新型精密石英晶体温度仪

　　1　引言

　　石英晶体温度仪是一种新型的智能化仪表,它利用石英传感器的谐振频率与被测温度一一对应关系制作的。与传统的铂电阻等模拟传感器不同,石英温度传感器的工作机制是“谐振”,其优点如下:

　　(1)稳定性高(可达10-10~10-12),时间漂移小,其误差远小于铂电阻温度计。俄罗斯Малов教授指出:“现在广泛应用的铂电阻温度计的非线性较大,在0~100℃范围内达到0·55℃,而　　石英温度计在该范围内却不超过0·07℃[1]”。

　　(2)分辨率佳,可达10-3~10-6℃[2],“其灵敏度大大高于绝大多数温度传感器和温度计,其中包括铂电阻温度计”[1]。

　　(3)长期稳定性极好。“1年内可达0·001℃~0·01℃,在12年内也可达0·002℃~0·02℃”[1]。

　　(4)输出信号是频率,可省略A/D变换器[2],进入微处理器。

　　(5)导线的接触电阻和导线的长度以及电源电压的稳定度测量准确度无影响,这是铂电阻温度计无法比拟的。

　　(6)石英传感器的Q值(品质因数)很高,其热敏特性仅由石英传感器决定;此外其外围电路又是数字电路,因此无温漂,仪表周围环境温度的变化几乎对准确度无影响。

　　(7)其工作原理是谐振,在超低温(4K)时灵敏度下降很少;而铂电阻等靠分子热运动,因此灵敏度下降剧烈,并且铂电阻在50K温度时存在拐点,在20K时灵敏度为零。

　　目前国内、外的专家从事石英晶体温度计的研究[1-8]大都致力于线性切型的探索和小型化等。笔者认为,由于微处理技术的飞速发展,最关键的是提高传感器的一致性。只要有效地　　利用其良好的重复性和长期稳定性,采用单片机和软件就可以制造特性优异的石英温度计。

　　本文以提高传感器的一致性为重点,探讨石英温度计的设计、补偿等。

　　2　智能石英温度计的工作机制

　　谐振式石英温度传感器是它的基础和关键。通常,厚度切变C模式石英谐振器的谐振频率f(T)可以用下式表示[1]:

        显然,不必计较切型的非线性,重点是其温度灵敏度、一致　性和低寄生模式特性。石英温度传感器的一致性主要是

　　(1)在参考温度时传感器频率的一致性,

　　(2)频率—温度特性斜率的一致性。

　　前者是由晶体研磨、抛光、镀膜工艺和老化工序决定的,后者是由晶体的切型、x射线定向、切割和研磨工艺精度决定的。

　3　谐振式石英温度传感器切型的设计与加工

　　国际上报导的切型如表1所示[1~5]。