸應(yīng)變和收縮應(yīng)變，如此一拉一壓造成石英音叉臂的彎曲，如圖3所示。

23石英音叉諧振器的諧振頻率

石英晶體具有各向異性，而石英音叉諧振器的振動(dòng)頻率依賴于Φ角。將石英晶體彎曲振動(dòng)簡(jiǎn)化為壓電懸臂梁的彎曲振動(dòng)，如圖4所示。

壓電懸臂梁，長(zhǎng)度沿y軸方向，在石英音叉沿寬度方向做彎曲振動(dòng)時(shí)，是拉伸和壓縮兩種運(yùn)動(dòng)的合成，在彎曲振動(dòng)中存在一種既不抻長(zhǎng)又不壓縮的中節(jié)面。將石英晶體彎曲振動(dòng)簡(jiǎn)化為壓電懸臂梁的彎曲振動(dòng)，建立彎曲振動(dòng)的微分方程，對(duì)諧振頻率進(jìn)行求解。對(duì)長(zhǎng)為l，寬為w，厚為h的矩形壓電懸臂梁，不考慮剪切形變，和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)梁彎曲振動(dòng)的影響，其振動(dòng)微分方程為

封裝后的石英音叉溫度傳感器由石英音叉諧振器、電極、外殼等組成。通過激光焊接將石英音叉的電極與引出電極的銀線連接，并注入90Pa的惰性氣體氦氣，最后封裝在Φ3mm×8mm的金屬鋁殼中，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示[20]。

3傳感器測(cè)試系統(tǒng)

31測(cè)試系統(tǒng)的搭建

為了對(duì)石英音叉溫度傳感器的特性進(jìn)行測(cè)試，本文搭建了基于LabVIEW的傳感器測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路、頻率采集模塊、恒溫槽、示波器、頻率計(jì)等組成。首先石英音叉溫度傳感器經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路把被測(cè)量的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，然后經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡把頻率信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，最后通過LabVIEW軟件編寫的傳感器測(cè)試系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究。為了對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)用示波器與頻率計(jì)同時(shí)對(duì)輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并把測(cè)量結(jié)果與上位機(jī)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，分析該測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。具體測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

32LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

本文采用USB串口方式把數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)連接起來，通過LabVIEW軟件函數(shù)庫(kù)中的VISA庫(kù)函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)。讀取串口數(shù)據(jù)時(shí)，首先選擇相應(yīng)的串口，設(shè)置參數(shù)（波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、奇偶校驗(yàn)位等），然后判斷是否有數(shù)據(jù)寫入串口，并通過數(shù)值和比較函數(shù)面板對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，具體讀取串口數(shù)據(jù)流程圖如圖8（a）所示。

LabVIEW軟件編程采用模塊化編程，其中的子VI（SubVI）類似于文本編程語言中的函數(shù)，每個(gè)子VI可以實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)，運(yùn)用子VI可以把復(fù)雜的程序分解成簡(jiǎn)單的小程序來解決問題?；贚abVIEW的測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)用子VI實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、分析、保存、打印等功能，然后設(shè)計(jì)便于操作、結(jié)構(gòu)美觀的人機(jī)交互界面來顯示測(cè)試結(jié)果并實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備的控制。具體軟件流程圖如圖8（b）所示。

LabVIEW的編程與傳統(tǒng)的文本語言設(shè)計(jì)不同，它采用的是圖形化的編程語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。本測(cè)試系統(tǒng)首先運(yùn)用讀取串口數(shù)據(jù)的VISA函數(shù)，讀取數(shù)據(jù)采集卡通過串口向計(jì)算機(jī)發(fā)送的頻率數(shù)據(jù)，然后通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理。為了使測(cè)試結(jié)果更精確，可先對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行多次測(cè)量，剔除誤差較大的干擾，再把測(cè)量結(jié)果取平均值進(jìn)行下一步分析，如數(shù)據(jù)的保存、運(yùn)算、打印以及圖形的顯示。測(cè)試系統(tǒng)部分程序框圖如圖9所示。

