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      2. 石英晶體溫度傳感器及其測溫技術(shù)

        發(fā)布時間:2024-03-01
        隨著生產(chǎn)和科技的發(fā)展,許多地方對溫度測量與控制的要求愈來愈高,而普通常規(guī)溫度傳感器難以滿足要求,需要高精度、高分辨力的溫度傳感器和測溫儀器。而石英晶體溫度傳感器及溫度計就是具有高分辨力(0.000 1℃)、高線性度 (0.002%)和高穩(wěn)定性,適合中低溫測量的新型溫度傳感器和測溫儀器。
        1.工作原理
        利用石英晶體的固有頻率隨溫度變化而變化的特性來測溫的儀器,稱為石英溫度計。
        石英的固有振動頻率可用下式表示
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        式中,f為固有振動頻率;n為諧波次數(shù);b為振子的厚度;σ為密度;c為彈性常數(shù)。
        石英振子的頻率還與溫度具有下列近似關(guān)系
        ft=f0[l+α(t-t0)+β(t-t0)2+γ(t-t0) 3]  (2)
        式中,f0為在溫度為t0時的頻率;f0為在溫度為t時的頻率;t0為基準參考溫度;α,β,γ為一次、二次、三次冪的溫度系數(shù)。
        系數(shù)α,β,γ隨石英晶體的切割角度的改變而變化。當(dāng)切割角度不同時,溫度系數(shù)也明顯不同,說明石英的頻率溫度系數(shù)既是切割角度的函數(shù),又是溫度的函數(shù)。所謂頻率溫度系數(shù),是指溫度增加1℃時,其頻率變化的相對偏移量。大量研究和實驗表明采用y切割的石英晶體片的振蕩頻率與溫度呈線性關(guān)系,其斜率(即頻率溫度系數(shù))約為1000hz/℃。
        2.石英晶體傳感器結(jié)構(gòu)
        石英溫度計通常采用石英振蕩器,構(gòu)成一個決定頻率的諧振回路,而石英振子部分,通常采用易接受溫度變化的結(jié)構(gòu)。石英傳感器的結(jié)構(gòu)通常如圖 所示,石英振子置于不銹鋼保護管的上部,使其對外界溫度變化敏感。由支柱支撐,振子的兩面粘貼有用金等性能穩(wěn)定的金屬或合金制成的電極,并用引線與外部連通。石英振子雖由支柱支撐,但是它將阻礙振子振動,并且,外界振動及沖擊等又要改變其支撐位置,都對精確測溫不利。然而,若使石英片自由振蕩,支撐位置又不受沖擊是相當(dāng)困難的。
        3.石英溫度計主要特性
        ①高分辨力分辨力達0.001~0.0001℃;
        ②高精度 在一50~120℃范圍內(nèi),其誤差為±0.05℃(普通溫度計的誤差一般大于±0.1℃);
        ③高穩(wěn)定度 年變化在0.02℃以內(nèi);
        ④熱滯后誤差小,可以忽略;
        ⑤因是頻率輸出型傳感器,后續(xù)測量與處理電路設(shè)計方便、簡單,且可不受放大器漂移及電源波動的影響,可方便地遠距離(如1500m)傳送溫度測量信號;
        ⑥其精度和穩(wěn)定性可以作為溫度量值傳遞的標準及次級標準使用;
        ⑦石英傳感器的抗強沖擊性能較差,故在安裝、運輸和使用需特別注意。
        圖1 石英溫度傳感器
        1-石英片;2-支柱;3-電極;4-引線
        4.溫度計的標定
        由頻率與溫度的關(guān)系式(2)可知,只要確定了式中的α,β,γ的值,就可利用式(2)求得被測溫度。下面以某國產(chǎn)標準低溫石英溫度計標定為例作一介紹。
        該種溫度計的測溫范圍為-80~0℃;測溫的不確定度為15mk;分辨力為2~0.2mk,標定時選用水的三相點溫度作為基準參比溫度t0,以一等標準鉑電阻溫度計作標準,在恒溫槽中與石英溫度計作比較檢定。最后用最小二乘法擬合頻率溫度關(guān)系式,求出α,β,γ三個溫度系數(shù)。標定后的石英溫度計就可投入使用。
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