一種基於at切石英晶體諧振器的溫度測量儀及測量方法

2023-12-11 15:46:07 2

專利名稱：一種基於at切石英晶體諧振器的溫度測量儀及測量方法
技術領域：
本發明涉及溫度測量儀及溫度測量方法，準確地說是一種基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀及測量方法。更具體一點，本發明涉及AT切石英晶體諧振器溫度-頻率變化特性的設計和應用。
背景技術：
溫度測量儀是測溫儀器類型的其中之一。根據所用測溫物質的不同和測溫範圍的不同，有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、 輻射溫度計和光測溫度計、雙金屬溫度計等。目前，溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通常來說接觸式測溫儀表比較簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質需要進行充分的熱交金剛，幫需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現象，同時受耐高溫材料的限制，不能應用於很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的， 測溫元件不需與被測介質接觸，測溫範圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應速度一般也比較快；但受到物體的發射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。專利申請20092(^86835. 2公布了一種金屬管壁溫度測量儀，該金屬管壁溫度測量儀，包括一柔性線路板、與該柔性線路板連接的一溫度傳感器晶片及一主線路板，柔性線路板與一金屬片熱耦合為一體，主線路板上還設置有第二個溫度傳感器，主線路板上設置的微處理器接收並處理溫度傳感器晶片和第二個溫度傳感器測量到的數據。這種結構，通過金屬片與柔性線路板的耦合來進行溫度測量，具有一定的測量精確度和穩定性好，但是其測量的正確地仍然不高，難以滿足某些高精度場所的使用。

發明內容
經研究發現，壓電石英晶體是由全球儲存量極多的二氧化矽(Si02)組成。如此多的原料儲存量使得人造壓電石英晶體成為壓電行業的主要物料並且成本低。AT切壓電石英晶片由於其特殊的溫度-頻率特性以及低成本等特點，成為製造一種溫度測量儀的一個極佳的關鍵部分，並且這種溫度測量儀的精度可以大大提高。針對上述的情況，本發明提出了一種基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀及測量方法，該測量儀及測量方法能夠有效地結合AT切壓電石英晶體諧振器的特殊溫度-頻率特性，大大提高測量精度。本發明的另一個目的在於提供一種基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀及測量方法，大該測量儀及測量方法成本低廉，能夠大批量製造，便於推廣和應用。為實現上述目地，本發明是這樣實現的
一種基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀，其特徵在於該測量儀包括有金屬溫度探測頭、AT切壓電石英晶體諧振器及頻率-溫度轉換器，AT切壓電石英晶體諧振器外表面具有焊盤，金屬溫度探測頭一端連接到該AT切壓電石英晶體諧振器的焊盤，AT切壓電石英晶體諧振器輸出端連接於頻率-溫度轉換器，金屬溫度探測頭一端和被測物體接觸，被測物體的溫度情況將在金屬溫度探測頭上反映出來，AT切壓電石英晶體諧振器的諧振頻率根據溫度變化，並通過頻率-溫度轉換器輸出溫度的具體數值。