CN116735023B - 一种基于晶体双模谐振频率的自校准温度计 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于晶体双模谐振频率的自校准温度计，属于温度测量技术领域。本发明包括石英晶体谐振器、高速计数单元、存储单元以及微处理器，石英晶体谐振器利用THETA角度34°00’至34°30’，PHI角度20°10’至PHI20°20’切型的石英晶体，输出双模频率，通过配套系统实现自校准温度。本发明通过高频模对温度的高敏感性来测量计算温度，具有0.003度/Hz的敏感度。利用出厂时存储石英晶体谐振器高频模与低频模频率温度特性曲线斜率差异，以及低频模对频率温度变化的不敏感，与石英晶体老化后的频偏进行计算比较，进而自校准，解决了老化造成的温度偏移问题。本发明中石英晶体的切型加工简单，可兼容石英晶体大批量生产设备，适合批量生产。

Description

一种基于晶体双模谐振频率的自校准温度计

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种基于晶体双模谐振频率的自校准温度计。

背景技术

温度传感器广泛应用于生产和生活中各个领域，常用的温度传感器类型有热敏电阻传感器、热电偶传感器、石英晶体温度传感器等。

目前石英晶体温度传感器均为通过采集晶体频率，根据石英晶体固有的频率温度曲线计算温度。但是，所有石英晶体谐振器均有晶体老化这个现象，所谓的老化就是晶体频率的漂移，随着晶体老化，频率产生1-10ppm的偏移，这样计算出来的温度就随着漂移。

目前的温度传感器包括石英晶体温度传感器均无自校准功能，存在温漂问题，并且传统石英温度传感切型加工困难，无法兼容石英晶体批量生产设备。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于晶体双模谐振频率的自校准温度计，利用适合切型的石英晶体固有的物理特性，输出双模频率，通过配套系统自校准温度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于晶体双模谐振频率的自校准温度计，包括石英晶体谐振器、高速计数单元、存储单元以及微处理器；其中：

所述石英晶体谐振器中的石英晶体的切角为：

THETA角度：34°00’～34°30’；

PHI角度：20°10’～20°20’；

高速计数单元连接石英晶体谐振器，用于记录石英晶体谐振器的高频振动频率和低频振动频率；

存储单元用于存储出厂时的高频模温度和频率对应关系；

微处理器连接高速计数单元和存储单元，用于计算当前温度值，具体方式为：

读取高速计数单元输出的高频振动频率值，根据存储单元存储的高频模温度和频率对应关系，读出温度值t；

设石英晶体谐振器出厂时的高频振动频率随温度变化的曲线斜率为x，低频振动频率随温度变化的曲线斜率为y，随着石英谐振器老化，低频振动频率偏移为△f，则修正的温度差值△t为：

△t=-△f (x-y)/x(x+y)；

利用温度差值△t对温度值t进行修正，得到最终的当前温度t+△t。

与现有技术相比，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明利用适合切型的石英晶体固有的物理特性，输出双模频率，通过高频模对温度的高敏感性来测量计算温度，具有0.003度/Hz的敏感度。

2、利用出厂时存储石英晶体谐振器高频模与低频模频率温度特性曲线斜率差异，以及低频模对频率温度变化的不敏感，与石英晶体老化后的频偏进行计算比较，进而自校准，解决了老化造成的温度偏移问题。

3、本发明采用石英晶片常用封装，与传统传感器相比可做成小体积产品。本发明能够实现双模输出、温度自校准，且加工简单，可兼容石英晶体批量生产设备，适合批量生产，具有低功耗，低成本特点。

附图说明

图1为基于晶体双模谐振频率的自校准温度计的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于晶体双模谐振频率的自校准温度计，包括振荡电路、晶体谐振器、高速计数单元、微处理器、存储单元；其中：

石英晶体谐振器中石英晶体的切角为：

THETA角度34°00’至34°30’，PHI角度20°10’至20°20’。

此切型可以输出高频振动模、低频振动模两个频率，其中高频振动模的频率对温度敏感且线性度好，温度系数为29ppm/℃左右，低频振动模的频率对温度频率变化不敏感，温度系数为0.1ppm/℃左右；

高速计数单元连接石英晶体谐振器，用于记录石英晶体谐振器的高频振动频率和低频振动频率；振荡电路用于驱动晶体谐振器振荡；

存储单元存储出厂时高频模温度和频率对应关系；

存储单元存储用于校准的低频振动模出厂时温度和频率对应关系；

微处理器连接高速计数单元和存储单元，通过读取高频模频率值，与存储单元存储的高频模温度和频率对应关系计算温度值，达到温度测量目的。

在长时间工作后，由于老化因素，高频模会出现频率偏移1-10ppm，这样计算出来的温度随之偏移0.03℃-0.3℃。根据此切型物理特性，高频模因老化频率变化时，低频模会随之同比例变化。

使用时，测量在某温度下低频模的频率，与此温度下出厂频率相对比，利用低频模对温度的不敏感，可以计算出低频模的频率偏移。从而对高频模频率进行校准。例如当某温度下低频模偏移3ppm时，高频模同样偏移3ppm，这个时候温度偏移大约0.1℃。这个时候可以根据低频模频率偏移值把高频模进行修正校准。但是，该校准存在残差，例如当高频模偏移3ppm时，低频模同样偏移3ppm。低频模应当在相同温度下进行频率测量并与存储值进行比对，然而当高频模偏移3ppm时，实际测量温度偏差0.1℃左右，也就是说低频模并不是在与之前同样温度的情况下进行的频率测量，这样实际自校准是不完全准确的。0.1℃的偏差，在低频模0.1ppm/℃的温度系数下，会让低频模的测量产生0.01ppm左右的误差，会影响0.01/29=0.0004℃的自校准温度误差，如果是10ppm的高频模偏移，则会影响10/29×0.1/29=0.001℃。当能接受0.001℃左右的自校准温度偏差的话，可以不校准残差。如果对0.001℃左右的残差也要进行补偿的话，则可以利用以下公式：

