石英晶体传感器及其应用

发布时间:2008/8/30 0:00:00 访问次数:868

　　1引言

　　凡是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途、结构、形状等大体可分为机械传感器、通用传感器、化学传感器以及应用于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。

图1 石英晶体传感器的原理框图

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、反应迅速、数字输出等独特的优势。由于晶体是频率控制元件，本身就能达到数字化（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，适宜于远距离传输，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，传感器的分辨率可提高几个数量级，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，与接触表面的面积大小无关，当石英晶体受到力的作用时会产生机械形变，在其表面形成束缚电荷，电荷量的大小与作用力成正比，故测出其表面电荷量就可显示出作用力。大部分石英晶体测力计均采用压电系数较大的x切型或at切型的晶体，x切型晶体的压电方程为：

qx=d11fx（1）

　　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。

　　石英晶体测力计的结构多种多样，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100kg～105kg。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）、瑞士生产的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，它是依据压电效应原理（利用外界压力在石英晶体表面形成电荷，再实现电荷放大）或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，为晶片直径，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。这种传感器大部分为膜片式结构，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

　　1引言

图1 石英晶体传感器的原理框图

　　2石英晶体机械传感器

　　21石英晶体测力计

qx=d11fx（1）