本溫度測量儀所用的石英晶體諧振器的AT切壓電石英晶片，其特徵在於該晶片的切角避開了晶片的溫度-頻率變化特性的非敏感區，反而使用了石英晶片的溫度-頻率變化的敏感區，形成了溫度-頻率變化敏感的AT壓電石英晶片，即採用溫度-頻率變化的敏感區的切角製作AT切壓電石英晶片。由於壓電石英晶體各向異性的特點，在石英晶體上按照某些方向或角度切出來的石英晶片的厚度切變諧振模式的頻率隨著環境溫度的變化會變化很大，而按照另外一些方向切出來的石英晶片的厚度切變諧振模式的頻率隨著環境溫度的變化會變化很小；在常規使用中，通常要求石英晶片的頻率在特定的溫度變化區間內隨著溫度的變化而儘量保持諧振頻率不變或者變化小。本發明所使用的這種切角的選擇會使AT切晶片在厚度切變諧振模式下的頻率隨著環境溫度的變化會變化很大，本發明所用AT切壓電石英晶片就是採用這種切角進行製作的。本高精度溫度測量儀所用的石英晶體諧振器採用是特殊設計的AT切壓電石英晶片真空封裝而成。通常設計的AT切壓電石英晶片的特性就在於該類晶片切角的選擇是根據以下原則來選的所選的AT切石英晶片切角要使該晶片的諧振頻率的變化在隨環境溫度的變化時最小化。而對於特殊設計的AT切壓電石英晶片，其特殊性就在於該類晶片切角的選擇是根據以下原則來選的所選的AT切石英晶片切角要使該晶片的諧振頻率的變化在隨環境溫度的變化時最大化。特殊設計的AT切壓電石英晶片再進行真空封裝，真空封裝就是按照石英晶體諧振器的要求在一個特定真空內將AT切壓電石英晶片封裝製成的。金屬溫度探測頭可為一般的熱敏感金屬，也可是高靈敏度熱敏感金屬。其一端連接到這種特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器的焊盤，另外一端則可和被測物體接觸。金屬溫度探測頭為扁平狀，便於熱量的快速傳輸。被測物體的溫度情況在和金屬溫度探測頭接觸後，會通過金屬溫度探測頭直接傳輸到這種特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器的焊盤，然後又通過焊盤進入該諧振器的內部直接影響內部的AT切壓電石英晶片，從而使該晶片的厚度切變振蕩模式的頻率發生相應變化。頻率-溫度轉換器在接收到特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器的頻率變化後， 根據預先編程的頻率-溫度轉換表輸出溫度的變化讀數到溫度數字顯示屏。溫度數字顯示屏接收到頻率-溫度轉換器輸出的溫度變化讀數後，將其在顯示屏上顯示出來。至於所要達到的具體的測量精度可根據產品規格來確定，具體的AT切壓電石英晶片的切角和厚度切變振蕩模式的頻率也可根據產品規格來確定。本發明所實現的測量方法的流程如下
1.溫度取樣將金屬溫度探測頭和被測物體接觸，被測物體的溫度情況將在金屬溫度探測頭上反映出來。2.溫-頻轉換AT切壓電石英晶體諧振器受到金屬溫度探測頭溫度變化的影響後，該諧振器的厚度切變振蕩模式的頻率發生相應變化。該諧振器的一個焊盤和金屬溫度探測頭連接，其頻率輸出端和頻率-溫度轉換器連接，將頻率輸出給頻率-溫度轉換器。特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器使用非常規晶片真空封裝而成。而非常規晶片來自於一種特殊的AT切壓電石英晶片，其特徵在於該晶片的切角避開了通常情況下同類晶片的溫度-頻率變化特性的非敏感區，反常地使用同類晶片的溫度-頻率變化的敏感區。具體的AT切壓電石英晶片的切角和厚度切變振蕩模式的頻率可根據產品規格來確定。3.頻-溫轉換頻率-溫度轉換器在接收到特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器的頻率變化後，根據預先編程的頻率-溫度轉換表輸出溫度的變化讀數輸出。更進一步，為了清楚地顯示溫度情況，該方法還採用溫度數字顯示屏對溫度數值進行顯示。該頻率-溫度轉換器的一端和AT切壓電石英晶體諧振器的頻率輸出端連接，另外一端和溫度數字顯示屏連接。該頻率-溫度轉換器至少可以分辨IHz的頻率變化，其輸出的溫度變化讀數(溫度數值)至少可以精確到小數點後2位數。溫度顯示溫度數字顯示屏接收到頻率-溫度轉換器輸出的溫度變化讀數後，將其在顯示屏上顯示出來。該溫度數字顯示屏和頻率-溫度轉換器的一端連接。該溫度數字顯示屏至少可以顯示小數點後2位數。綜合而言，本發明通過AT切石英晶片的溫度-頻率變化這一特殊特性，實現了溫度測量精度的提高。本發明具有測量精度高、實現簡單、易於批量生產以及成本低等優點。


