一種基于壓電諧振原理的石英溫度傳感器

一種基于壓電諧振原理的石英溫度傳感器

在載人宇宙系統(tǒng)中，由于載人宇宙中有工程師，他們生活和工作，因此對室內(nèi)溫度和載人物體溫度的監(jiān)測非常重要。首先,在載人航天環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)中,對航天器艙內(nèi)環(huán)境溫度要有嚴(yán)格的控制要求,并且隨著長期載人航天的發(fā)展,對座艙溫度的高精度測量及其微小動態(tài)變化的監(jiān)測顯得越來越重要。高精度溫度監(jiān)測不僅可提高載人航天器的艙內(nèi)環(huán)境控制精度和準(zhǔn)確度,還可提高環(huán)控生保系統(tǒng)的動態(tài)特性。其次,在航天醫(yī)學(xué)監(jiān)督與醫(yī)學(xué)保障系統(tǒng)中,航天員體溫測量是最基本的項目之一,是航天員安全監(jiān)測的重要生理指標(biāo)。目前航天員體溫測量采用的是模擬式熱敏溫度傳感器和配備了常用的水銀體溫計,前者不僅精度低、功耗大、抗輻射和電磁干擾能力差、不便于進(jìn)行數(shù)字信號處理,而且對航天員在疾病、精神緊張和情緒激動等異常狀況時的微小體溫變化更無能為力;后者攜帶、使用和讀取數(shù)據(jù)都不方便,而且易破碎、有汞中毒危險等不安全因素的缺點,僅用做航天員體溫測量的備用器件。因此,在載人航天系統(tǒng)中,尤其長期載人航天的溫度測量,采用高穩(wěn)定性、高精度、低功耗、抗輻射和電磁干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字式石英溫度傳感器可在復(fù)雜惡劣的特殊空間環(huán)境中,準(zhǔn)確、快速、方便地測量和傳輸各項溫度指標(biāo)信號。目前,我國對石英晶體溫度傳感器的研究尚處在初級階段,實際中采用的大多是國外研制的切型,近幾年才研制出高精度的石英晶體溫度傳感器。但由于設(shè)計方法落后、采用的切型復(fù)雜和受國內(nèi)石英晶體加工工藝的限制,影響石英晶體溫度傳感器在我國廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有石英溫度傳感器的響應(yīng)時間均大于10s,功耗約為25W左右。本文提出了可視化計算方法,設(shè)計了一種適用于載人航天高精度、低功耗和響應(yīng)速度快的溫度監(jiān)測的數(shù)字式石英溫度傳感器。石英晶片的溫度特性根據(jù)美國Bechmann教授等人的理論,石英晶體的頻率是隨著溫度的變化而變化。石英溫度傳感器工作機(jī)理是利用石英晶體的振動頻率隨溫度變化的特性來測量溫度的。在-200～200℃溫度范圍內(nèi),石英晶體的頻率-溫度特性可表示為三階多項式:f=f0[1+α(T-T0)+β(T-T0)2+γ(T-T0)3](1)式中:T0為參考溫度(℃);T為待測溫度(℃);f為待測溫度對應(yīng)的頻率(Hz);f0為某參考溫度下的固有頻率(Hz);α=1f0Τ0(?f?Τ)Τ=Τ0α=1f0T0(?f?T)T=T0為一階頻率-溫度系數(shù)(K-1);β=12f0Τ0(?2f?Τ2)Τ=Τ0β=12f0T0(?2f?T2)T=T0為二階頻率-溫度系數(shù)(K-2);γ=16f0Τ0(?3f?Τ3)Τ=Τ0γ=16f0T0(?3f?T3)T=T0為三階頻率-溫度系數(shù)(K-3)?？紤]了剪切變形與轉(zhuǎn)動慣量對壓電懸臂梁彎曲振動頻率的影響,結(jié)合振動力學(xué)理論分析得到壓電懸臂梁的彎曲振動方程,推導(dǎo)出ZYtw(θ/?)雙轉(zhuǎn)角切型音叉式石英晶片的彎曲振動固有頻率公式(在某一參考溫度下):f0=λ24π√3ρs′22wl21√1+Νλ212w2l2(1+s′66ks′22)(2)式中:l為石英晶片的長度(m);w為石英晶片的寬度(m);ρ為石英晶體的密度(kg/m3);sij(i,j=1,2,…,6)為彈性柔順系數(shù)(m2/N);λ為coshλcosλ+1=0的解;Ν=2tanhλtanλ+λ(tanhλ+tanλ)λ(tanhλ-tanλ);k取決于截面形狀的常數(shù)因子。對石英晶體溫度傳感器的設(shè)計而言,不僅要滿足通常壓電石英晶體傳感器對石英晶片的單一振動模式和壓電活力的要求,更重要是在此基礎(chǔ)上,要特殊考慮石英晶體的頻率-溫度特性,即需要獲得高的一階頻率-溫度系數(shù)。在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上,由(2)式對溫度求導(dǎo)可得:α=1f0Τ0(?f?t)Τ=Τ0=Τ(1)w-12Τ(1)ρ-12Τ(1)s′22-2Τ(1)l-12h1+hh′h(3)式中h′h=2Τw-2Τl+11+ks′22s′66(Τs′66-Τs′22);Τ(1)s′22=(ds′22s′22dΤ)Τ=Τ0=1s′22[s11Τ(1)s11cos4?