石英晶體傳感器及其應用
發布時間:2008/8/30 0:00:00 訪問次數:852
1引言
凡是把非電量轉換為電量的裝置均稱為傳感器，它是實現信息檢測、轉換、控制和傳輸的元器件。石英晶體傳感器按用途、結構、形狀等大體可分為機械傳感器、通用傳感器、化學傳感器以及應用于dna檢測的生物傳感器，而石英壓力溫度傳感器是一種典型的機械通用型傳感器。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路等組成。
石英傳感器的敏感元件是石英晶體，石英晶體傳感器的原理框圖見圖1，石英晶體的主要成份是二氧化硅，其密度為2.65×103kg/m3，莫氏硬度為7，熔點高達1750℃，難溶于水，長期穩定性能好，石英晶體具有較高的機電耦合系數，線性范圍寬，重復精度高，滯后小，無熱釋電效應，動態特性優良，振動頻率穩定，是其它材料難以代替的。
圖1 石英晶體傳感器的原理框圖
根據石英晶體的壓電效應、壓電逆效應及對某些物理量和化學量的變化會引起其頻率和q值（或等效電阻）發生變化的原理而制成的石英傳感器，具有精度高、靈敏度好、測量范圍寬、反應迅速、數字輸出等獨特的優勢。由于晶體是頻率控制元件，本身就能達到數字化（以頻率的方式輸出），當絕對頻偏與被測含量呈線性關系時，其數字處理既簡單又方便，且輸出數字量穩定可靠，易與計算機接口，有利于二次儀表的數字化。數字量與模擬量相比，具有抗干擾性強，適宜于遠距離傳輸，消除了模擬數字轉換這一復雜環節及其造成的誤差。由于石英晶體還具有短穩頻率與長穩頻率的優良特點，傳感器的分辨率可提高幾個數量級，減少了傳感器的校準次數。 2石英晶體機械傳感器
石英晶體機械傳感器主要用于測量位移、速度、力、彈性、重量等，較有代表性的傳感器包括石英晶體測力計、石英晶體壓力計、石英晶體加速度計、石英諧振式重力儀、石英差頻重力儀等。
21石英晶體測力計
根據壓電效應原理制造的石英晶體測力計，與接觸表面的面積大小無關，當石英晶體受到力的作用時會產生機械形變，在其表面形成束縛電荷，電荷量的大小與作用力成正比，故測出其表面電荷量就可顯示出作用力。大部分石英晶體測力計均采用壓電系數較大的x切型或at切型的晶體，x切型晶體的壓電方程為：
qx=d11fx（1）
式中，d11為壓電常數，fx為沿晶體x方向施加的壓力，qx為垂直于x軸平面上的電荷。從此式可見，配以適當的電荷放大器就可以測出作用力。
石英晶體測力計的結構多種多樣，目前研制的環形石英晶體測力計由兩個石英晶片、兩塊環形石英質量塊組成，中間夾一金屬片作為電極引出線，另一電極為晶體與殼體相連的引出線，測力范圍為100kg～105kg。測力計主要應用于測量機床的切削力、機械工具上的實際應力、槍炮的后座力、發射火箭的推力、纜車報警裝置等，例如上海測試研究所研制的測力墊圈（測力范圍小到100n左右）、瑞士生產的9257a型測力平臺等。
22石英晶體壓力計
石英晶體壓力計亦稱石英晶體壓力傳感器，它是依據壓電效應原理（利用外界壓力在石英晶體表面形成電荷，再實現電荷放大）或利用石英晶體的頻率隨外力的改變而改變的特性制成的。石英晶體一般采用5mhz的at切型或sc切型，其電荷靈敏度方程為：
（2）
式中，f為晶片所承受的外載，q為總電荷，dmj為壓電常數。力頻特性的理論表達式為：
（3）
式中，f為力，為晶片直徑，t為晶體厚度;no為頻率常數，kf為力頻系數。通常采用的晶體切型為at、bt和旋轉x切。這種傳感器大部分為膜片式結構，例如圓筒形的石英晶體壓力傳感器（qpt）由膜片、石英晶片和殼體組成，這是通過頂部的金屬膜片將壓力傳遞到石英片上的。
石英晶體壓
1引言
