multisim基于石英音叉的温度传感器设计(2)

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3.3应用CMOS反相器的皮尔斯振荡电路..17

3.4单片机外围电路设计21

四、软件设计.21

4.1频率采集原理及软件实现..21

五、实验过程.25

5.1实验环境.25

5.2实验记录过程27

5.3数据处理.28

5.4实验结果分析29

结论.32

致谢.33

参考文献..34
一、绪论 1.1 科学意义和研究背景在工业、农业、国防和科研等部门中温度是应用最普遍的被测物理量。温度测量在保证产品质量，提高制造效率，节约能源，生产安全，等诸多方面起到了至关重要的作用。随着电子技术、计算机技术的飞速发展，对现场温度的测量也由过去的刻度式温度计、指针式温度计向数字显示的智能温度计方向发展，同时，对测量的精度要求也在提高。目前，国防工业、石油生产测井、地震海啸预警和医疗卫生行业迫切需要一种温度分辨率优于0.001℃、准确度为 0.05℃以上的温度传感器，例如在诊断胃、肠癌时，必须测量出温差仅差0.1℃癌细胞和健康细胞；利用冰点温度法测量物质纯度时，也需要温度分辨率优于 0.001℃的传感器；地震和海啸监测与地热异常预警时需要一种温度分辨率优于 0.00l℃、长期稳定性优异的温度传感器。【17】这都表明了这些行业需要一种新型的传感器以实现传统测温手段所达不到的指标。由于石英晶体温度传感器具有以下的优点: (1)传感器输出与温度相对应的周期频率信号,这种信号抗噪声能力强,易进行数字信号处理。 (2)由于石英晶体固有的长期稳定性，使温度传感器也具有了老化缓慢的特性。 (3)频率信号的测量具有极高的分辨率,因此传感器能够探测极小的温度差。 (4)与热电阻和热电偶等传统的温度传感器相比,石英晶体温度传感器输出的频率信号比电压信号更加不易受到电源供电电压和环境温度变化的影响。 (5)振荡电路的功耗极小,可直接使用电池供电，制作成便携式仪表。【14】基于以上优点，研制一种基于石英音叉温度传感器的测温仪表，能够满足现代温度测量对测量仪表的一些苛刻要求。
1.2 国内外发展现状精确测量在现代计量学中越来越重要，而传统的热电偶以及半导体式的测温方式已经不能满足，高技术的控制测量和生产。以前传统的传感器只提供模拟信号的输出，而这些信号很容易受到环境和噪声的影响，因此需要进行滤波处理，然而滤波处理又会影响传感器的频带宽度，不仅如此，这些传统的传感器还需要进行信号的放大以及 AD 转换，这又使它们需要单独进行校准并且缺乏互换性，甚至降低灵敏度造成输出曲线的非线性。近几年，出现了一批应用机械谐振来测量温度的传感装置，基于温度的变化引起频率的偏移的原理。基于石英的谐振频率随温度变化的原理来测量温度已经有很长时间了，早在1960 年 Wade, Slutsky 和后来的 Smith, Spencer 就提出了一种应用 Y 切型石英晶体的温度传感器。之后，Hammond 经过研究，又制作出了一种被命名为 LC 切型的石英晶体，这种晶体的温度频率特性具有稳定的线性关系。虽然这些传感器具有很高的灵敏度和精度，但是同时也有很明显的缺点，它们需要很长的响应时间，并且体积较大，功耗比较高。为了降低传感器的功耗，具有高 Q 值的音叉型谐振器引起了人们的关注源]自{751^*论\文}网·www.751com.cn/ 。Dinger 首先制作出了一种小型的扭曲振动模式的音叉型石英传感器。之后，应用一种与传统石英表中的晶轴旋转完全不同的一种石英晶体制作的弯曲振动模式的石英音叉首先由 Ueda 制作出来，由于相对较低的谐振频率，应用光刻法和蚀刻技术，使我们可以使用低功耗的 CMOS 电子器件来组成谐振电路，来降低功耗。并且，低廉的制造成本，高精度和完全是数字化的输出信号使人们对这种传感器研究和制造产生了很大的兴趣，越来越多的传感器制造厂商开始开发基于石英晶体的温度传感器。【5】目前国内、外已经实用化的 PQS（便携式石英温度传感器）主要有三种：（1）美国 Hewlett．Packard 公司生产的采用 Lc 切型的圆透镜式 PQS，已应用于 HP2804 等石英晶体精密测温仪中。（2）日本东京电波公司生产的彩 Y0°或 Y5°切型圆透镜式 PQS，己应用于DTM610 型石英晶体温度计。（3）中国哈尔滨龙成智能仪表公司生产的石英音叉 PQs，已应用在 14 不同种型号的 wBQY 系列石英 QTS 中。其中（1）、（2）的温度分辨率高，分别为0.0001℃和 0．00l℃；准确度高，可达 0．0l℃和 0．05℃；但是体积大，响应速度慢，响应时间在 5 分钟左右；（3）的分辨率低于前两者，但是响应时间短，仅需2s，但测温范围窄，测温上限低，通常在 80℃以下，主要原因是内引线采用胶合法，封装盒采用冷焊法。此外，（1）所使用的 Lc 切型圆透镜式 PQS 具有线性温度特性，在 40℃～230℃范围内线性度为 0.05％，灵敏度为 36×10^-6℃，但是它的晶体双转角切型对 x光定向、切割精度要求苛刻，因此成品率低，生产成本高。（2）所使用的 Y5°切型是一种单转角切型，它的一阶温度系数较大，可达 96×10^-6/℃，但因为其线性度较差，需进行线性化处理。【17】