什么是石英晶体谐振式传感器?

[拼音]：shiying jingti xiezhenshi chuanganqi

[外文]：vibrating silicon crystal transducer

以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成，当被测参量发生变化时，它的固有振动频率随之改变，用基于压电效应（见压电式传感器）的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。石英晶体谐振式传感器的精度高，响应速度较快，常用于测量温度和压力。

早期的石英晶体温度-频率传感器采用具有非线性温度－频率特性的石英晶体谐振器制作。在发现具有线性温度－频率特性的石英晶体切型后，这种温度传感器的谐振器采用LC切型的平凸透镜石英晶体块制成，其直径约为数毫米，凸面曲率半径约为100毫米以上。谐振器封装于充氦气的管壳内,在传感器电路（图1）中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器，它的基本谐振频率为28兆赫。电路中另有一个振荡频率为2.8兆赫的基准振荡器,它通过十倍频后输出一个28兆赫的参照频率。两个振荡器的输出经门电路相加送往混频器得到差频输出信号，它是被测温度与基准温度（即基准振荡器的温度）之差与1000赫／℃（温度系数）的乘积，因此该差频输出信号记录了被测温度的变化。由时间选择开关产生不同的时间控制信号作为选通脉冲，以获得不同的分辨率。线性石英晶体－频率传感器可用于热过程流动速度不高、间隔时间较长的各种高精度温度测量的场合以及多路遥控系统、水底探测等方面，还可用它制成高分辨率的直读式数字自动温度计。

这种传感器所采用的谐振器是用厚度切变振动模式AT切型石英晶体制作的。谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。振子有扁平形、平凸形和双凸形三种，受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。图2是振子和圆筒为整体式结构的谐振器的结构图。振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成，谐振器的空腔被抽成真空，振动两侧上各有一对电极。圆筒和端盖严格密封。石英圆筒能有效地传递周围的压力。当电极上加以激励电压时，利用逆压电效应使振子振动，同时电极上又出现交变电荷，通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。当石英振子受静态压力作用时，振动频率发生变化，并且与所加压力成线性关系。在此过程中石英的厚度切变模量随压力的变化起了主要作用。与分离式结构相比整体式结构的主要优点是滞后小、频率稳定性极佳。但它的结构复杂、加工困难、成本也高。压力传感器的谐振器还有振梁式，也是由AT切型石英晶体制成，振梁横跨于谐振器中央。在振梁的两端上下对称设置四个电极，用于激励振动和拾取频率信号。当振梁受拉伸力时,其谐振频率提高,反之则频率降低。因此输出频率的变化可反映输入力的大小。这种传感器的优点是对温度、振动、加速度等外界干扰不敏感、稳定性好、品质因数高、动态响应特性好等。

参考书目

袁希光主编：《传感器技术手册》，国防工业出版社，北京，1986。