Кварцевые датчики температуры

Кварцевые термометры – это автогенераторные преобразователи с частотным выходом, использующие в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический резонатор с сильной зависимостью частоты от температуры. Преимущество использования термочувствительных кварцевых резонаторов, прежде всего, заключается в их высокой чувсвительности, высокой стабильности и простоте использования. Сигнал от резонаторов можно сразу обрабатывать в цифровой форме, что удешевляет процесс контроля температуры.
Измерение температуры с помощью термочувствительных кварцевых резонаторов основано на использовании анизотропии кристалла кварца. Выбирая соответствующую ориентацию среза пьезоэлемента относительно кристаллографических осей, можно изменять его термочастотную характеристику (ТЧХ), которая в общем случае является нелинейной функцией температуры и описывается следующим выражением:

В широком диапазоне температур ТЧХ кварцевого резонатора с достаточной точностью аппроксимируется полиномом третьей степени (m = 3).

Для измерения температуры нужны кварцевые резонаторы с максимальным ТКЧ и монотонным изменением ТЧХ на рабочем участке. Современные кварцевые термочувствительные резонаторы имеют чувствительность 60 ppm/°C , что составляет 2 Гц/°С и 4 Гц/°С для резонаторов с опорной частотой, равной 32 и 64 кГц соответственно.

Диапазон измеряемых температур ограничен снизу азотными температурами, а сверху - примерно величиной +(150…200) °С. Ограничение определяется наличием провалов добротности резонаторов при использовании искусственного кварцевого сырья, а также уменьшением крутизны преобразования при понижении температуры. Для достижения высокой точности измерения температуры необходима индивидуальная градуировка с учетом нелинейных членов в аппроксимирующем полиноме, однако, в настоящее время это не является сложной задачей. Микропроцессор пересчитывает значение частоты, поступающее с кварцевого преобразователя, в значение температуры по индивидуальной градуировочной характеристике. Существуют термометры позволяющие измерять температуру в диапазоне –30...+100 °С с точностью 0,06 °С.

Типовой кварцевый термометр состоит из трех основных узлов: чувствительного элемента, частотного преобразователя и специального вычислителя (микроконтроллер). Созданный на базе кварцевых резонаторов цифровой термометр можно использовать как многоканальную систему контроля температуры. Можно осуществить передачу частоты с преобразователя температуры на расстояния до нескольких сотен метров.

Преимущественная область использования кварцевых термометров - научные исследования, связанные с высокоточными и длительными измерениями.