圖1為本發明實施的AT切角示意圖。圖2為本發明實施的AT切晶片溫度-頻率變化曲線圖。圖3為本發明實施的測量儀的結構示意圖。實施方式
下面結合附圖所示，對本發明的實施作更進一步地說明。圖1中，一種從壓電石英晶棒上切出壓電石英晶片的切法，也叫AT切法(ATcut )， 用這種方法切出來的晶片就叫AT切晶片，在這種切法中，晶片的面和晶棒Z軸的夾角保持 35度15分左右，並且同時一對平行邊和晶棒X軸平行，如圖1所示。圖中，BTcut是一種從壓電石英晶棒上切出壓電石英晶片的切法，也叫BT切法，用這種方法切出來的晶片就叫BT 切晶片，在這種切法中，晶片的面和晶棒Z軸的夾角保持-49度左右，並且同時一對平行邊和晶棒X軸平行，如圖1所示。在理想的壓電石英晶體的外形結構中，共有30個晶面，共分 5組，每組6個，S卩6個m面(柱面)、6個R面(大稜面)、6個r面(小稜面)、6個s面、6個χ 面，但在人造壓電石英晶體中，很難見到理想的石英晶體，所以有些面會看不見，但m面(柱面)通常是看得見的。在常規使用中，通常要求石英晶片的頻率在特定的溫度變化區間內隨著溫度的變化而儘量保持諧振頻率不變或者變化小。由於壓電石英晶體各向異性的特點，在石英晶體上按照某些方向切出來的石英晶片的厚度切變諧振模式的頻率隨著環境溫度的變化會變化很大，而按照另外一些方向切出來的石英晶片的厚度切變諧振模式的頻率隨著環境溫度的變化會變化很小。結合圖1和圖2，當AT切石英晶片的切角為35度15分(圖1) + 0分 (圖2) = 35度15分時，在圖2上可知諏標號為0的那條曲線)，當溫度(圖2上的橫坐標) 在範圍為-40 80度C之間變化時，該石英晶片的諧振頻率會在諧振頻率f(比如f = 10 MHz)附近產生Af的變化，而此時對應的頻率變化和頻率之比=Af / f (圖2上的縱坐標)會在大約(_；34 χ 10的(-6)次方=-34 ppm) (12 χ 10的(-6)次方=12ppm)之間變化。也就是說，對於切角為35度15分的AT切晶片，當環境溫度在-40 80度C之間變化時，其諧振頻率的相對變化Af / f會在-34 12 ppm之間。在常規使用中，根據圖2所示，AT切晶片的切角會選35度15分(圖1) + 4分(在圖2上標號為+4』那條曲線) =35度19分，此時，當環境溫度在-40 80度C之間變化時，其諧振頻率的相對變化Af / f會在-12 5 ppm之間，這種切角的選擇會使AT切晶片在厚度切變諧振模式下的頻率隨著環境溫度的變化會變化較小。在非常規使用中，根據圖2所示，AT切晶片的切角會選 35度15分(圖1)- 8分(在圖2上標號為-8』那條曲線)=35度7分，此時，當環境溫度在-40 80度C之間變化時，其諧振頻率的相對變化Af / f會在等於或者大於-50 50 ppm之間的區間，這種切角的選擇會使AT切晶片在厚度切變諧振模式下的頻率隨著環境溫度的變化會變化很大，本發明所用AT切壓電石英晶片就是採用這種切角進行製作的， 使用了同類晶片的溫度-頻率變化的敏感區，形成了溫度-頻率變化敏感的AT壓電石英晶片，即採用溫度-頻率變化的敏感區的切角製作AT切壓電石英晶片。如果選擇AT切壓電石英晶片的切角為(35度15分-8分)=35度7分(儘量以 35度7分的角度來切出晶片來)時，如圖2所示，當溫度在-20°C到80°C之間變化時，頻率的相對變化約有lOOppm。如果選用AT切壓電石英晶片的厚度切變振蕩模式的頻率為50Mhz， 則當溫度在_20°C到80°C之間的100°C的變化中，對應的頻率變化在(Γ5000ΗΖ之間。