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多通道石英晶體測溫儀的設計與實現(xiàn)
發(fā)布時間：2017-09-01
1石英晶體測溫原理與特點
在-200～200℃的溫度范圍內,石英晶體諧振器的溫頻特性[1]可表示為
式中f0是溫度為t0時的諧振頻率,Hz;f(t)是溫度為t時的諧振頻率,Hz;T(f)=1n! nff0 tn為晶體的n階頻溫系數(shù).為簡單起見,取t0=0℃并將一階、二階、三階頻溫系數(shù)用α,β,γ表示,則式(1)可
當晶體采用LC切割時,理論上可使高次項系數(shù)為零,于是有f(t)=f0×(1+αt)或Δf=f(t)-f0=Bt,這里B=df(t)/dt=f0×α為感溫靈敏度,Hz/℃.可見只要測量Δf并按B值進行線性定標,即可實現(xiàn)溫度測量.
石英晶體用于測溫有著顯著的優(yōu)點.首先,它是頻率型傳感器,在電子測量中,頻率和時間的測量易于實現(xiàn)高精度;與模擬式傳感器系統(tǒng)比較,不需要進行模擬信號加工,也無需A/D轉換,因而誤差來源減少,抗干擾能力大大增強;其次,石英晶體的等效諧振回路品質因數(shù)極高,用其構成的諧振回路有很高的頻率穩(wěn)定度.以上兩條,為實現(xiàn)用石英晶體測溫奠定了有力的基礎.常用的測溫晶體的切型有LC切和Y切兩種,其性能比較如表1.
2系統(tǒng)硬件設計
2.1技術指標
測溫范圍:0～80℃;通道數(shù):8;分辨力:0.001℃;準確度:±0.05℃.
2.2系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)設計應追求盡可能高的性能價格比,本系統(tǒng)硬件框圖如圖1.
主控器8031控制8253的工作方式將恒溫晶振(標頻f=10 Hz,日穩(wěn)定度為1×10-8) 分頻獲得主閘門,同時控制數(shù)據(jù)選擇器以選擇標頻或測溫晶體諧振器(以下簡稱感溫探頭)的輸出進入系統(tǒng)以實現(xiàn)自校或測試.任何時候,都是利用閘門關閉的下降沿向8031申請中斷,通知CPU處理數(shù)據(jù),現(xiàn)將部分電路簡述如下.
2.2.1測溫晶體選擇與測溫探頭電路
如表1,為了降低成本,選用國產(chǎn)10 MHz、Y切測溫晶體,其B≈900 Hz/℃,感溫靈敏度較高,但非線性較大,對后者擬用軟件進行修正.
測溫探頭電路框圖如圖2.主振電路元件要求溫度特性穩(wěn)定,并經(jīng)老化篩選,晶體的激勵電平要調整合適,晶體必須進行老化以減小漂移[3].處理后的老化率可達10-7/年.
2.2.2閘門電路與計數(shù)電路
在一定的感溫靈敏度下,閘門寬度確定了測溫分辨力.現(xiàn)要求數(shù)溫轉換因子K=1×103/℃,則計數(shù)閘門寬度T可由下式確定:T≥K/B=1×103/900=1.12 s,取T=1.2 s.利用恒溫晶振、預分頻器和8253的T0,T1工作在方式3與方式2,可獲得所需要的閘門時間,改變預置數(shù)可靈活地改變閘門寬度.
計數(shù)電路由預計數(shù)器與定時器T0構成,預計數(shù)器為8位,以確保T0的計數(shù)頻率低于CPU主振頻率的1/24,取數(shù)申請由閘門后沿提出,INT0工作于邊沿觸發(fā)式.
2.2.3老化漂移修正
晶體老化引起的頻率漂移會降低測溫準確度,因此須定期進行校準,簡捷的辦法是在線修正零頻,這可用串行E2PROM存儲零頻漂移值來解決.
2.2.4自校與WDT
為了提高儀器使用的可靠性,儀器設置了自校功能.開機時儀器處于自校位置,對標頻進行計量.若儀器顯示正確的自校數(shù),則表明探頭以外的全部電路工作正常.WDT則是利用8253中定時器/計數(shù)器T2和一個負沿觸發(fā)的單穩(wěn)電路來完成.T2工作在方式4,預置1.5 s的時間常數(shù),利用方式4重新預置立即有效的特性,在程序正常工作時及時重寫時間常數(shù),否則在1.5 s以后系統(tǒng)自動重新復位.
3溫頻測試數(shù)據(jù)與誤差處理
筆者用國產(chǎn)10 MHz的Y切晶體試制8支探頭送計量部門檢定,測試結果表明各階頻溫系數(shù)與理論相符.限于篇幅,僅將1#、2#探頭數(shù)據(jù)列于表2,表3.為了滿足整機技術指標,有必要對誤差來源作一簡單分析.
晶體測溫誤差主要來源于測頻誤差、溫-頻特性的非線性誤差、晶體老化漂移誤差和運算誤差,對于后者,由于采用四字節(jié)浮點運算,其影響可以忽略.測頻誤差為
以T=1.2 s,f=10 MHz,Δfs/fs=1×10-8代入式(3)得Δft=±0.84 Hz.所以,Δtf=Δft/K=±0.84×10-3℃.老化漂移影響Δtd通過定期校準限制在0.001℃.
對于溫-頻特性的非線性誤差,采用最小二乘法二次曲線擬合,擬合后偏差如表中Δt1.由表可見,對1#探頭在10℃附近仍超差,為此對其進行分段二次逼近,擬合后偏差如表2中Δt2.經(jīng)過這樣處理之后,各探頭非線性誤差的最大值為Δtmax=0.044℃,經(jīng)以上處理,測溫儀的總誤差為Δt=Δt2f+Δt2d+Δt2l=0.046℃,滿足整機技術要求。
4軟件流程
軟件流程如圖3、圖4所示.
5結束語
理論和實踐證明,在0～80℃范圍內,利用國產(chǎn)Y切晶體實現(xiàn)高分辨力、高準確度測溫是可行的,采用本文提出的方案成本亦相當?shù)土?這對于那些溫度變化比較緩慢、變化量十分微小的應用場合尤為適宜.
摘自：中國計量測控網(wǎng)
