石英晶體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

1、東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題 目 石英晶體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 院 系 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 2014年7 月 15日任務(wù)書(shū)課程 傳感器課程設(shè)計(jì)題目 石英晶體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè) 姓名 主要內(nèi)容：本設(shè)計(jì)對(duì)利用石英晶體構(gòu)成溫度的傳感器的方法做出較深入的研究，結(jié)合其他熱敏電阻的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的比較，并對(duì)石英晶體傳感器的原理及石英晶體傳感器原理做出詳細(xì)的介紹，并結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量系統(tǒng)?；疽螅?分析石英晶體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)方案；2分析設(shè)計(jì)中各個(gè)電路的工作原理；3詳細(xì)說(shuō)明所選用傳感器的基本工作原理、畫(huà)出應(yīng)用電路電路圖、注明元器件選取參數(shù)。4設(shè)計(jì)思路清晰明

2、確，原理分析簡(jiǎn)單，電路結(jié)構(gòu)完整。主要參考資料：1 曾興雯、劉乃安、陳建.高頻電路原理與分析M.西安：電子科技大學(xué)出版社，2007.37-97. 2 馬洛夫著翁善臣譯.壓電諧振傳感器M .北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1984.47-61.3 姚守拙.壓電化學(xué)與生物傳感器M.湖南：湖南師范大學(xué)出版社，1997.39-41.4 陳小林，王祝盈，謝中等.石英晶體溫度傳感器的應(yīng)用J.傳感器技術(shù)，2002(5)：55-575 謝勝秋，宋國(guó)慶.諧振式水晶溫度傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展預(yù)測(cè)J.傳感器技術(shù)，2002（2）：1-4完成期限 指導(dǎo)教師 專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人 2015年 7 月 1 日摘 要溫度測(cè)量是工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)

3、。采用石英晶體作為溫度傳感器，利用石英晶體對(duì)溫度的靈敏度高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)結(jié)合其他熱敏電阻的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的比較，并介紹了諧振式石英晶體溫度傳感器的基本原理，給出了用單片機(jī)測(cè)量溫度的基本電路，分析了測(cè)量算法，給出了軟件流程圖。以80C552 單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了石英晶體溫度傳感器的數(shù)字溫度計(jì)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定可靠、溫度測(cè)量精度高。同時(shí)給出了溫度測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：石英晶體；溫度敏感性；單片機(jī)；數(shù)字濾波目 錄石英晶體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)1一 、設(shè)計(jì)要求11、功能與用途12、課題意義13、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)21、方案一：熱敏電阻

4、測(cè)量22、方案二：熱敏電阻PT10033、方案三：石英晶體溫度傳感器3三、傳感器工作原理4四、電路的工作原理6五、單元流程設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇71、測(cè)量流程設(shè)計(jì)72、參數(shù)計(jì)算83、器件選擇8六、總結(jié)9參考文獻(xiàn)10石英晶體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)一 、設(shè)計(jì)要求1、功能與用途石英晶體傳感器是利用石英晶體即二氧化硅的結(jié)晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱(chēng)為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱(chēng)為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金

5、屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。2、課題意義掌握高頻電子電路的基本設(shè)計(jì)能力及基本調(diào)試能力，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)跳線可實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)變換的晶體正弦波傳感器。提高電子電路的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力，能夠正確使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測(cè)。3、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀石英晶體產(chǎn)業(yè)隨著IT產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和亞洲經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，去年下半年以來(lái)又開(kāi)始蒸蒸日上，從水晶材料、石

6、英晶片、石英晶體元器件到石英晶體專(zhuān)用儀器設(shè)備都急劇增長(zhǎng)，處于供不應(yīng)求的形式。如美國(guó)SAUNDERS公司、TRANSAT公司，據(jù)說(shuō)訂單加班生產(chǎn)也滿足不了用戶(hù)急需的需求。根據(jù)JEI的統(tǒng)計(jì)，日本1999年石英晶體元器件產(chǎn)量41.59億只，產(chǎn)值為201648百萬(wàn)日元，平均單價(jià)為48.5日元。我國(guó)去年產(chǎn)量（據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)）約為14億只，但產(chǎn)值僅約10億元，平均單價(jià)只約0.71元、由此可見(jiàn)，雖然從產(chǎn)量上說(shuō)，我們已成了石英晶體元器件的主要生產(chǎn)國(guó)家之一，但產(chǎn)品的技術(shù)含量和檔次低，產(chǎn)品的利潤(rùn)微乎其微。暫時(shí)因?yàn)槲覀兣c日美等發(fā)達(dá)國(guó)家存在的技術(shù)差距較大，一直吃著發(fā)達(dá)國(guó)家的科技“剩飯”，在全球性產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，日美等發(fā)達(dá)