平均來講，溫度1°C的變化對應於頻率50Hz的變化，或者IHz的頻率變化相對於1/50°C的溫度變化。在測量到IHz頻率變化的同時，也就大約測量到了 1/50°C的溫度變化。如果選用 AT切壓電石英晶片的厚度切變振蕩模式的頻率為lOOMhz，則當溫度在-20°C到80°C之間的 IOO0C的變化中，對應的頻率變化在(TlOOOOHz之間。平均來講，溫度10C的變化對應於頻率 IOOHz的變化，或者IHz的頻率變化相對於1/100°C的溫度變化。在測量到IHz頻率變化的同時，也就大約測量到了 l/100°c的溫度變化。在這種頻率-溫度變化的特性轉換應用到測量技術中，能夠極大地提高了溫度變化的測量精度。圖3所示，實現本發明的測量儀包括金屬溫度探測頭10、AT切壓電石英晶體諧振器20、頻率-溫度轉換器30以及溫度數字顯示屏40。當金屬溫度探測頭10和被測物體接觸後，被測物體的溫度情況將在金屬溫度探測頭10上反映出來。金屬溫度探測頭可為一般的熱敏感金屬，也可是高靈敏度熱敏感金屬。其一端連接到特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器20的焊盤21。AT切壓電石英晶體諧振器20是特殊設計的，其底表面具有焊盤21和頻率輸出端 22，其中焊盤21又作為頻率的一個輸出端。AT切壓電石英晶體諧振器20的一個焊盤21和金屬溫度探測頭10連接，當特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器20受到金屬溫度探測頭 10溫度變化的影響後，該諧振器20的厚度切變振蕩模式的頻率發生相應變化，其頻率輸出端22和21與頻率-溫度轉換器30的輸入端31和32連接。當頻率-溫度轉換器30在接收到特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器20的頻率變化後，根據預先編程的頻率-溫度轉換表輸出溫度的變化讀數(溫度數值)到溫度數字顯示屏40。頻率-溫度轉換器30的輸入端31和32於AT切壓電石英晶體諧振器20的頻率輸出端21和22連接，頻率-溫度轉換器30的輸出端33和34於溫度數字顯示屏40連接。頻率-溫度轉換器30至少可以分辨IHz的頻率變化，其輸出的溫度變化讀數至少可以精確到小數點後2位數。當溫度數字顯示屏40接收到頻率-溫度轉換器30輸出的溫度變化讀數後，將其在顯示屏上顯示出來。溫度數字顯示屏40至少可以顯示小數點後2位數。具體的測量方法如下。1.溫度取樣將金屬溫度探測頭和被測物體接觸，被測物體的溫度情況將在金屬溫度探測頭上反映出來。2.溫-頻轉換AT切壓電石英晶體諧振器受到金屬溫度探測頭溫度變化的影響後，該諧振器的厚度切變振蕩模式的頻率發生相應變化。該諧振器的一個焊盤和金屬溫度探測頭連接，其頻率輸出端和頻率-溫度轉換器連接，將頻率輸出給頻率-溫度轉換器。3.頻-溫轉換頻率-溫度轉換器在接收到特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器的頻率變化後，將頻率根據預先編程的頻率-溫度轉換表輸出溫度的變化讀數輸出。4.溫度顯示該頻率-溫度轉換器的一端和AT切壓電石英晶體諧振器的頻率輸出端連接，另外一端和溫度數字顯示屏連接。溫度的變化讀數通過溫度數字顯示屏顯示出來。該頻率-溫度轉換器至少可以分辨IHz的頻率變化，其輸出的溫度變化讀數(溫度數值) 至少可以精確到小數點後2位數。通過這種方法，能夠充分利用AT切石英晶片的溫度-頻率變化這一特殊特性，以及有能力對頻率實施精確測量的這一技術，在溫度-頻率這兩個物理特性的轉換過程中， 在實施了對頻率的精確測量後，再通過頻率-溫度的轉換，實現了溫度測量精度的提高。經實際檢測，本發明所實施的溫度測量儀的精度至少可以達到0. ore。以上所述，僅僅是對本發明實施的具體描述，並不代表本發明所實施的所有方式。 