CN102435342A - 一种基于at切石英晶体谐振器的温度测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪及测量方法，该测量仪包括有金属温度探测头、AT切压电石英晶体谐振器及频率-温度转换器，AT切压电石英晶体谐振器外表面具有焊盘，金属温度探测头一端连接到该AT切压电石英晶体谐振器的焊盘，AT切压电石英晶体谐振器输出端连接于频率-温度转换器，金属温度探测头一端和被测物体接触，被测物体的温度情况将在金属温度探测头上反映出来，AT切压电石英晶体谐振器的谐振频率根据温度变化，并通过频率-温度转换器输出温度的具体数值。该测量仪及测量方法能够有效地结合AT切压电石英晶体谐振器的特殊温度-频率特性，大大提高测量精度。

Description

一种基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪及测量方法

技术领域

本发明涉及温度测量仪及温度测量方法，准确地说是一种基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪及测量方法。更具体一点，本发明涉及AT切石英晶体谐振器温度-频率变化特性的设计和应用。

背景技术

温度测量仪是测温仪器类型的其中之一。根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计、双金属温度计等。

目前，温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。 通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交金刚，帮需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。 非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。

专利申请200920286835.2公布了一种金属管壁温度测量仪，该金属管壁温度测量仪，包括一柔性线路板、与该柔性线路板连接的一温度传感器芯片及一主线路板，柔性线路板与一金属片热耦合为一体，主线路板上还设置有第二个温度传感器，主线路板上设置的微处理器接收并处理温度传感器芯片和第二个温度传感器测量到的数据。这种结构，通过金属片与柔性线路板的耦合来进行温度测量，具有一定的测量精确度和稳定性好，但是其测量的正确地仍然不高，难以满足某些高精度场所的使用。

发明内容

经研究发现，压电石英晶体是由全球储存量极多的二氧化硅（SiO2）组成。如此多的原料储存量使得人造压电石英晶体成为压电行业的主要物料并且成本低。AT切压电石英晶片由于其特殊的温度-频率特性以及低成本等特点，成为制造一种温度测量仪的一个极佳的关键部分,并且这种温度测量仪的精度可以大大提高。

针对上述的情况，本发明提出了一种基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪及测量方法，该测量仪及测量方法能够有效地结合AT切压电石英晶体谐振器的特殊温度-频率特性，大大提高测量精度。

本发明的另一个目的在于提供一种基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪及测量方法，大该测量仪及测量方法成本低廉，能够大批量制造，便于推广和应用。

为实现上述目地，本发明是这样实现的: 

一种基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪，其特征在于该测量仪包括有金属温度探测头、AT切压电石英晶体谐振器及频率-温度转换器，AT切压电石英晶体谐振器外表面具有焊盘，金属温度探测头一端连接到该AT切压电石英晶体谐振器的焊盘，AT切压电石英晶体谐振器输出端连接于频率-温度转换器，金属温度探测头一端和被测物体接触，被测物体的温度情况将在金属温度探测头上反映出来，AT切压电石英晶体谐振器的谐振频率根据温度变化，并通过频率-温度转换器输出温度的具体数值。

本温度测量仪所用的石英晶体谐振器的AT切压电石英晶片，其特征在于该晶片的切角避开了晶片的温度-频率变化特性的非敏感区，反而使用了石英晶片的温度-频率变化的敏感区，形成了温度-频率变化敏感的AT压电石英晶片，即采用温度-频率变化的敏感区的切角制作AT切压电石英晶片。

由于压电石英晶体各向异性的特点，在石英晶体上按照某些方向或角度切出来的石英晶片的厚度切变谐振模式的频率随着环境温度的变化会变化很大，而按照另外一些方向切出来的石英晶片的厚度切变谐振模式的频率随着环境温度的变化会变化很小；在常规使用中，通常要求石英晶片的频率在特定的温度变化区间内随着温度的变化而尽量保持谐振频率不变或者变化小。本发明所使用的这种切角的选择会使AT切晶片在厚度切变谐振模式下的频率随着环境温度的变化会变化很大，本发明所用AT切压电石英晶片就是采用这种切角进行制作的。

