石英音叉温度传感器测试系统

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  摘要:石英音叉温度传感器一种高精度准数字温度传感器,输出为频率信号。它采用石英音叉谐振器作为热敏元件,将外界温度的变化转换为石英音叉谐振器谐振频率的变化。为实现对该传感器特性的测试,开发了基于LabVIEW的特性测试系统,为进一步优化传感器的性能打下基础。由实验结果表明,在0℃到100℃的温度范围内,该传感器的灵敏度为2979Hz/℃,迟滞度为0023%,非线性误差为0019%,分辨力为005℃。该传感器具有体积小、灵敏度高、稳定性好等优点;其测试系统数据准确可靠、性能稳定,为该传感器的特性提供了一种可行的解决方案。

  关键词:石英音叉;温度传感器;LabVIEW;测试系统

  DOI:1015938/jjhust201702009

  中图分类号:TP2129

  文献标志码:A

  文章编号:1007-2683(2017)02-0044-06

  0引言

  温度传感器是各种传感器中最为常用的一种,占整个传感器市场总需求量的40%以上,广泛应用于生产实践的各个领域,如国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等[1]。

  温度传感器是将非电学物理量转化为电学量,从而实现对温度的测量。传统的工业温度传感器按照材料及电子元件特性可分为铂电阻和热电偶两类,前者具有良好的测温精度和稳定性,但功耗较大,需通过A/D转换器与微处理器连接,会损失测量精度;后者需要恒定的温度参考源,灵敏度低且非线性较高。而石英音叉温度传感器是通过石英晶体频率温度特性来实现对温度的检测,输出为频率信号,具有灵敏度高、抗干扰能力强、测量精度高、不需要A/D转换可直接与微处理器相连等优点,在精密的温度测量领域中发挥着重要的作用[2-4]。

  要实现对石英音叉温度传感器特性的准确测试,就需要开发性能稳定、可操作性强的测试系统。目前,市面上针对该传感器的特性测试系统采用示波器、频率计、恒温槽等设备辅助完成,而测试结果无法直观的显示出来,需要进一步计算才能完成对该传感器特性的分析。而基于LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)的传感器特性测试系统,为工业界和学术界测试传感器特性提供了一种新的解决方案,实现了软件即是仪器的转变,可以在上位机上直接显示测试的结果(如温度频率特性曲线、拟合方程、灵敏度等),测试结果更加直观,操作更加简单方便[5]。

  LabVIEW软件是由美国国家仪器公司创立的应用较为广泛的虚拟仪器集成环境,采用了一种功能强大的图形化编程语言——G(Graphics)语言。LabVIEW与其他的编程软件不同,它是专门为科学家和工程师设计的一种编程环境,除了具有数据结构、循环结构、事件处理以及内置编译器之外,还内置种类丰富的函数、助手、工具等,具有简单易学、开发效率高、界面友好、二次开发方便、操作性强、效果直观、可移植性高等优点,因此被工业界和学术界接受,广泛的应用于数据的采集、过程监控、仪表控制、自动检测、数字信号分析和实验室研究等方面[6-11]。

  本文在对传感器理论分析的基础上,开发了基于LabVIEW的测试系统,实现了对传感器温度频率特性和静态特性进行实时、精确、快速的測量,为进一步优化传感器的性能打下基础。

  2石英音叉谐振式温度传感器

  21传感器工作原理

  石英晶体温度传感器是准数字温度传感器,它采用石英音叉谐振器件作为热敏元件,通过特定的机械结构敏感外界温度,将外界温度的变化转换为石英音叉谐振器的机械应变,进一步转换为谐振频率的变化,以频率的偏移来实现对外界环境中不同物理量的检测,即当周围环境温度变化时,石英晶体谐振器的谐振频率会发生变化,根据对频率变化的测量,经过相应的频率与温度的转化,可以实现对温度的测量[12-14]。石英音叉温度传感器与厚度变式石英晶体温度传感器相比具有体积小、质量轻、可靠性高、稳定性好等优点。因此,本文采用石英音叉谐振器作为传感器的敏感元件。

  22切型与振动模式

  作为敏感元件的石音叉谐振器工作于弯曲振动模式,采用双切角石英晶体热敏切型。石英晶体具有各向异性,通过对石英晶体切割角度的优化设计,可以实现其谐振频率对温度信号敏感,提高石英音叉温度传感器的灵敏度。该传感器采用热敏切型为双转角XYθΦ-cut切型,其中θ为石英晶体绕X轴的旋转角度,Φ为石英晶体绕Y轴的旋转角度,如图1所示。

  为了使石英晶体谐振器工作于弯曲谐振模式,可以通过合理设置石英晶体的结构参数和驱动电极来实现[15-16]。当外加交变的激励电压时,石英音叉工作于弯曲振动模式。采用如图2所示的电极设置,分别用红色区域和蓝色区域代表石英音叉臂的拉伸应变和收缩应变,如此一拉一压造成石英音叉臂的弯曲,如图3所示。

  23石英音叉谐振器的谐振频率

  石英晶体具有各向异性,而石英音叉谐振器的振动频率依赖于Φ角。将石英晶体弯曲振动简化为压电悬臂梁的弯曲振动,如图4所示。

  压电悬臂梁,长度沿y轴方向,在石英音叉沿宽度方向做弯曲振动时,是拉伸和压缩两种运动的合成,在弯曲振动中存在一种既不抻长又不压缩的中节面。将石英晶体弯曲振动简化为压电悬臂梁的弯曲振动,建立弯曲振动的微分方程,对谐振频率进行求解。对长为l,宽为w,厚为h的矩形压电悬臂梁,不考虑剪切形变,和转動惯量对梁弯曲振动的影响,其振动微分方程为