4測(cè)試結(jié)果與分析

調(diào)節(jié)恒溫槽的溫度，在0℃到100℃之間設(shè)置20個(gè)測(cè)頻點(diǎn)，每隔5℃采集一次數(shù)據(jù)，待溫度恒定20min后，每隔10s采集一次數(shù)據(jù)，共采集20組，求取平均值作為本測(cè)頻點(diǎn)的頻率數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如圖10所示，當(dāng)溫度從0℃到100℃時(shí)，諧振頻率從37086kHz降到36773kHz，滿量程輸出為313Hz。石英音叉諧振式溫度傳感器隨著溫度的升高，諧振頻率下降，即具有負(fù)溫度特性，溫度系數(shù)為-2979Hz/℃，即該傳感器的靈敏度是2979Hz/℃。

由測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)該溫度范圍內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合的相關(guān)系數(shù)為09999，該傳感器的諧振頻率的偏移與溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性。一階擬合后最大偏差為006Hz，非線性誤差為0019%，表明該石英音叉諧振式溫度傳感器具有良好的線性度。

為了對(duì)該傳感器的遲滯性進(jìn)行分析，分別對(duì)該傳感器的升溫過程與降溫過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。測(cè)試結(jié)果如圖11所示，升溫過程和降溫過程輸出頻率的最大偏差值為00719Hz，由此可知傳感器的遲滯度為0023%。

為了對(duì)該傳感器的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，將恒溫槽溫度設(shè)定為25℃，每隔一天檢測(cè)一次，讀取了60個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)。具體測(cè)試結(jié)果如圖12所示。由測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器的基準(zhǔn)頻率為37008Hz，頻率偏移的線性化擬合方程的一階系數(shù)為00002，而一階系數(shù)越小，表明穩(wěn)定性越好，說明該傳感器具有良好的穩(wěn)定性。

在60d的測(cè)試期內(nèi)，石英音叉溫度傳感器的老化現(xiàn)象與時(shí)間直接相關(guān)，而石英音叉諧振式溫度傳感器穩(wěn)定性擬合方程則為傳感器實(shí)際測(cè)量結(jié)果的修正提供了依據(jù)。

為了對(duì)該傳感器的特性進(jìn)一步分析，對(duì)采樣數(shù)據(jù)分別進(jìn)行一階擬合和二階擬合，擬合后的誤差曲線如圖12所示。該傳感器一階擬合后最大偏差為006Hz，標(biāo)準(zhǔn)差為0162Hz，極限分辨力為005℃；二階擬合后最大偏差為0026Hz，標(biāo)準(zhǔn)差為0077Hz，極限分辨力為0025℃，結(jié)果如表1所示。由測(cè)試結(jié)果可知，二階系統(tǒng)擬合后比一階系統(tǒng)誤差更小，精度更高，更接近石英音叉溫度傳感器的實(shí)際模型。

5結(jié)語

本文提出了一種輸出為頻率信號(hào)的雙切角石英晶體的石英音叉溫度傳感器，主要完成了以下四方面的內(nèi)容：

1）分析該傳感器的工作原理、振動(dòng)模式及諧振頻率與溫度的關(guān)系。搭建基于LabVIEW的傳感器測(cè)試系統(tǒng)，完成了對(duì)該傳感器溫度頻率特性的測(cè)試。

2）測(cè)試結(jié)果：該石英音叉溫度傳感器，在0℃到100℃的溫度范圍內(nèi)，該傳感器靈敏度為2979Hz/℃，遲滯度為0023%，非線性誤差為0019%，分辨力為005℃。

3）同時(shí)采用二階擬合的方法，由測(cè)試結(jié)果表明，二階擬合后系統(tǒng)誤差更小，靈敏度更高，更接近于實(shí)際模型。

4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該傳感器特性快速、科學(xué)的測(cè)量。

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