石英音叉溫度傳感器測試系統

?ば煬?+孟月霞+劉春花+馬靜

摘要：石英音叉溫度傳感器一種高精度準數字溫度傳感器，輸出為頻率信號。它采用石英音叉諧振器作為熱敏元件，將外界溫度的變化轉換為石英音叉諧振器諧振頻率的變化。為實現對該傳感器特性的測試，開發了基于LabVIEW的特性測試系統，為進一步優化傳感器的性能打下基礎。由實驗結果表明，在0℃到100℃的溫度范圍內，該傳感器的靈敏度為2979Hz/℃，遲滯度為0023%，非線性誤差為0019%，分辨力為005℃。該傳感器具有體積小、靈敏度高、穩定性好等優點；其測試系統數據準確可靠、性能穩定，為該傳感器的特性提供了一種可行的解決方案。

關鍵詞：石英音叉；溫度傳感器；LabVIEW；測試系統

DOI：1015938/jjhust201702009

中圖分類號： TP2129

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）02-0044-06

Abstract：Quartz tuning fork temperature sensors （QTFTS） is a kind of high precision digital temperature sensor， which has digital signal output and uses quartz tuning fork resonant device as thermal applications It can convert the change of ambient temperature to the change of resonance frequency of quartz tuning fork resonator Aimed at to study the characteristics and provide theory basis for further optimization of the sensor， the test system for QTFTS based on LabVIEW has been successfully developed The experimental results show that in 0℃ to 100℃ temperature range， the sensor has a high thermosensitivity of 2979Hz/℃， hysteresis degree of 0023%， linearity of 0019% and resolution of 005℃ respectively The results show that the sensors have the advantages of small bulk， low cost， high precision and so on Furthermore， the test system features good stability and reliability， furthermore， it provides a feasible solution for testing the characteristics of the sensor

Keywords：quartz tuning fork；temperature sensor；LabVIEW；testing system

0引言

溫度傳感器是各種傳感器中最為常用的一種，占整個傳感器市場總需求量的40%以上，廣泛應用于生產實踐的各個領域，如國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫藥和石油化工等[1]。

溫度傳感器是將非電學物理量轉化為電學量，從而實現對溫度的測量。傳統的工業溫度傳感器按照材料及電子元件特性可分為鉑電阻和熱電偶兩類，前者具有良好的測溫精度和穩定性，但功耗較大，需通過A/D轉換器與微處理器連接，會損失測量精度；后者需要恒定的溫度參考源，靈敏度低且非線性較高。而石英音叉溫度傳感器是通過石英晶體頻率溫度特性來實現對溫度的檢測，輸出為頻率信號，具有靈敏度高、抗干擾能力強、測量精度高、不需要A/D轉換可直接與微處理器相連等優點，在精密的溫度測量領域中發揮著重要的作用[2-4]。

要實現對石英音叉溫度傳感器特性的準確測試，就需要開發性能穩定、可操作性強的測試系統。目前，市面上針對該傳感器的特性測試系統采用示波器、頻率計、恒溫槽等設備輔助完成，而測試結果無法直觀的顯示出來，需要進一步計算才能完成對該傳感器特性的分析。而基于LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的傳感器特性測試系統，為工業界和學術界測試傳感器特性提供了一種新的解決方案，實現了軟件即是儀器的轉變，可以在上位機上直接顯示測試的結果（如溫度頻率特性曲線、擬合方程、靈敏度等），測試結果更加直觀，操作更加簡單方便[5]。

LabVIEW軟件是由美國國家儀器公司創立的應用較為廣泛的虛擬儀器集成環境，采用了一種功能強大的圖形化編程語言——G（Graphics）語言。LabVIEW與其他的編程軟件不同，它是專門為科學家和工程師設計的一種編程環境，除了具有數據結構、循環結構、事件處理以及內置編譯器之外，還內置種類豐富的函數、助手、工具等，具有簡單易學、開發效率高、界面友好、二次開發方便、操作性強、效果直觀、可移植性高等優點，因此被工業界和學術界接受，廣泛的應用于數據的采集、過程監控、儀表控制、自動檢測、數字信號分析和實驗室研究等方面[6-11]。