7、國(guó)家將勞動(dòng)密集型產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到中國(guó)、泰國(guó)等發(fā)展中國(guó)家與地區(qū)，而大力發(fā)展技術(shù)密集、知識(shí)密集和智力密集的SMD晶體、晶體濾波器和晶體傳感器等產(chǎn)品。發(fā)展中國(guó)家由于產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平低、高技術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后，不得不接受這種國(guó)際分工，不得不接受發(fā)達(dá)國(guó)家淘汰和即將淘汰的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。為了縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距、實(shí)踐技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的跨越式發(fā)展，我們應(yīng)重視高素質(zhì)人才的培養(yǎng)與使用，加強(qiáng)高技術(shù)、高附加值和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等產(chǎn)業(yè)方面研究開(kāi)發(fā)投入，在二十一世紀(jì)使我國(guó)石英晶體產(chǎn)業(yè)早日進(jìn)入世界先進(jìn)行列。二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)1、方案一：熱敏電阻測(cè)量如圖1所示是一種常用的熱敏電阻測(cè)量原理電路，由電源，電阻電橋，運(yùn)放和輸出四部分組

8、成。電源部分包括R4，R6，C1，U1B。R4，R6為分壓電路，C1主要濾除Vcc中的紋波，U1B為L(zhǎng)M324運(yùn)放，工作于電壓跟隨方式，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低，為后級(jí)電橋提供穩(wěn)定的電流。電橋由R1，R2，R3，R13及U2（熱敏電阻）組成，通過(guò)調(diào)節(jié)R13使電橋平衡，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻阻值發(fā)生變化，電橋產(chǎn)生電位差。運(yùn)放電路由R7，R8，R9，R10及U1A組成，這是一種靈敏度高的電橋放大電路，放大倍數(shù)由R9/R8得到。輸出電路由R5，R12，R14，D1組成，調(diào)節(jié)R14可以調(diào)整輸出電壓幅度。D1主要用于防止輸出負(fù)電壓，保護(hù)后級(jí)A/D電路。其他電阻類(lèi)傳感器的工作原理與此相似，也可以

9、分成以上幾部分。熱敏電阻的指數(shù)曲線特性難補(bǔ)償，線性差。圖1 熱敏電阻溫度采集電路2、方案二：熱敏電阻PT100如圖2所示是PT100溫度采集電路，該電路采用穩(wěn)壓恒流電路及電橋的組合，使得電路有較好的平衡性與靈敏性。由于Pt100的變化范圍較小，所以前級(jí)的放大就十分的重要，要求前級(jí)誤差小U1A（TL082）穩(wěn)壓使避免了電源對(duì)電橋的影響，同時(shí)有十分準(zhǔn)確的電壓保證后級(jí)通過(guò)Pt100的電流恒定。后級(jí)的差分放大是對(duì)Ui的放大，通過(guò)調(diào)節(jié)R6就能對(duì)不同溫度段進(jìn)行精確的測(cè)量，同時(shí)R6還起到標(biāo)定的作用。電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，Pt100的線性很好，測(cè)量范圍為從200650。圖2 PT100溫度采集電路3、方案三：

10、石英晶體溫度傳感器石英諧振器的振蕩頻率隨溫度而變化。采取特殊的切割方向， 可以使這種變化加強(qiáng)， 再把這種變化控制成線性或接近線性關(guān)系， 就可以制成一種高靈敏度測(cè)溫傳感器。根據(jù)不同的頻率和切型， 石英晶體溫度傳感器的溫度靈敏度Ct 可以在20Hz/ 到2 850Hz/ 范圍內(nèi)變動(dòng)。對(duì)這一變化進(jìn)行頻率測(cè)量， 可以使溫度分辨力達(dá)到1x10-4，石英傳感器的敏感元件是石英晶體，石英晶體傳感器的原理框圖如圖3所示。非電量石英晶體傳感元件測(cè)量電路電路電源圖3 石英晶體傳感器的原理框圖經(jīng)方案一、方案二和方案三比較，由于石英晶體的主要成份是二氧化硅，其密度為2.65×103kg/，莫氏硬度為7，熔點(diǎn)