本高精度温度测量仪所用的石英晶体谐振器采用是特殊设计的AT切压电石英晶片真空封装而成。通常设计的AT切压电石英晶片的特性就在于该类晶片切角的选择是根据以下原则来选的：所选的AT切石英晶片切角要使该晶片的谐振频率的变化在随环境温度的变化时最小化。而对于特殊设计的AT切压电石英晶片，其特殊性就在于该类晶片切角的选择是根据以下原则来选的：所选的AT切石英晶片切角要使该晶片的谐振频率的变化在随环境温度的变化时最大化。特殊设计的AT切压电石英晶片再进行真空封装，真空封装就是按照石英晶体谐振器的要求在一个特定真空内将AT切压电石英晶片封装制成的。

金属温度探测头可为一般的热敏感金属，也可是高灵敏度热敏感金属。其一端连接到这种特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器的焊盘，另外一端则可和被测物体接触。金属温度探测头为扁平状，便于热量的快速传输。被测物体的温度情况在和金属温度探测头接触后，会通过金属温度探测头直接传输到这种特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器的焊盘，然后又通过焊盘进入该谐振器的内部直接影响内部的AT切压电石英晶片，从而使该晶片的厚度切变振荡模式的频率发生相应变化。

频率-温度转换器在接收到特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器的频率变化后，根据预先编程的频率-温度转换表输出温度的变化读数到温度数字显示屏。

温度数字显示屏接收到频率-温度转换器输出的温度变化读数后，将其在显示屏上显示出来。

至于所要达到的具体的测量精度可根据产品规格来确定，具体的AT切压电石英晶片的切角和厚度切变振荡模式的频率也可根据产品规格来确定。

本发明所实现的测量方法的流程如下：

1．温度取样：将金属温度探测头和被测物体接触，被测物体的温度情况将在金属温度探测头上反映出来。

2. 温-频转换： AT切压电石英晶体谐振器受到金属温度探测头温度变化的影响后，该谐振器的厚度切变振荡模式的频率发生相应变化。该谐振器的一个焊盘和金属温度探测头连接，其频率输出端和频率-温度转换器连接，将频率输出给频率-温度转换器。

特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器使用非常规晶片真空封装而成。而非常规晶片来自于一种特殊的AT切压电石英晶片，其特征在于该晶片的切角避开了通常情况下同类晶片的温度-频率变化特性的非敏感区，反常地使用同类晶片的温度-频率变化的敏感区。具体的AT切压电石英晶片的切角和厚度切变振荡模式的频率可根据产品规格来确定。

3. 频-温转换：频率-温度转换器在接收到特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器的频率变化后，根据预先编程的频率-温度转换表输出温度的变化读数输出。

更进一步，为了清楚地显示温度情况，该方法还采用温度数字显示屏对温度数值进行显示。

该频率-温度转换器的一端和AT切压电石英晶体谐振器的频率输出端连接，另外一端和温度数字显示屏连接。该频率-温度转换器至少可以分辨1Hz的频率变化，其输出的温度变化读数（温度数值）至少可以精确到小数点后2位数。

温度显示：温度数字显示屏接收到频率-温度转换器输出的温度变化读数后，将其在显示屏上显示出来。

该温度数字显示屏和频率-温度转换器的一端连接。该温度数字显示屏至少可以显示小数点后2位数。

综合而言，本发明通过AT切石英晶片的温度-频率变化这一特殊特性，实现了温度测量精度的提高。本发明具有测量精度高、实现简单、易于批量生产以及成本低等优点。

附图说明

    图1为本发明实施的AT切角示意图。

图2为本发明实施的AT切晶片温度-频率变化曲线图。

图3为本发明实施的测量仪的结构示意图。

实施方式

    下面结合附图所示，对本发明的实施作更进一步地说明。

图1中，一种从压电石英晶棒上切出压电石英晶片的切法，也叫AT切法（ATcut ），用这种方法切出来的晶片就叫AT切晶片，在这种切法中，晶片的面和晶棒Z轴的夹角保持35度15分左右，并且同时一对平行边和晶棒X轴平行，如图1所示。图中，BTcut是一种从压电石英晶棒上切出压电石英晶片的切法，也叫BT切法，用这种方法切出来的晶片就叫BT切晶片，在这种切法中，晶片的面和晶棒Z轴的夹角保持-49度左右，并且同时一对平行边和晶棒X轴平行，如图1所示。在理想的压电石英晶体的外形结构中，共有30个晶面，共分5组，每组6个，即：6个m面（柱面）、6个R面（大棱面）、6个r面（小棱面） 、6个s面、6个x面，但在人造压电石英晶体中，很难见到理想的石英晶体，所以有些面会看不见，但m面（柱面）通常是看得见的。

