隨著生產和科技的發(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
(1)
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系
ft=f0[l+α(t-t0)+β(t-t0)2+γ(t-t0) 3] ?。?)
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系,其斜率(即頻率溫度系數(shù))約為1000Hz/℃。
2.石英晶體傳感器結構
石英溫度計通常采用石英振蕩器,構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構。石英傳感器的結構通常如圖 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困難的。
3.石英溫度計主要特性
?、俑叻直媪Ψ直媪_0.001~0.0001℃;
?、诟呔?在一50~120℃范圍內,其誤差為±0.05℃(普通溫度計的誤差一般大于±0.1℃);
?、鄹叻€(wěn)定度 年變化在0.02℃以內;
?、軣釡笳`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;
?、奁渚群头€(wěn)定性可以作為溫度量值傳遞的標準及次級標準使用;
?、呤鞲衅鞯目箯姏_擊性能較差,故在安裝、運輸和使用需特別注意。
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