11、高達(dá)1750，難溶于水，長(zhǎng)期穩(wěn)定性能好，石英晶體具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)，線性范圍寬，重復(fù)精度高，滯后小，無(wú)熱釋電效應(yīng)，動(dòng)態(tài)特性?xún)?yōu)良，振動(dòng)頻率穩(wěn)定，是其它材料難以代替的。三、傳感器工作原理對(duì)于某些切型的壓電石英晶體，利用其溫度頻率特性做成傳感器，可將溫度的變化轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)制型信號(hào)；而該信號(hào)在傳送與接收過(guò)程中，有很好的抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)與遙控，易于用數(shù)字式儀器測(cè)量，易于與單片機(jī)、計(jì)算機(jī)連接，據(jù)此就可以做成滿足要求的數(shù)字溫度計(jì)。根據(jù)不同的頻率和切型，石英晶體溫度傳感器的溫度靈敏度可以在20Hz/至2850Hz/范圍內(nèi)變動(dòng)，使溫度分辨力達(dá)1×104，而且溫漂、時(shí)漂極小。壓電石英晶體在振蕩

12、電路激勵(lì)下，會(huì)產(chǎn)生各種形式的機(jī)械振動(dòng)。晶片的厚度剪切振蕩如圖4所示，其振蕩頻率為： （1）式中，n：泛音次數(shù)，h：晶片厚度，v：剪切波的速度，：石英晶體密度，：石英晶體彈性系數(shù)；其中h，都是溫度的函數(shù)，這樣，頻率f就成為溫度t的隱函數(shù)f（t）。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)任何一種石英諧振器，其溫度頻率特性f（t）是一條二次或三次拋物線或直線；在200200內(nèi)，在足夠的精度下，石英晶振的頻率特性可用三次多項(xiàng)式表示： （2）這就是石英晶體的溫度敏感特性，式中，為在任意參考溫度時(shí)的頻率；a、b、c分別為一、二、三階頻率溫度系數(shù)，與晶片的切割類(lèi)型及振型有關(guān)。作為溫度傳感器，為了保證較高的靈敏度以及溫度頻率特性有良好的

13、線性，a值要大，且遠(yuǎn)大于b和c的值（最好有bc0），但實(shí)際生產(chǎn)的晶片中二者不可兼得。目前，對(duì)于旋轉(zhuǎn)Y切型YXL5°，有a956×106/（f10MHz），分辨率達(dá)萬(wàn)分之幾度；Ys切型：a80×106/（f5MHz，n3），分辨率高達(dá)4×106/；NL切型線性度很好，其系數(shù)a635×106/，b181×109/，c359×1011/。常見(jiàn)石英溫度傳感器的主要切型、各階溫度系數(shù)及溫度頻率非線性度如表1所示。    對(duì)于線性度很好的石英晶體，被測(cè)溫度較容易測(cè)算，不再贅述；若忽略c，則可由（3）式解得溫

14、度t： （3）表1 常見(jiàn)石英溫度傳感器頻率溫度系數(shù)切型a(×)b(×)C(×)N%(t=±50)YXL/0°Y切型92.557.55.812.5YXL/5°旋轉(zhuǎn)Y切95.663.835.013.4YXL/31°AC切20.023.0118.023.0YXWL/11°10/9°24LC切33.780±0.140±0.230±0.08YXWL/18°54/9°4534.021.870.98顯然，當(dāng)測(cè)得ft后可計(jì)算出被測(cè)溫度。為不失一般性，可用簡(jiǎn)化的牛頓迭代法（

15、3）式求解三次函數(shù)，取t做第一次迭代： (4) 圖4 傳感鏡片的結(jié)構(gòu)與厚度剪切震蕩這樣，既減小了非線性誤差，又便于單片機(jī)運(yùn)算。四、電路的工作原理圖5 單片機(jī)測(cè)溫原理圖由于用于測(cè)溫的石英傳感晶振的振蕩頻率f較高（幾MHz以上），不能用單片機(jī)直接測(cè)量，但經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，可借助D觸發(fā)器測(cè)得其與參考頻率的差值f，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。測(cè)溫電路如圖5所示，由溫度傳感晶振構(gòu)成的傳感器，其輸出的頻率信號(hào)f經(jīng)整形后送到D觸發(fā)器。取單片機(jī)的時(shí)鐘晶振信號(hào)（取稍低于f）為參考頻率并作為D觸發(fā)器的CP信號(hào)，其波形圖如圖3所示。設(shè)TTCPT，初始時(shí)，CP上升沿與D端輸入的傳感方波f的下降沿對(duì)齊，此刻，Q端由高電平跳到低電平，經(jīng)過(guò)