在常规使用中，通常要求石英晶片的频率在特定的温度变化区间内随着温度的变化而尽量保持谐振频率不变或者变化小。由于压电石英晶体各向异性的特点，在石英晶体上按照某些方向切出来的石英晶片的厚度切变谐振模式的频率随着环境温度的变化会变化很大，而按照另外一些方向切出来的石英晶片的厚度切变谐振模式的频率随着环境温度的变化会变化很小。结合图1和图2，当AT切石英晶片的切角为35度15分（图1） + 0 分（图2） = 35度15分时，在图2上可知（取标号为0的那条曲线），当温度（图2 上的横坐标）在范围为 -40 ~ 80 度C之间变化时，该石英晶片的谐振频率会在谐振频率f（比如：f = 10 MHz）附近产生△f的变化，而此时对应的频率变化和频率之比 = △f / f （图2 上的纵坐标）会在大约 (-34 x 10的（-6）次方 = -34 ppm) ~ (12 x 10的（-6）次方 = 12ppm) 之间变化。也就是说，对于切角为35度15分的AT切晶片，当环境温度在 -40 ~ 80 度C之间变化时，其谐振频率的相对变化△f / f会在 -34 ~ 12 ppm 之间。在常规使用中，根据图2所示，AT切晶片的切角会选35度15分（图1） + 4 分（在图2上标号为 +4’那条曲线） = 35度19分，此时，当环境温度在 -40 ~ 80 度C之间变化时，其谐振频率的相对变化△f / f会在 -12 ~ 5 ppm 之间，这种切角的选择会使AT切晶片在厚度切变谐振模式下的频率随着环境温度的变化会变化较小。在非常规使用中，根据图2所示，AT切晶片的切角会选35度15分（图1）- 8 分（在图2上标号为 -8’那条曲线） = 35度7分，此时，当环境温度在 -40 ~ 80 度C之间变化时，其谐振频率的相对变化△f / f会在等于或者大于 -50 ~ 50 ppm 之间的区间，这种切角的选择会使AT切晶片在厚度切变谐振模式下的频率随着环境温度的变化会变化很大，本发明所用AT切压电石英晶片就是采用这种切角进行制作的，使用了同类晶片的温度-频率变化的敏感区，形成了温度-频率变化敏感的AT压电石英晶片，即采用温度-频率变化的敏感区的切角制作AT切压电石英晶片。

如果选择AT切压电石英晶片的切角为（35度15分-8分） =  35度7分（尽量以35度7分的角度来切出晶片来）时，如图2 所示，当温度在-20℃到80℃之间变化时，频率的相对变化约有100ppm。如果选用AT切压电石英晶片的厚度切变振荡模式的频率为50Mhz，则当温度在-20℃到80℃之间的100℃的变化中，对应的频率变化在0~5000Hz之间。平均来讲，温度1℃的变化对应于频率50Hz的变化，或者1Hz的频率变化相对于1/50℃的温度变化。在测量到1Hz频率变化的同时，也就大约测量到了1/50℃的温度变化。如果选用AT切压电石英晶片的厚度切变振荡模式的频率为100Mhz，则当温度在-20℃到80℃之间的100℃的变化中，对应的频率变化在0~10000Hz之间。平均来讲，温度1℃的变化对应于频率100Hz的变化，或者1Hz的频率变化相对于1/100℃的温度变化。在测量到1Hz频率变化的同时，也就大约测量到了1/100℃的温度变化。在这种频率-温度变化的特性转换应用到测量技术中，能够极大地提高了温度变化的测量精度。

图3所示，实现本发明的测量仪包括金属温度探测头10、AT切压电石英晶体谐振器20、频率-温度转换器30以及温度数字显示屏40。

当金属温度探测头10和被测物体接触后，被测物体的温度情况将在金属温度探测头10上反映出来。金属温度探测头可为一般的热敏感金属，也可是高灵敏度热敏感金属。其一端连接到特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器20的焊盘21。 

AT切压电石英晶体谐振器20是特殊设计的，其底表面具有焊盘21和频率输出端22，其中焊盘21又作为频率的一个输出端。AT切压电石英晶体谐振器20的一个焊盘21和金属温度探测头10连接，当特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器20受到金属温度探测头10温度变化的影响后，该谐振器20的厚度切变振荡模式的频率发生相应变化，其频率输出端22和21与频率-温度转换器30的输入端31和32连接。