△t=-△f (x-y)/x(x+y)；

其中，石英晶体谐振器出厂高频频率随温度变化的曲线斜率为x（29ppm左右，以存储器存储的温度频率曲线为准），低频频率随温度变化的曲线斜率为y（0.1ppm左右，以存储器存储的温度频率曲线为准），随着石英谐振器老化，低频频率偏移为△f，修正的温度差值为△t。

此外，可以设置常温25℃或其他一系列温度，用于自校准温度，还可以设置手动或自动进行自校准。

下面为一个更具体的例子：

如图1所示，一种基于晶体双模谐振频率的自校准温度计，包括振荡电路、晶体谐振器、高速计数单元、微处理器、存储单元；采用合适切型晶片制作石英晶体谐振器，切型：THETA角度34°00’至34°30’，PHI角度20°10’至20°20’。

该切型的石英晶体厚度切变产生的两种频率，分别是高频下的振动频率（此处称为高频频率）和低频模式下的频率（此处称为低频频率）。

高频频率对温度响应迅速，斜率为29ppm/度，可以用作温度测试。低频模频率与温度之间的关系，响应相对平滑，斜率在25度约为0.1ppm/度，在1度范围内斜率变化很小。高频模和低频模频率与温度之间关系形成两条曲线，斜率不同。

石英晶体谐振器振动频率与温度之间的关系，是石英晶体固有的物理特性，所以具有稳定的特点。以10M晶体谐振器为例，在温度为25度时，晶体的低频模振动频率为晶体的标称频率10000000Hz，高频模振动频率为10950000Hz。石英晶体谐振器在生产过程中，会有离散，每个谐振器在25度时，高频模和低频模的频率可能并不相同，都会在10000000Hz和10950000Hz附近，这不影响对温度计算的准确性。

在石英晶体谐振器出厂时，会根据每一只的出厂频率，将频率和温度对应关系记录，用于之后的测量和校准。

制作振荡电路对石英晶体谐振器进行驱动。

高速计数器对特殊切型的石英晶体厚度切变产生的两种频率：高频模频率和低频模频率，进行测量采集。采集的数据存储存储单元。

微处理器根据出厂时存储的高频模频率和温度对应关系，计算出当前温度。

随着时间石英晶体谐振器老化，出现频率偏移，那么温度也会测量不准确。那么就可以根据出厂时高频模和低频模频率与温度的斜率差异，进行自校准，修正温度值。

具体的自校准过程如下：

石英晶体谐振器出厂高频频率随温度变化的曲线斜率为x，低频频率随温度变化的曲线斜率为y，随着石英谐振器老化，低频频率偏移为△f，那么修正的温度值△t，就通过以下的公式可以计算出：

△t=-△f (x-y)/x(x+y)；

修正后将重新修正的高频模频率和低频模频率与温度对应关系存储到存储单元。存储单元在温度计出厂时，存储了全量程的频率和温度的对应关系。还设置了几个特殊点。0℃、5℃、10℃、20℃、25℃、50℃、70℃、85℃、100℃几个温度和频率的对应关系，当在以后的应用中再次遇到相应的频率后，就与之前存储得温度、频率关系进行对比，经过微处理器对温度变化值进行修正，再次存储修正差值，从而达到自校准的目的。

高频模频率出厂斜率为29ppm/℃，温度计采用高频模频率来测量计算温度，分辨率可精确到0.003度/Hz，响应迅速准确。

通过修正差值△t，修正频率温度对应关系，重新计算高频模斜率和低频模斜率，并存储就可以校准偏移的温度，达到自校准的目的。

总之，本发明通过高频模对温度的高敏感性来测量计算温度，具有0.003度/Hz的敏感度。利用出厂时存储石英晶体谐振器高频模与低频模频率温度特性曲线斜率差异，以及低频模对频率温度变化的不敏感，与石英晶体老化后的频偏进行计算比较，进而自校准，解决了老化造成的温度偏移问题。本发明中石英晶体的切型加工简单，可兼容石英晶体大批量生产设备，适合批量生产。

Claims (1)

1.一种基于晶体双模谐振频率的自校准温度计，其特征在于，包括石英晶体谐振器、高速计数单元、存储单元以及微处理器；其中：

所述石英晶体谐振器中的石英晶体的切角为：

THETA角度：34°00’～34°30’

PHI角度：20°10’～20°20’

高速计数单元连接石英晶体谐振器，用于记录石英晶体谐振器的高频振动频率和低频振动频率；

存储单元用于存储出厂时的高频模温度和频率对应关系；

微处理器连接高速计数单元和存储单元，用于计算当前温度值，具体方式为：

读取高速计数单元输出的高频振动频率值，根据存储单元存储的高频模温度和频率对应关系，读出温度值t；

设石英晶体谐振器出厂时的高频振动频率随温度变化的曲线斜率为x，低频振动频率随温度变化的曲线斜率为y，随着石英谐振器老化，低频振动频率偏移为△f，则修正的温度差值△t为：

△t=-△f (x-y)/x(x+y)

利用温度差值△t对温度值t进行修正，得到最终的当前温度t+△t。