16、k個(gè)CP周期，當(dāng)kTT/2時(shí)，Q端變?yōu)楦唠娖健P周期的個(gè)數(shù)k可由單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值（即機(jī)周期個(gè)數(shù)）n換算而得：k12n。這樣，有TT/（24n），而ff/T/（24n）。此處，與f并非同一晶振的頻率，當(dāng)在初始溫度時(shí)，單片機(jī)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值為（不要溢出）；傳感晶振的溫度為t時(shí)，其頻率的變化應(yīng)當(dāng)是： （5）用迭代法計(jì)算，代入得到第一次迭代的溫度值為： （6）按式計(jì)算出，取f，代入上式做第二次迭代后，即算得較精確的被測(cè)溫度t。為消除偶然誤差，定時(shí)器的n值取其連續(xù)16次測(cè)量值的平均值（除以16易實(shí)現(xiàn)）。迭代計(jì)算依據(jù)上面的分析計(jì)算，其中的算術(shù)運(yùn)算通過(guò)調(diào)用子程序來(lái)完成。五、單元流程設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選

17、擇1、測(cè)量流程設(shè)計(jì)編寫(xiě)程序的框架流程圖如圖6所示，為消除偶然誤差，定時(shí)器的n值取其連續(xù)16次測(cè)量值的平均值（除以16易實(shí)現(xiàn)）。開(kāi)始初始化讀定時(shí)器值16次計(jì)算其平均值迭代計(jì)算顯示圖6 程序框架流程圖2、參數(shù)計(jì)算迭代計(jì)算依據(jù)上面的分析，按照式（8）、（9）、（6）、（9）的順序計(jì)算，其中的算術(shù)運(yùn)算通過(guò)調(diào)用子程序來(lái)完成，其余不再贅述。3、器件選擇 圖7 器件電路表2 元器件清單編 號(hào)名 稱(chēng)型 號(hào)數(shù) 量R1電阻6801R2微調(diào)電阻220K1C1電解電容220u/10V1C2滌綸電容0.01u1IC功率開(kāi)關(guān)ICTWH87511S開(kāi)關(guān)1T開(kāi)關(guān)變壓器自制1六、總結(jié)本方案利用D觸發(fā)器獲取了溫度傳感晶振與單片機(jī)

18、晶振的頻率之差，并經(jīng)單片機(jī)測(cè)量與計(jì)算，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量。本設(shè)備成本低廉，響應(yīng)快，易于與其它數(shù)字設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線點(diǎn)測(cè)溫度。不足之處在于：要求頻率隨溫度而升高的傳感晶振，在參考溫度時(shí)的頻率要略高于單片機(jī)晶振的頻率（如高50Hz），這使得這兩個(gè)石英晶體選取較麻煩。此次課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的總體電路的設(shè)計(jì)的要求更嚴(yán)格，需要通過(guò)翻閱復(fù)習(xí)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)確立了實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)方案，然后逐步細(xì)化進(jìn)行各模塊的設(shè)計(jì)；其次，在過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，需要我們細(xì)心解決，所以這周下來(lái)，我對(duì)電路故障的排查能力有了很大的提高；再次，通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)設(shè)計(jì)所用到的軟件有了更加深刻地了解，這對(duì)我們以后的工作和學(xué)習(xí)的幫助都很有用處。當(dāng)然，經(jīng)過(guò)了課程設(shè)計(jì)，我也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足。但是通過(guò)自己的動(dòng)手動(dòng)腦，既增加了知識(shí)，又給了我專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及專(zhuān)業(yè)技能上的提升，我也會(huì)更加努力，認(rèn)真學(xué)習(xí)，爭(zhēng)取在以后的課程中做得更好！參考文獻(xiàn)1 曾興雯、劉乃安、陳建.高頻電路原理與分析M.西安：電子科技大學(xué)出版社