  封装后的石英音叉温度传感器由石英音叉谐振器、电极、外壳等组成。通过激光焊接将石英音叉的电极与引出电极的银线连接,并注入90Pa的惰性气体氦气,最后封装在Φ3mm×8mm的金属铝壳中,结构示意图如图6所示[20]。

  3传感器测试系统

  31测试系统的搭建

  为了对石英音叉温度传感器的特性进行测试,本文搭建了基于LabVIEW的传感器测试系统。测试系统由计算机、信号调理电路、频率采集模块、恒温槽、示波器、频率计等组成。首先石英音叉温度传感器经过信号调理电路把被测量的温度信号转化为频率信号,然后经由数据采集卡把频率信号发送到计算机,最后通过LabVIEW软件编写的传感器测试系统对数据进行分析和研究。为了对测试系统的稳定性和可靠性进行检测,运用示波器与频率计同时对输出的频率信号进行测量,并把测量结果与上位机的测试结果进行比较,分析该测试系统的准确性。具体测试系统结构如图7所示。

  32LabVIEW软件设计

  本文采用USB串口方式把数据采集卡与上位机连接起来,通过LabVIEW软件函数库中的VISA库函数读取串口数据。读取串口数据时,首先选择相应的串口,设置参数(波特率、数据位数、奇偶校验位等),然后判断是否有数据写入串口,并通过数值和比较函数面板对得到的数据进行相应的计算,具体读取串口数据流程图如图8(a)所示。

  LabVIEW软件编程采用模块化编程,其中的子VI(SubVI)类似于文本编程语言中的函数,每个子VI可以实现不同的目标,运用子VI可以把复杂的程序分解成简单的小程序来解决问题。基于LabVIEW的测试系统运用子VI实现对数据的采集、运算、分析、保存、打印等功能,然后设计便于操作、结构美观的人机交互界面来显示测试结果并实现对测试系统设备的控制。具体软件流程图如图8(b)所示。

  LabVIEW的编程与传统的文本语言设计不同,它采用的是图形化的编程语言进行程序设计。本测试系统首先运用读取串口数据的VISA函数,读取数据采集卡通过串口向计算机发送的频率数据,然后通过软件编程,实现对数据的分析和处理。为了使测试结果更精确,可先对频率信号进行多次测量,剔除误差较大的干扰,再把测量结果取平均值进行下一步分析,如数据的保存、运算、打印以及图形的显示。测试系统部分程序框图如图9所示。

  4测试结果与分析

  调节恒温槽的温度,在0℃到100℃之间设置20个测频点,每隔5℃采集一次数据,待温度恒定20min后,每隔10s采集一次数据,共采集20组,求取平均值作为本测频点的频率数据。测试结果如图10所示,当温度从0℃到100℃时,谐振频率从37086kHz降到36773kHz,满量程输出为313Hz。石英音叉谐振式温度传感器随着温度的升高,谐振频率下降,即具有负温度特性,温度系数为-2979Hz/℃,即该传感器的灵敏度是2979Hz/℃。

  由测试结果表明,对该温度范围内数据进行线性拟合的相关系数为09999,该传感器的谐振频率的偏移与温度具有很强的相关性。一阶拟合后最大偏差为006Hz,非线性误差为0019%,表明该石英音叉谐振式温度传感器具有良好的线性度。

  为了对该传感器的迟滞性进行分析,分别对该传感器的升温过程与降温过程的数据进行采集。测试结果如图11所示,升温过程和降温过程输出频率的最大偏差值为00719Hz,由此可知传感器的迟滞度为0023%。

  为了对该传感器的稳定性进行测试,将恒温槽温度设定为25℃,每隔一天检测一次,读取了60个采样点的数据。具体测试结果如图12所示。由测试结果表明,该传感器的基准频率为37008Hz,频率偏移的线性化拟合方程的一阶系数为00002,而一阶系数越小,表明稳定性越好,说明该传感器具有良好的稳定性。

  在60d的测试期内,石英音叉温度传感器的老化现象与时间直接相关,而石英音叉谐振式温度传感器稳定性拟合方程则为传感器实际测量结果的修正提供了依据。

  为了对该传感器的特性进一步分析,对采样数据分别进行一阶拟合和二阶拟合,拟合后的误差曲线如图12所示。该传感器一阶拟合后最大偏差为006Hz,标准差为0162Hz,极限分辨力为005℃;二阶拟合后最大偏差为0026Hz,标准差为0077Hz,极限分辨力为0025℃,结果如表1所示。由测试结果可知,二阶系统拟合后比一阶系统误差更小,精度更高,更接近石英音叉温度传感器的实际模型。

  5结语

  本文提出了一种输出为频率信号的双切角石英晶体的石英音叉温度传感器,主要完成了以下四方面的内容:

  1)分析该传感器的工作原理、振动模式及谐振频率与温度的关系。搭建基于LabVIEW的传感器测试系统,完成了对该传感器温度频率特性的测试。

  2)测试结果:该石英音叉温度传感器,在0℃到100℃的温度范围内,该传感器灵敏度为2979Hz/℃,遲滞度为0023%,非线性误差为0019%,分辨力为005℃。

  3)同时采用二阶拟合的方法,由测试结果表明,二阶拟合后系统误差更小,灵敏度更高,更接近于实际模型。

  4)实验结果表明,该测试系统性能稳定、数据准确可靠,能够实现对该传感器特性快速、科学的测量。

  作者:徐军

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