在本發明目的及技術方案的基礎上所做的等同變化及修飾，均在發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀，其特徵在於該測量儀包括有金屬溫度探測頭、AT切壓電石英晶體諧振器及頻率-溫度轉換器，AT切壓電石英晶體諧振器外表面具有焊盤，金屬溫度探測頭一端連接到該AT切壓電石英晶體諧振器的焊盤，AT切壓電石英晶體諧振器輸出端連接於頻率-溫度轉換器，金屬溫度探測頭一端和被測物體接觸，被測物體的溫度情況將在金屬溫度探測頭上反映出來，AT切壓電石英晶體諧振器的諧振頻率根據溫度變化，並通過頻率-溫度轉換器輸出溫度的具體數值。
2.如權利要求1所述的基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀，其特徵在於金屬溫度探測頭可為一般的熱敏感金屬，也可是高靈敏度熱敏感金屬，金屬溫度探測頭為扁平狀，便於熱量的快速傳輸。
3.如權利要求1所述的基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀，其特徵在於AT切壓電石英晶體諧振器使用石英晶片的溫度-頻率變化的敏感區。
4.如權利要求3所述的基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀，其特徵在於所述石英晶體諧振器是將特殊設計的AT切壓電石英晶片真空封裝在一個特定空間內製成的，所述的特殊設計的AT切壓電石英晶片是指所選的AT切石英晶片具有的切角要使該晶片的諧振頻率的變化在隨環境溫度的變化時最大化。
5.如權利要求1所述的基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀，其特徵在於該測量儀還包括頻率-溫度轉換器以及溫度數字顯示屏；頻率-溫度轉換器一端和AT切壓電石英晶體諧振器的頻率輸出端連接，另外一端和溫度數字顯示屏連接。
6.一種基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量方法，其特徵在於該方法包括如下步驟A.溫度取樣將金屬溫度探測頭和被測物體接觸；B.溫-頻轉換AT切壓電石英晶體諧振器受到金屬溫度探測頭溫度變化的影響後， 該諧振器的厚度切變振蕩模式的頻率發生相應變化；該諧振器的將頻率輸出給頻率-溫度轉換器；C.頻-溫轉換頻率-溫度轉換器在接收到的AT切壓電石英晶體諧振器的頻率變化後，根據預先編程的頻率-溫度轉換表輸出溫度的變化讀數輸出。
7.如權利要求6所述的基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量方法，其特徵在於該方法還包括如下步驟D.溫度顯示頻率-溫度轉換器在接收到特殊設計的AT切壓電石英晶體諧振器的頻率變化後，根據預先編程的頻率-溫度轉換表輸出溫度的變化讀數到溫度數字顯示屏； 溫度數字顯示屏接收到頻率-溫度轉換器輸出的溫度變化讀數後，將其在顯示屏上顯示出來。
全文摘要
本發明是一種基於AT切石英晶體諧振器的溫度測量儀及測量方法，該測量儀包括有金屬溫度探測頭、AT切壓電石英晶體諧振器及頻率-溫度轉換器，AT切壓電石英晶體諧振器外表面具有焊盤，金屬溫度探測頭一端連接到該AT切壓電石英晶體諧振器的焊盤，AT切壓電石英晶體諧振器輸出端連接於頻率-溫度轉換器，金屬溫度探測頭一端和被測物體接觸，被測物體的溫度情況將在金屬溫度探測頭上反映出來，AT切壓電石英晶體諧振器的諧振頻率根據溫度變化，並通過頻率-溫度轉換器輸出溫度的具體數值。該測量儀及測量方法能夠有效地結合AT切壓電石英晶體諧振器的特殊溫度-頻率特性，大大提高測量精度。
文檔編號G01K7/32GK102435342SQ20111030505
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月11日 優先權日2011年10月11日
發明者餘琳, 劉霞, 劉青健, 宋小豔, 謝東海 申請人:應達利電子(深圳)有限公司