+2s13Τ(1)s13cos2?sin2?+2s14Τ(1)s14cosθsin?cos3?(3-4cos2θ)+S33Τ(1)s33sin4?+s44Τ(1)s44sin2?cos2?];Τ(1)s′66=s11Τ(1)s11[1+cos(2?)]-s12Τ(1)s12[1+cos(2?)]+12s44Τ(1)44(1-cos(2?))+s14Τ(1)s14[sin(2?+3θ)-sin(-2?+3θ)];T(1)siji,j=1,2,…,6為石英晶體一階彈性柔順常數(shù)的溫度系數(shù)(K-1);Τ(1)ρ=(dρρdΤ)Τ=Τ0=-(2a1+a3)=-34.90×10-6(Κ-1);T(1)w=a1=13.71×10-6為寬度方向上的一階線膨脹系數(shù)(K-1);T(1)l=a1sin2(?)+a3cos2(?)為長度方向上的一階線膨脹系數(shù)(K-1);a1=13.71×10-6為石英晶體在X方向上的一階線膨脹系數(shù)(K-1);a3=7.48×10-6為石英晶體在Z方向上的一階線膨脹系數(shù)(K-1)。由式(3)可得ZYtw(θ/?)石英晶片的一階頻率-溫度系數(shù)α的絕對值與石英晶體雙轉(zhuǎn)角θ和?的關(guān)系如圖1所示。用作溫度傳感器的石英晶片,其一階頻率-溫度系數(shù)α不能太小;取|α|≥3.5×10-5K-1為石英晶體溫度傳感器的一階頻率-溫度系數(shù)的最小值。在圖1中取|α|=3.5×10-5K-1的平面橫截后向θ、?平面進(jìn)行投影,可得到ZYtw(θ/?)雙轉(zhuǎn)角石英晶片的θ、?的取值范圍,如圖2所示的陰影區(qū)域。同樣的,采用可視化計算方法可獲得具有單一頻率,高壓電特性良好的頻率-溫度特性的雙轉(zhuǎn)角切型為θ=115°、?=-12°。石英溫度傳感器是由石英晶片、電極、支架和外殼等部分組成的。石英溫度傳感器一般都放在密封的外殼中,以防止在石英晶片的表面沉積固體微粒、水汽及其它有害物質(zhì)。使用外殼能提高溫度傳感器的可靠性,預(yù)防石英晶片的老化。ZYtw(115°/-12°)切型的音叉式石英溫度傳感器采用冷壓焊密封在小型金屬管殼內(nèi),如圖3所示,外形尺寸為?×8mm。傳感器動態(tài)特性音叉式石英溫度傳感器的靜態(tài)特性即石英溫度傳感器的頻率-溫度特性用實驗方法獲得,經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合就能得到傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。石英溫度傳感器的特性測試系統(tǒng)如圖4所示。圖中真空容器保持真空度10-3Torr,系統(tǒng)中的銅塊溫度可控制在-77～500K。音叉式石英溫度傳感器的靜態(tài)頻率-溫度特性如圖5所示。由最小二乘法擬合可得到石英溫度傳感器的頻率-溫度特性為:f(T)=f0(T0)[1+α(T-T0)+β(T-T0)2+γ(T-T0)3]=31530[1-4.0183×10-5(T-25)-7.9290×10-8(T-25)2-5.8329×10-13(T-25)3](4)式中T0=25℃為參考溫度;f(T)為T溫度時對應(yīng)的傳感器輸出頻率(Hz)。由此可知,ZYtw(115°/-12°)切型的音叉式石英溫度傳感器的標(biāo)稱頻率為31.530kHz,一階頻率-溫度系數(shù)為-4.0183×10-5K-1,二階頻率-溫度系數(shù)為-7.9290×10-8K-2和三階頻率-溫度系數(shù)為-5.8329×10-13K-3。說明該傳感器作為高精度溫度測量是可行的。在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過后續(xù)常規(guī)測頻電路和軟件倍頻后,石英溫度傳感器在-70～160℃范圍內(nèi)分辨率可達(dá)0.03℃/Hz,功耗僅為2μW。采用階躍響應(yīng)法對ZYtw(115°/-12°)切型的音叉式石英溫度傳感器進(jìn)行動態(tài)特性測試,結(jié)果如圖6所示。取測得的傳感器整個階躍響應(yīng)的63.2%所需時間為音叉式石英溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)時間T=4.5s。石英溫度傳感器的無線傳輸方式的選擇基于壓電懸臂梁彎曲振動的微分方程,考慮了剪切變形和轉(zhuǎn)動慣量對壓電石英懸臂梁彎曲振動的影響,推到出石英晶體懸臂梁的彎曲振動頻率公式。并采用可視化設(shè)計方法對壓電活力、單一振動頻率和一階頻率-溫度系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,獲得了適合載人航天溫度監(jiān)測要求的石英溫度傳感器熱敏切型。其靜、動態(tài)特性測試結(jié)果表明該傳感器的各項性能指標(biāo)能夠達(dá)到載人航天各項溫度實時監(jiān)測的要求,驗證了設(shè)計方法的正確