凡是把非電量轉換為電量的裝置均稱為傳感器，它是實現信息檢測、轉換、控制和傳輸的元器件。石英晶體傳感器按用途、結構、形狀等大體可分為機械傳感器、通用傳感器、化學傳感器以及應用于dna檢測的生物傳感器，而石英壓力溫度傳感器是一種典型的機械通用型傳感器。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路等組成。
石英傳感器的敏感元件是石英晶體，石英晶體傳感器的原理框圖見圖1，石英晶體的主要成份是二氧化硅，其密度為2.65×103kg/m3，莫氏硬度為7，熔點高達1750℃，難溶于水，長期穩定性能好，石英晶體具有較高的機電耦合系數，線性范圍寬，重復精度高，滯后小，無熱釋電效應，動態特性優良，振動頻率穩定，是其它材料難以代替的。
圖1 石英晶體傳感器的原理框圖
根據石英晶體的壓電效應、壓電逆效應及對某些物理量和化學量的變化會引起其頻率和q值（或等效電阻）發生變化的原理而制成的石英傳感器，具有精度高、靈敏度好、測量范圍寬、反應迅速、數字輸出等獨特的優勢。由于晶體是頻率控制元件，本身就能達到數字化（以頻率的方式輸出），當絕對頻偏與被測含量呈線性關系時，其數字處理既簡單又方便，且輸出數字量穩定可靠，易與計算機接口，有利于二次儀表的數字化。數字量與模擬量相比，具有抗干擾性強，適宜于遠距離傳輸，消除了模擬數字轉換這一復雜環節及其造成的誤差。由于石英晶體還具有短穩頻率與長穩頻率的優良特點，傳感器的分辨率可提高幾個數量級，減少了傳感器的校準次數。 2石英晶體機械傳感器
石英晶體機械傳感器主要用于測量位移、速度、力、彈性、重量等，較有代表性的傳感器包括石英晶體測力計、石英晶體壓力計、石英晶體加速度計、石英諧振式重力儀、石英差頻重力儀等。
21石英晶體測力計
根據壓電效應原理制造的石英晶體測力計，與接觸表面的面積大小無關，當石英晶體受到力的作用時會產生機械形變，在其表面形成束縛電荷，電荷量的大小與作用力成正比，故測出其表面電荷量就可顯示出作用力。大部分石英晶體測力計均采用壓電系數較大的x切型或at切型的晶體，x切型晶體的壓電方程為：
qx=d11fx（1）
式中，d11為壓電常數，fx為沿晶體x方向施加的壓力，qx為垂直于x軸平面上的電荷。從此式可見，配以適當的電荷放大器就可以測出作用力。
石英晶體測力計的結構多種多樣，目前研制的環形石英晶體測力計由兩個石英晶片、兩塊環形石英質量塊組成，中間夾一金屬片作為電極引出線，另一電極為晶體與殼體相連的引出線，測力范圍為100kg～105kg。測力計主要應用于測量機床的切削力、機械工具上的實際應力、槍炮的后座力、發射火箭的推力、纜車報警裝置等，例如上海測試研究所研制的測力墊圈（測力范圍小到100n左右）、瑞士生產的9257a型測力平臺等。
22石英晶體壓力計
石英晶體壓力計亦稱石英晶體壓力傳感器，它是依據壓電效應原理（利用外界壓力在石英晶體表面形成電荷，再實現電荷放大）或利用石英晶體的頻率隨外力的改變而改變的特性制成的。石英晶體一般采用5mhz的at切型或sc切型，其電荷靈敏度方程為：
（2）
式中，f為晶片所承受的外載，q為總電荷，dmj為壓電常數。力頻特性的理論表達式為：
（3）
式中，f為力，為晶片直徑，t為晶體厚度;no為頻率常數，kf為力頻系數。通常采用的晶體切型為at、bt和旋轉x切。這種傳感器大部分為膜片式結構，例如圓筒形的石英晶體壓力傳感器（qpt）由膜片、石英晶片和殼體組成，這是通過頂部的金屬膜片將壓力傳遞到石英片上的。
石英晶體壓
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