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Research on Mechanical Design, Manufacturing and Automation Technology
机械设计制造与自动化技术研究
二、Lamé 模石英测温系统设计的新理念及其技术关键
与常规的石英无线测温系统不同，没有把石英频—温信号处理组件置于发射
器端，而是安装在接收器端。没有使用模拟式温度敏感元件——铂电阻、热电偶
以及配套的基准电压产生器、AD 变换器、模拟放大器，以便降低测温系统的温漂、
时漂误差，不把敏感元件的信号调理电路置于发射器端，也不使用目前无线系统
惯用的工作频带为 315MHz、868MHz、915MHz 的 SmartRF 超高频收发通信芯
片或 NRF 系列 433MHz 无线射频芯片作为无线收发模块。因传输速率低，且为
数据透明传输协议，故网络安全性低、可靠性欠佳。此外，上述芯片都要与单片
机配套。常规单片机的工作温度通常是 0℃ ~70℃或 –40℃ ~85℃，限制了系统的
工作温度范围。因此，把热敏与载波谐振器密封于同一管壳内，构成一体化热敏—
载波双模谐振组件，并利用其控制电路、热敏和载波频率同步相干振荡器降低功
耗、提升共模抑制比、电磁兼容和防雷击之功效，扩展工作温区，提高保密性，
改善交扰调制比。
（一）Lamé 模石英热敏谐振器的设计、制备和创新
石英音叉热敏谐振器的优点是体积小，工作频率低，为 32~262kHz，热敏谐
振器与振荡电路可以相距 3.3m；即可使不耐核辐照、高磁场、不适宜宽温区工
作的半导体器件远离恶劣工况，仅热敏谐振器置被测区，提升耐恶劣条件能力。
然而频率低则其灵敏度也低，为 1.8~8Hz/℃；同时面临天线制备的难题。透镜式
石英热敏谐振器的频率为 5~29MHz，配套天线已商品化，但为 49U 型封装形式，
体积大，为 11mm×4.5mm×13.4mm，响应速度慢。其频率高，热敏谐振器与振
荡电路的最大间距要小于 500mm，从而束缚了系统测量范围和耐恶劣工况能力。
Lamé 模的频率位于厚度切变模与弯曲模、扭曲模之间，不仅兼有它们的优点，
而且 Q 值、温漂和时漂皆优于后二者，与厚度切变模相媲美；同时对力、压力
不敏感、耐磁场工作能力强，体积小，功耗低，其振荡电路与 Lamé 模谐振器的
间距可达 2~3m，显著地提升了测温范围和耐工况能力。如图 2 所示，把 Lamé
模热敏石英谐振器作为频率调制信号使用。其频率 f 可用式（1）表示：
f=（1/2）×（1/ρS’55）1/2×（m2/L2+n2/w2）1/2 （1）
式中，ρ 为石英的密度；S’55 为石英旋转切后的弹性柔顺常数；L 为谐
振器长度；w 为其宽度；m 和 n 为由泛音次数决定的常数。其切型是（yxl）
53°42’，一阶温度系数高，为 –51.4×10–6/℃左右，二阶温度系数近似为零，
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