Пьезоэлектрические датчики температуры

При пьезоэлектрическом эффекте наблюдается зависимость частоты вибраций кварцевого кристалла от температуры. Именно на основе этого явления и реали­зуются пьезоэлектрические датчики температуры. Поскольку кварц является ани­зотропным материалом, резонансная частота пластины сильно зависит от угла среза кристалла (его кристаллографической ориентации). Поэтому выбирая сре­зы DT- и DТ- , можно получить кристаллы, обладающие незначительной темпе­ратурной чувствительностью. И наоборот, при использовании кристаллов других срезов можно реализовать датчики с ярко выраженной зависимостью частоты от температуры. Температурную зависимость резонансной частоты от температуры часто аппроксимируют полиноминальной зависимостью третьего порядка:

(16 53)

где DT и Df— температура и частотный сдвиг, f₀ — частота калибровки, а а - ко­эффициенты аппроксимации. Первый пьезоэлектрический детектор температу­ры был реализован в 1962 году на основе кристалла с Y-срезом [22]. После этого кампания Hewlett-Packard разработала очень удачный линейный датчик на осно­ве кристалла с LC-среза [23]. При использовании кристаллов Y-срезов третьим и четвертым членами выражения (16.53) можно пренебречь. Чувствительность та­кого датчика составляет 35 ррm/°С, а рабочий температурный диапазон — от —80°С ... +230°С при точности калибровки 0.02°С. С применением микропроцес­соров линейность становится не так важна, а главным фактором является чув­ствительность Так в нелинейных датчиках температуры, реализованных на осно­ве слегка повернутых кристаллов Y-среза с Q=-4°С, была получена чувствитель­ность 90ррm/°С [24]. Перспективными также являются резонаторы, использую­щие изгибные и торсионные моды колебаний. [25,26]

Следует отметить, что в пьезоэлектрических датчиках температуры всегда очень сложно организовать хорошую тепловую связь кристалла с объектом изме­рения, поэтому они обладают худшим быстродействием по сравнению с термис-торами и термоэлектрическими детекторами.

Литература

1 Benedict, R P Fundamentals of Temperature, Pressure, and Flow Measurements,
3rd ed John Wiley & Sons, New York, 1984

2 Callendar, H L On the practical measurement of temperature Phil Trans R Soc London 178,
160, 1887

3 Sapoff, M Thermistor thermometers In The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook
J G Webster, ed , CRC Press, Boca Raton, FL, 1999, pp 32 25-32 41

4 Fraden, J A two-point calibration of negative temperature coefficient thermistors
Rev Sci Instrum 71(4), 1901-1905, 2000

5 Steinhart, J S and Hart, S R Deep Sea Res , 15, 497, 1968

6 Mangum, В W Rev Sci Instrum 54(12), 1687, 1983

7 Sapoff, M , Siwek, WR , Johnson, H С , Slepian, J , and Weber, S In Temperature Its Measurement
and Control in Science and Industry J E Schooley, ed American Institute of Physics, New York, 1982,
Vol 5,p 875

8 Keystone NTC and PTC Thermistors Catalogue Keystone Carbon Company, St Marys PA 1984

9 Caldwell, FR Thermocouple Materials NBS monograph 40 National Bureau of Standards,
Washington, DC, 1962

10 Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement, 4th ed ASTM Manual Series
MNL 12-93 ASTM, Philadelphia, 1993

11 Sachse, H В Semiconducting Temperature Sensors and Their Applications Wiley-Interscience, New
York, 1975

12 Timko, M P A two terminal 1С temperature transducer IEEE J Solid-State Circuits SC-11,784-
788, 1976

13 Wickersheim, К A and Sun, M H Fluoroptic thermometry Med Electron , 84-91, Febr 1987

14 Femicola, VC et al Investigations on exponential lifetime measurements for fluorescence
thermometry Rev Sa Instrum 71(7), 2938-2943, 2000

