Page 164 - 机械设计制造与自动化技术研究

Research on Mechanical Design, Manufacturing and Automation Technology
机械设计制造与自动化技术研究

第六节 基于拉梅模谐振器的无线式石英测温系统设计

无线式石英温度传感器和石英测温系统有望解决传统测温系统存在的布线复
杂、高成本、高故障率、维修困难等难题。传感器必须与连杆、轴承同步运动，
非接触地高精度测温，并要求传感器体积小，长期稳定性好，能够耐高磁场工作。
谐振式石英温度传感器及其测温系统可分为声表面波（SAW）型和声体波型两
大类。前者由 SAW 热敏谐振器和无线询问器两部分构成，利用 SAW 谐振器的

热敏特性、逆压电和正压电效应，通过电磁兼容技术和编码设计，实现无线测
温，据报道，其热敏谐振器频率为 2.4GHz，外形尺寸为 10mm×3.1mm×2mm，
测温范围为 –40~250℃，分辨率为 0.2℃，准确度为 ±2℃，最小询问距离 0.5m。

其缺点是传输能量集中在敏感器晶片表层内，因此易受热应力及粉尘、油污、
气体质量加载的影响，稳定性欠佳。此外，其工作频率高，为 428MHz 至几个
GHz，寄生信号多，功耗大，Q 值较低，振荡电路必须紧邻石英热敏片，否则易
出现跳频或自激振荡现象，频率牵引灵敏度高，多路敏感与传输信号易出现互调
干扰等。因此缩小了系统测温范围，降低了测温准确度，并且使用甚高频、超高

频半导体器件，不仅成本高，而且温漂、时漂大，抗干扰能力欠佳。
声体波型温度传感器包括采用弯曲模、扭曲模的音叉式以及采用厚度切变模
的透镜式或柱状式。音叉式频率太低，为 32~262kHz，不仅灵敏度低，而且天线

的配备困难。通常天线的长度 L 为 λ/4，λ 为其工作频率的波长，频率越低，天
线的尺寸越大。不言而喻，最佳天线的长度 L 需高达数千米，其次，辐射电阻为
50~45Ω 的常规天线与动态电阻为 25~60kΩ 的音叉谐振器动态电阻差 3 个数量
级，难于实现共轭匹配。透镜式或柱状式的频率为 5~28MHz，体积较大，其响
应速度慢，功耗大。Lamé 石英谐振器已被应用于通信、IC 卡等行业中，但在传

感技术中应用颇少，而把 Lamé 模石英热敏谐振器应用于无线式测温系统国内外
尚无报道。
设计了基于 Lamé 模的石英测温系统，并通过实验测试证明了系统满足设计

要求。

一、Lamé 模石英测温系统结构及其工作机制

如图 5-2 所示，石英测温系统由无线发射器和接收器构成。

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