本文在對傳感器理論分析的基礎上，開發了基于LabVIEW的測試系統，實現了對傳感器溫度頻率特性和靜態特性進行實時、精確、快速的測量，為進一步優化傳感器的性能打下基礎。

2石英音叉諧振式溫度傳感器

21傳感器工作原理

石英晶體溫度傳感器是準數字溫度傳感器，它采用石英音叉諧振器件作為熱敏元件，通過特定的機械結構敏感外界溫度，將外界溫度的變化轉換為石英音叉諧振器的機械應變，進一步轉換為諧振頻率的變化，以頻率的偏移來實現對外界環境中不同物理量的檢測，即當周圍環境溫度變化時，石英晶體諧振器的諧振頻率會發生變化，根據對頻率變化的測量，經過相應的頻率與溫度的轉化，可以實現對溫度的測量[12-14]。石英音叉溫度傳感器與厚度變式石英晶體溫度傳感器相比具有體積小、質量輕、可靠性高、穩定性好等優點。因此，本文采用石英音叉諧振器作為傳感器的敏感元件。

22切型與振動模式

作為敏感元件的石音叉諧振器工作于彎曲振動模式，采用雙切角石英晶體熱敏切型。石英晶體具有各向異性，通過對石英晶體切割角度的優化設計，可以實現其諧振頻率對溫度信號敏感，提高石英音叉溫度傳感器的靈敏度。該傳感器采用熱敏切型為雙轉角XYθΦ-cut切型，其中θ為石英晶體繞X軸的旋轉角度，Φ為石英晶體繞Y軸的旋轉角度，如圖1所示。

為了使石英晶體諧振器工作于彎曲諧振模式，可以通過合理設置石英晶體的結構參數和驅動電極來實現[15-16]。當外加交變的激勵電壓時，石英音叉工作于彎曲振動模式。采用如圖2所示的電極設置，分別用紅色區域和藍色區域代表石英音叉臂的拉伸應變和收縮應變，如此一拉一壓造成石英音叉臂的彎曲，如圖3所示。

23石英音叉諧振器的諧振頻率

石英晶體具有各向異性，而石英音叉諧振器的振動頻率依賴于Φ角。將石英晶體彎曲振動簡化為壓電懸臂梁的彎曲振動，如圖4所示。

壓電懸臂梁，長度沿y軸方向，在石英音叉沿寬度方向做彎曲振動時，是拉伸和壓縮兩種運動的合成，在彎曲振動中存在一種既不抻長又不壓縮的中節面。將石英晶體彎曲振動簡化為壓電懸臂梁的彎曲振動，建立彎曲振動的微分方程，對諧振頻率進行求解。對長為l，寬為w，厚為h的矩形壓電懸臂梁，不考慮剪切形變，和轉動慣量對梁彎曲振動的影響，其振動微分方程為

封裝后的石英音叉溫度傳感器由石英音叉諧振器、電極、外殼等組成。通過激光焊接將石英音叉的電極與引出電極的銀線連接，并注入90Pa的惰性氣體氦氣，最后封裝在Φ3mm×8mm的金屬鋁殼中，結構示意圖如圖6所示[20]。

3傳感器測試系統

31測試系統的搭建

為了對石英音叉溫度傳感器的特性進行測試，本文搭建了基于LabVIEW的傳感器測試系統。測試系統由計算機、信號調理電路、頻率采集模塊、恒溫槽、示波器、頻率計等組成。首先石英音叉溫度傳感器經過信號調理電路把被測量的溫度信號轉化為頻率信號，然后經由數據采集卡把頻率信號發送到計算機，最后通過LabVIEW軟件編寫的傳感器測試系統對數據進行分析和研究。為了對測試系統的穩定性和可靠性進行檢測，運用示波器與頻率計同時對輸出的頻率信號進行測量，并把測量結果與上位機的測試結果進行比較，分析該測試系統的準確性。具體測試系統結構如圖7所示。

32LabVIEW軟件設計

本文采用USB串口方式把數據采集卡與上位機連接起來，通過LabVIEW軟件函數庫中的VISA庫函數讀取串口數據。讀取串口數據時，首先選擇相應的串口，設置參數（波特率、數據位數、奇偶校驗位等），然后判斷是否有數據寫入串口，并通過數值和比較函數面板對得到的數據進行相應的計算，具體讀取串口數據流程圖如圖8（a）所示。

