基于石英音叉温度传感器的测温仪表的设计与实现

　　1引言

　　石英音叉温度传感器具有很高分辨率和稳定性的数字传感器，已经广泛地应用在高精度温度测控仪表中[1]。

　　石英晶体温度传感器具有以下的优点:

　　·传感器输出与温度相对应的频率信号，抗噪声能力强，很容易进行数字信号处理。

　　·石英晶体固有的长期稳定性使得温度传感器具有优良的老化特性。

　　·频率信号具有很高的分辨率，频率低，可实现信号的长线传输，因此该传感器能够测量很小的温度差。

　　·与热电阻和热电偶温度传感器相比，石英晶体温度传感器输出频率信号，供电电源的电压、环境温度的变化对石英温度传感器的影响很小，几乎没有。

　　·振荡电路的功耗极小，适用电池供电的便携式仪表。因此，研制一种基于石英音叉温度传感器的测温仪表，具有测温范围宽、体积小、线性度好、响应速度快、分辨率高满足便携式测温装置的要求。

　　本文主要介绍这种温度仪表的工作原理，电路的设计与实现及关键技术，并给出实际的应用结果。

　　2系统工作原理

　　2. 1石英音叉温度传感器的频率/温度特性

　　石英音叉温度传感器的频率/温度特性f(T)具有非线性，在基准温度T。附近展开成泰勒(Taylor)级数为:

　　式中， α , β和γ 分别是一阶、二阶和三阶频率温度系数，T是测量温度，T。是基准温度。通过适当地选择石英晶体的方位角，使得一阶频率温度系数足够大，二阶、三阶频率温度系数足够小，即 α ≠0， β≈0,γ ≈ 0或者 α ≠0，而一 β≈+γ 时，即传感器的频率/温度特性呈较好的线性关系，实际应用时，往往通过最小二乘法进行拟合。

　　通过对石英音叉温度传感器测量，其特性如下:

　　·标准频率fo= 36kHz·品质因素Q=5.2X104

　　·等效串联电阻R=6ok·负载电容C=15pF

　　·最大消耗功率P≤15μW

　　·温度系数TCF = 70 X 10-6 / °C

　　·响应时间(水介质)T≤2s

　　2. 2等精度数字测频原理

　　直接数字频率测量的基本原理如图1所示，G为控制输入信号的闸门，被测信号输入频率为:

　　闸门时间Tg是固定的，由于Tg闸门开启信号与fx不能同步，因此产生士1Tx的量化误差，当输入信号频率较低时，根据公式(2)可知，N较小，测量精度随之降低。

　　等精度测频率基本原理如图2所示，G1和G2分别控制输入信号周期计数和闸门宽度计时。G1与输入信号同步，所以计数器N,量化误差为dN1=0，计数器2对标准时基Tc计数，则输入信号的频率为: