石英晶体传感器及其应用.docx

石英晶体传感器及其应用hanjuan导语：但凡把非电量转换为电量的装置均称为传感器但凡把非电量转换为电量的装置均称为传感器，它是实现信息检测、转换、控制和传输的元器件。石英晶体传感器按用处、构造、形状等大体可分为机械传感器、通用传感器、化学传感器和应用于DNA检测的生物传感器，而石英压力温度传感器是一种典型的机械通用型传感器。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路等组成。石英传感器的敏感元件是石英晶体，石英晶体传感器的原理框图见图1，石英晶体的主要成份是二氧化硅，其密度为2.65×103kg/m3，莫氏硬度为7，熔点高达1750，难溶于水，长期稳定性能好，石英晶体具有较高的机电耦合系数，线性范围宽，重复精度高，滞后小，无热释电效应，动态特性优良，振动频率稳定，是其它材料难以代替的。根据石英晶体的压电效应、压电逆效应及对某些物理量和化学量的变化会引起其频率和Q值或者等效电阻发生变化的原理而制成的石英传感器，具有精度高、灵敏度好、测量范围宽、反响迅速、数字输出等独特的优势。由于晶体是频率控制元件，本身就能到达数字化以频率的方式输出，当绝对频偏与被测含量呈线性关系时，其数字处理既简单又方便，且输出数字量稳定可靠，易与计算机接口，有利于二次仪表的数字化。数字量与模拟量相比，具有抗干扰性强，适宜于远间隔传输，消除了模拟数字转换这一复杂环节及其造成的误差。由于石英晶体还具有短稳频率与长稳频率的优良特点，传感器的分辨率可进步几个数量级，减少了传感器的校准次数。2石英晶体机械传感器石英晶体机械传感器主要用于测量位移、速度、力、弹性、重量等，较有代表性的传感器包括石英晶体测力计、石英晶体压力计、石英晶体加速度计、石英谐振式重力仪、石英差频重力仪等。2.1石英晶体测力计根据压电效应原理制造的石英晶体测力计，与接触外表的面积大小无关，当石英晶体受到力的作用时会产活力械形变，在其外表形成束缚电荷，电荷量的大小与作用力成正比，故测出其外表电荷量就可显示出作用力。大局部石英晶体测力计均采用压电系数较大的X切型或者AT切型的晶体，X切型晶体的压电方程为：qX=d11FX1式中，d11为压电常数，FX为沿晶体X方向施加的压力，qX为垂直于X轴平面上的电荷。从此式可见，配以适当的电荷放大器就可以测出作用力。石英晶体测力计的构造多种多样，目前研制的环形石英晶体测力计由两个石英晶片、两块环形石英质量块组成，中间夹一金属片作为电极引出线，另一电极为晶体与壳体相连的引出线，测力范围为100kg105kg。测力计主要应用于测量机床的切削力、机械工具上的实际应力、枪炮的后座力、发射火箭的推力、缆车报警装置等，例如上海测试研究所研制的测力垫圈测力范围小到100N左右、瑞士消费的9257A型测力平台等。2.2石英晶体压力计石英晶体压力计亦称石英晶体压力传感器，它是根据压电效应原理利用外界压力在石英晶体外表形成电荷，再实现电荷放大或者利用石英晶体的频率随外力的改变而改变的特性制成的。石英晶体一般采用5MHz的AT切型或者SC切型，其电荷灵敏度方程为：2式中，F为晶片所承受的外载，Q为总电荷，dmj为压电常数。力频特性的理论表达式为：3式中，F为力，t为晶体厚度;No为频率常数，kf为力频系数。通常采用的晶体切型为AT、BT和旋转X切。这种传感器大局部为膜片式构造，例如圆筒形的石英晶体压力传感器QPT由膜片、石英晶片和壳体组成，这是通过顶部的金属膜片将压力传递到石英片上的。石英晶体压力计主要应用于气象、海洋潮汐和海啸预警、海洋图形、喷气发动机等的测量。美国惠普公司消费的2811B型压力计的灵敏度为105Hz/6.9kPa，量程为082.7MPa，工作温度范围为0150，压力标定范围为1.4MPa75.9MPa,重复性为±2.76kPa，准确度为±0.025温度变化小于1。瑞士奇石乐公司消费的测量汽缸内压力的石英压力传感器，测量的压力上限可达300MPa400MPa。2.3石英晶体加速度计根据谐振频率与惯性力关系原理制造的石英晶体加速度计，灵敏度公式为SW=SF·m，式中，m为质量一般取1g500g，SF为力频灵敏度。石英晶体一般采用AT切型和X切型，具有灵敏度高、线性度好，重量轻、数字输出等特点，是测量振动与冲击的一种理想传感器。石英加速度计一般分为线性加速度计和振动冲击加速度计，还有一种伺服加速度计是利用石英晶体的机械特性而不是压电特性制成的一种电容式传感器。目前研制的石英晶体加速度计包括压缩式、悬臂式和膜合式等。晶体密封在充入枯燥氮气的膜盒内，膜盒的活动端加在晶体的自由端上，外加负载，成为膜合式。石英晶体加速度计用于测量导弹、航空航天飞行器的法向、纵向、横向加速度，汽车和舰船等交通工具加速度的检测和控制等。典型的石英晶体加速度计的灵敏度约为200Hz/G，分辨率优于103G,非线性度为1,横向灵敏度0