LabVIEW軟件編程采用模塊化編程，其中的子VI（SubVI）類似于文本編程語言中的函數，每個子VI可以實現不同的目標，運用子VI可以把復雜的程序分解成簡單的小程序來解決問題。基于LabVIEW的測試系統運用子VI實現對數據的采集、運算、分析、保存、打印等功能，然后設計便于操作、結構美觀的人機交互界面來顯示測試結果并實現對測試系統設備的控制。具體軟件流程圖如圖8（b）所示。

LabVIEW的編程與傳統的文本語言設計不同，它采用的是圖形化的編程語言進行程序設計。本測試系統首先運用讀取串口數據的VISA函數，讀取數據采集卡通過串口向計算機發送的頻率數據，然后通過軟件編程，實現對數據的分析和處理。為了使測試結果更精確，可先對頻率信號進行多次測量，剔除誤差較大的干擾，再把測量結果取平均值進行下一步分析，如數據的保存、運算、打印以及圖形的顯示。測試系統部分程序框圖如圖9所示。

4測試結果與分析

調節恒溫槽的溫度，在0℃到100℃之間設置20個測頻點，每隔5℃采集一次數據，待溫度恒定20min后，每隔10s采集一次數據，共采集20組，求取平均值作為本測頻點的頻率數據。測試結果如圖10所示，當溫度從0℃到100℃時，諧振頻率從37086kHz降到36773kHz，滿量程輸出為313Hz。石英音叉諧振式溫度傳感器隨著溫度的升高，諧振頻率下降，即具有負溫度特性，溫度系數為-2979Hz/℃，即該傳感器的靈敏度是2979Hz/℃。

由測試結果表明，對該溫度范圍內數據進行線性擬合的相關系數為09999，該傳感器的諧振頻率的偏移與溫度具有很強的相關性。一階擬合后最大偏差為006Hz，非線性誤差為0019%，表明該石英音叉諧振式溫度傳感器具有良好的線性度。

為了對該傳感器的遲滯性進行分析，分別對該傳感器的升溫過程與降溫過程的數據進行采集。測試結果如圖11所示，升溫過程和降溫過程輸出頻率的最大偏差值為00719Hz，由此可知傳感器的遲滯度為0023%。

為了對該傳感器的穩定性進行測試，將恒溫槽溫度設定為25℃，每隔一天檢測一次，讀取了60個采樣點的數據。具體測試結果如圖12所示。由測試結果表明，該傳感器的基準頻率為37008Hz，頻率偏移的線性化擬合方程的一階系數為00002，而一階系數越小，表明穩定性越好，說明該傳感器具有良好的穩定性。

在60d的測試期內，石英音叉溫度傳感器的老化現象與時間直接相關，而石英音叉諧振式溫度傳感器穩定性擬合方程則為傳感器實際測量結果的修正提供了依據。

為了對該傳感器的特性進一步分析，對采樣數據分別進行一階擬合和二階擬合，擬合后的誤差曲線如圖12所示。該傳感器一階擬合后最大偏差為006Hz，標準差為0162Hz，極限分辨力為005℃；二階擬合后最大偏差為0026Hz，標準差為0077Hz，極限分辨力為0025℃，結果如表1所示。由測試結果可知，二階系統擬合后比一階系統誤差更小，精度更高，更接近石英音叉溫度傳感器的實際模型。

5結語

本文提出了一種輸出為頻率信號的雙切角石英晶體的石英音叉溫度傳感器，主要完成了以下四方面的內容：

1）分析該傳感器的工作原理、振動模式及諧振頻率與溫度的關系。搭建基于LabVIEW的傳感器測試系統，完成了對該傳感器溫度頻率特性的測試。

2）測試結果：該石英音叉溫度傳感器，在0℃到100℃的溫度范圍內，該傳感器靈敏度為2979Hz/℃，遲滯度為0023%，非線性誤差為0019%，分辨力為005℃。

3）同時采用二階擬合的方法，由測試結果表明，二階擬合后系統誤差更小，靈敏度更高，更接近于實際模型。

4）實驗結果表明，該測試系統性能穩定、數據準確可靠，能夠實現對該傳感器特性快速、科學的測量。

參 考 文 獻：

[1]馮冠平.諧振傳感器理論及器件[M].北京：清華大學出版社，2008：144-177.