15 Schultheis, L , Amstutz, H , and Kaufmann, M Fiber-optic temperature sensing with ultrathin silicon
etalons Opt Lett 13(9), 782-784,1988

16 Wolthuis, R , A , Mitchell, G L , Saaski, E , Haiti, J С , and Afromowitz, M A Development of
medical pressure and temperature sensors employing optical spectral modulation IEEE Trans
Biomed Eng 38(10), 974-981, 1991

17 Beheim, G , Fntsch, К , and Azar, M T A sputtered thin film fiber optic temperature sensor Sensors
Magazine, 37-43, Jan 1990

18 Hao, T and Lui, С С An optical fiber temperature sensor using a thermochromic solution Sensors
Actuators A 24, 213-216, 1990

19 Williams, J Some techniques for direct digitization of transducer outputs In Linear Technology
Application Handbook Linear Technology lnc , 1990

20 Venema, A , et al Acoustic-wave physical-electronic systems for sensors Fortschntte der Akustik der
16 Deutsche Arbeitsgemeinschaft fur Akustik, pp 1155-1158,1990

21 Vellekoop, M J , et al All-silicon plate wave oscillator system for sensor applications Proc IEEE
Ultrasonic Symposium, 1990

22 Smith, WL and Spencer, L J Quartz crystal thermometer for measuring temperature deviation in the
10-3 to 10-6°Crange Rev Sa Instrum 268 270, 1963

23 Hammond, D L and Benjammson, A Linear quartz thermometer Instrum Control Syst 3S,
115,1962

24 Ziegler H Alow-cost digital sensor system Sensors Actuators, 5,169-178,1984

25 Ueda, T, Kohsaka, F, lino, T, and Yamazaki, D Temperature sensor utilizing quatz tuning fork
resonator Proc 40th Ann Freq Control Symp , 1986, pp 224-229

26 EerNisse E P, and Wiggins, R В A resonator temperature transducer with no activity dips Proc 40th

Ann Freq Control Symp , 1986, pp 216-223

ГЛАВА 17

ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Химические датчики реагируют либо на определенные химические веще­ства, либо на химические реакции. Их назначение — идентификация и количе­ственное определение химических реагентов в газовой и жидкой фазах (хими­ческие датчики для твердых веществ практически не используются).

В научных и прикладных исследованиях химические датчики используются во многих областях: от мониторинга загрязнения атмосферы до обнаружения взрывчатых веществ. Такие датчики применяются для проведения регулярных анализов образцов газов в лабораторных условиях и для определения распрост­ранения пятен опасных химических реагентов в почве или водоемах. Новые сфе­ры применения химических датчиков - обнаружение местоположения насеко­мых — переносчиков опасных заболеваний, например, термитов по выделению ими газов в процессе переваривания клетчатки, а также мониторинг менстру­ального цикла у коров для повышения эффективности искусственного оплодот­ворения.

В промышленности химические датчики используются для контроля за тех­нологическими процессами при производстве пластмасс, а также при литье ме­таллов, где количество диффундированных газов влияет на некоторые парамет­ры металлов, например, на их прочностные характеристики. Они применяются для мониторинга среды в рабочих помещениях, для определения концентраций опасных для здоровья людей компонентов. Сфера применения химических дат­чиков постоянно растет: тестирование и контроль за качеством продуктов пита­ния, за распространением пестицидов в сельском хозяйстве и т.д.

В медицине химические датчики применяются для тестирования состояния здоровья людей по анализам состава крови и газов, находящихся в легких. Такие датчики также используются при определении уровня алкоголя в крови и для диагностирования проблем пищеварения.

В военных областях химические датчики используются для обнаружения топ­ливных складов и ядовитых веществ в воздухе, применяемых при проведении военных операций. Такие датчики используются для мониторинга подземных вод на территории военных баз, а также для контроля за токсичностью многих производств, особенно ядерных, с целью исследования влияния тех или иных компонентов на окружающую среду и здоровье людей.

Поиск по сайту: