石英晶体温度传感器及其测温技术

　　随着生产和科技的发展，许多地方对温度测量与控制的要求愈来愈高，而普通常规温度传感器难以满足要求，需要高精度、高分辨力的温度传感器和测温仪器。而石英晶体温度传感器及温度计就是具有高分辨力（0.000 1℃）、高线性度 （0.002％）和高稳定性，适合中低温测量的新型温度传感器和测温仪器。

　　1．工作原理

　　利用石英晶体的固有频率随温度变化而变化的特性来测温的仪器，称为石英温度计。

　　石英的固有振动频率可用下式表示

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　式中，f为固有振动频率；n为谐波次数；b为振子的厚度；σ为密度；C为弹性常数。

　　石英振子的频率还与温度具有下列近似关系

f_t=f₀[l+α（t-t₀）+β（t-t₀）2+γ（t-t₀） ³] 　　　　　　　（2）

式中，f_０为在温度为t_０时的频率；f_０为在温度为t时的频率；t_０为基准参考温度；α，β，γ为一次、二次、三次幂的温度系数。

　　系数α，β，γ随石英晶体的切割角度的改变而变化。当切割角度不同时，温度系数也明显不同，说明石英的频率温度系数既是切割角度的函数，又是温度的函数。所谓频率温度系数，是指温度增加1℃时，其频率变化的相对偏移量。大量研究和实验表明采用Y切割的石英晶体片的振荡频率与温度呈线性关系，其斜率（即频率温度系数）约为1000Hz／℃。

　　2．石英晶体传感器结构

　　石英温度计通常采用石英振荡器，构成一个决定频率的谐振回路，而石英振子部分，通常采用易接受温度变化的结构。石英传感器的结构通常如图 所示，石英振子置于不锈钢保护管的上部，使其对外界温度变化敏感。由支柱支撑，振子的两面粘贴有用金等性能稳定的金属或合金制成的电极，并用引线与外部连通。石英振子虽由支柱支撑，但是它将阻碍振子振动，并且，外界振动及冲击等又要改变其支撑位置，都对精确测温不利。然而，若使石英片自由振荡，支撑位置又不受冲击是相当困难的。

　　3．石英温度计主要特性

　　①高分辨力分辨力达0.001～0.0001℃；

　　②高精度 在一50～120℃范围内，其误差为±0.05℃（普通温度计的误差一般大于±0.1℃）；

　　③高稳定度 年变化在0.02℃以内；

　　④热滞后误差小，可以忽略；

　　⑤因是频率输出型传感器，后续测量与处理电路设计方便、简单，且可不受放大器漂移及电源波动的影响，可方便地远距离（如1500m）传送温度测量信号；

　　⑥其精度和稳定性可以作为温度量值传递的标准及次级标准使用；

　　⑦石英传感器的抗强冲击性能较差，故在安装、运输和使用需特别注意。

图1　石英温度传感器

1-石英片；2-支柱；3-电极；4-引线

　　4．温度计的标定

　　由频率与温度的关系式（2）可知，只要确定了式中的α，β，γ的值，就可利用式（2）求得被测温度。下面以某国产标准低温石英温度计标定为例作一介绍。

　　该种温度计的测温范围为-80～0℃；测温的不确定度为15mK；分辨力为2～0.2mK，标定时选用水的三相点温度作为基准参比温度t_０，以一等标准铂电阻温度计作标准，在恒温槽中与石英温度计作比较检定。最后用最小二乘法拟合频率温度关系式，求出α，β，γ三个温度系数。标定后的石英温度计就可投入使用。