[2]ROGER Oria， JORGE Otero， LAURA González，et al.Finite Element Analysis of Electrically Excited Quartz Tuning Fork Devices[J].Sensors， 2013， 13： 7156-7169.

[3]XU Jun，LI Xin，DUAN Jinhua，et al.Highprecision Lowpower Quartz Tuning Fork Temperature Sensor with Optimized Resonance Excitation[J].Journal of Zhejiang University：Science C，2013，14（4）：264-274.

[4]MENG Lina， LI Jicheng， LUO Zhongbing Model and Experimental Study of one Dimensional Beam with Bending and Axial Vibration Modes [J]. Piezoelectric Sound and Light，2012， 31（5）： 339-344

[5]JAYAPANDIAN J， SAKTHI SWARRUP J， SHEELA1 O K， et al PSoCBased Embedded Design and Quartz Tuning Fork for LowTemperature Measurement System Design [J]. Journal of Laboratory Automation 2012，17（2） 144–154

[6]黃豪彩，楊燦軍，陳道華等基于LabVIEW的深海氣密采水器測控系統[J].儀器儀表學報，2011（1）：41-45

[7]WHITLEY K N，BLACKWELL A FVisual Programming in the Wild：A Survey of LabVIEW Programmers [J].Journal of Visual Languages& Computing，2001，12（4）：435-472

[8]何飛，靖永志，張昆侖基于LabVIEW的磁懸浮氣隙傳感器測試系統設計[J].傳感器與微系統，2016，35（1）：85-97

[9]李冬明，王厚志，高璽亮等基于LabVIEW的電能質量檢測系統研究[J].哈爾濱理工大學學報，2012，17（4）：57-63

[10]王琦，翟正軍，郭陽明.基于虛擬儀器的實驗室溫度控制系統的設計與實現[J].測控技術，2009（3）：39-42.

[11]趙新通，陳雷，常龍.輪荷稱重儀數據采集系統[J].哈爾濱理工大學學報，2015，20（3）：19-23

[12]PISANI M B， REN K L， KAO P， et al.Application of Micromachined YCutQuartz Bulk Acoustic Wave Resonator for Infrarared Sensing[J].JMEMS.， 2011， 20（1）： 288-296.

[13]MARCELO BPISANI， KAILIANG Ren， PING Kao， et al Application of Micromachined YCutQuartz Bulk Acoustic Wave Resonator for Infrared Sensing [J]. MEMS， 2011， 20（2011）： 288-296

[14]LAMBROU T P， ANASTASIOU C C， PANAYIOTOU C G A LowCost Sensor Network for RealTime Monitoring and Contamination Detection in Drinking Water Distribution Systems[J]. IEEE Sensors Journal， 2014， 14（8）： 2765-2772

[15]陳小林，王祝盈，謝中.石英晶體溫度傳感器的應用[J].傳感器技術，2002，2l（1）：55-57.

[16]XU Xiangwu， WANG Ji， WANG Zhen， et al.An Analysis of Frequency of a Quartz Crystal Tuningfork Resonator by Modifidy Sezawa′s Theory[C]. Piezoelectricity， Acoustic Waves and Device Applications （SPAWDA）， 2012： 274-276

[17]XIE L Q， XING J C， WANG H X， et al Forecasting Zcut Quartz Structure Sidewall Profile after Anisotropic Wet Etching[J]. Opt Precision Eng， 2012，20（2）： 352-359

[18]張福才，孫 鵬，王智超.石英溫度傳感器遙測溫度計的設計[J].傳感技術學報，2013，26（9）：1314-1316.

[19]SUNGKYU Lee， YANGHO Moon， JAEKYU Lee， et al.Analytical and Finite Element Method Design of Quartz Tuning Fork Resonators and Experimental Test of Samples Manufactured Using Photolithography 2：Comprehensive Analysis of Resonance Frequencies Using Sezawas Approximations[J].Vacuum， 2005， 78： 91-105.

[20]GRITSENKO I， ZADOROZHKO A， SHESHIN G Frequency Characteristics of a Quartz Tuning Fork Immersed in HeII[J]. Journal of Low Temperature Physics， 2013， 171， （3-4）： 194-199 （編輯：王萍）