当频率-温度转换器30在接收到特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器20的频率变化后，根据预先编程的频率-温度转换表输出温度的变化读数（温度数值）到温度数字显示屏40。频率-温度转换器30的输入端31和32于AT切压电石英晶体谐振器20的频率输出端21和22连接，频率-温度转换器30的输出端33和34于温度数字显示屏40连接。频率-温度转换器30至少可以分辨1Hz的频率变化，其输出的温度变化读数至少可以精确到小数点后2位数。

当温度数字显示屏40接收到频率-温度转换器30输出的温度变化读数后，将其在显示屏上显示出来。温度数字显示屏40至少可以显示小数点后2位数。

具体的测量方法如下。

1．温度取样：将金属温度探测头和被测物体接触，被测物体的温度情况将在金属温度探测头上反映出来。

2. 温-频转换： AT切压电石英晶体谐振器受到金属温度探测头温度变化的影响后，该谐振器的厚度切变振荡模式的频率发生相应变化。该谐振器的一个焊盘和金属温度探测头连接，其频率输出端和频率-温度转换器连接，将频率输出给频率-温度转换器。

3. 频-温转换：频率-温度转换器在接收到特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器的频率变化后，将频率根据预先编程的频率-温度转换表输出温度的变化读数输出。

4. 温度显示：该频率-温度转换器的一端和AT切压电石英晶体谐振器的频率输出端连接，另外一端和温度数字显示屏连接。温度的变化读数通过温度数字显示屏显示出来。该频率-温度转换器至少可以分辨1Hz的频率变化，其输出的温度变化读数（温度数值）至少可以精确到小数点后2位数。

通过这种方法，能够充分利用AT切石英晶片的温度-频率变化这一特殊特性，以及有能力对频率实施精确测量的这一技术，在温度-频率这两个物理特性的转换过程中，在实施了对频率的精确测量后，再通过频率-温度的转换，实现了温度测量精度的提高。经实际检测，本发明所实施的温度测量仪的精度至少可以达到0.01℃。

以上所述，仅仅是对本发明实施的具体描述，并不代表本发明所实施的所有方式。在本发明目的及技术方案的基础上所做的等同变化及修饰，均在发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪，其特征在于该测量仪包括有金属温度探测头、AT切压电石英晶体谐振器及频率-温度转换器，AT切压电石英晶体谐振器外表面具有焊盘，金属温度探测头一端连接到该AT切压电石英晶体谐振器的焊盘，AT切压电石英晶体谐振器输出端连接于频率-温度转换器，金属温度探测头一端和被测物体接触，被测物体的温度情况将在金属温度探测头上反映出来，AT切压电石英晶体谐振器的谐振频率根据温度变化，并通过频率-温度转换器输出温度的具体数值。

2.如权利要求1所述的基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪，其特征在于金属温度探测头可为一般的热敏感金属，也可是高灵敏度热敏感金属，金属温度探测头为扁平状，便于热量的快速传输。

3.如权利要求1所述的基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪，其特征在于AT切压电石英晶体谐振器使用石英晶片的温度-频率变化的敏感区。

4.如权利要求3所述的基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪，其特征在于所述石英晶体谐振器是将特殊设计的AT切压电石英晶片真空封装在一个特定空间内制成的，所述的特殊设计的AT切压电石英晶片是指所选的AT切石英晶片具有的切角要使该晶片的谐振频率的变化在随环境温度的变化时最大化。

5.如权利要求1所述的基于AT切石英晶体谐振器的温度测量仪，其特征在于该测量仪还包括频率-温度转换器以及温度数字显示屏；频率-温度转换器一端和AT切压电石英晶体谐振器的频率输出端连接，另外一端和温度数字显示屏连接。

6.一种基于AT切石英晶体谐振器的温度测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

A．温度取样：将金属温度探测头和被测物体接触； 

B. 温-频转换： AT切压电石英晶体谐振器受到金属温度探测头温度变化的影响后，该谐振器的厚度切变振荡模式的频率发生相应变化；该谐振器的将频率输出给频率-温度转换器；

C. 频-温转换：频率-温度转换器在接收到的AT切压电石英晶体谐振器的频率变化后，根据预先编程的频率-温度转换表输出温度的变化读数输出。

7.如权利要求6所述的基于AT切石英晶体谐振器的温度测量方法，其特征在于该方法还包括如下步骤：

D. 温度显示：频率-温度转换器在接收到特殊设计的AT切压电石英晶体谐振器的频率变化后，根据预先编程的频率-温度转换表输出温度的变化读数到温度数字显示屏；温度数字显示屏接收到频率-温度转换器输出的温度变化读数后，将其在显示屏上显示出来。

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