基于石英晶体温度传感器的数字温度计

介绍了谐振式石英晶体温度传感器的基本原理，给出了用单片机测量温度的基本电路，分析了测量算法，给出了软件流程图。
    关键词：石英谐振器，温度敏感性，单片机
　　

　　温度是基本物理量之一，在很多场合都要求能快速、准确地测量温度，有些场合甚至还要点测温度值，对这些，传统方法已不能胜任。
　　对于某些切型的压电石英晶体〔1〕〔5〕，利用其温度－频率特性做成传感器，可将温度的变化转换为频率调制型信号；而该信号在传送与接收过程中，有很好的抗干扰能力，可实现遥测与遥控，易于用数字式仪器测量，易于与单片机、计算机连接，据此就可以做成满足要求的数字温度计。根据不同的频率和切型，石英晶体温度传感器的温度灵敏度可以在20Hz／℃至2850Hz／℃范围内变动，使温度分辨力达1×10－4℃，而且温漂、时漂极小。

1　测温机理
　　压电石英晶体在振荡电路激励下，会产生各种形式的机械振动。晶片的厚度剪切振荡〔2〕如图1所示，其振荡频率为：

式中，n：泛音次数，h：晶片厚度，v：剪切波的速度，ρ：石英晶体密度，μ：石英晶体d性系数；其中h，ρ，μ都是温度的函数，这样，频率f就成为温度t的隐函数f（t）。
　　实验表明，对任何一种石英谐振器，其温度－频率特性f（t）是一条二次或三次抛物线或直线；在－200～＋200℃内，在足够的精度下，石英晶振的频率特性可用三次多项式表示：

这就是石英晶体的温度敏感特性，式中，f0为在任意参考温度t0℃时的频率；a、b、c分别为一、二、三阶频率温度系数，与晶片的切割类型及振型有关。作为温度传感器，为了保证较高的灵敏度以及温度－频率特性有良好的线性，a值要大，且远大于b和c的值（最好有b＝c＝0），但实际生产的晶片中二者不可兼得。目前，对于旋转Y切型YXL＋5°，有a＝95．6×10－6／℃（f＝10MHz），分辨率达万分之几度；Ys切型：a＝80×10－6／℃（f＝5MHz，n＝3），分辨率高达4×10－6℃；NL切型线性度很好，其系数a＝63．5×10－6／℃，b＝－18．1×10－9／℃，c＝－35．9×10－11／℃。常见石英温度传感器的主要切型、各阶温度系数及温度－频率非线性度如表1所示〔3〕。
    对于线性度很好的石英晶体，被测温度较容易测算，不再赘述；若忽略c，则可由（3）式解得温度t〔4〕：