石英晶体传感器应用电路设计
《传感器原理及工程应用》第四版(郁有文)课后标准答案
《传感器原理及工程应用》第四版(郁有文)课后答案————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第一章传感与检测技术的理论基础1．什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：某量值的测得值和真值之差称为绝对误差。
相对误差有实际相对误差和标称相对误差两种表示方法。
实际相对误差是绝对误差与被测量的真值之比；标称相对误差是绝对误差与测得值之比。
引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，也用相对误差表示，它是相对于仪表满量程的一种误差。
引用误差是绝对误差（在仪表中指的是某一刻度点的示值误差）与仪表的量程之比。
2．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。
测量误差可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。
在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。
在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。
采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。
引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。
3． 用测量范围为-50～+150kPa 的压力传感器测量140kPa 压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：绝对误差 2140142=-=∆kPa实际相对误差%43.1%100140140142=⨯-=δ 标称相对误差%41.1%100142140142=⨯-=δ 引用误差 %1%10050150140142=⨯---=）（γ 4． 什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。
随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。
石英晶体的压电效应及应用
浅析石英晶体的压电效应及应用摘要：文章通过对石英晶体结构、特性的描述，详细阐述了其压电效应机理及应用，提出了其存在的问题，介绍了其发展前景。
关键词：石英晶体压电效应应用石英是矿物质硅石的一种，化学成分是sio2，形状为结晶的六角锥体，是一种物理特性和化学特性都十分稳定的物质。
随着近代科学技术的发展，人们对石英晶体材料进行了广泛的研究，而利用其压电效应研制出的揩振器、传感器等器件，在工业生产及无线电技术中发挥着巨大的作用。
一、石英晶体的压电效应机理当石英晶体在某个方向受到外力的作用而变形时，其内部就会产生极化现象，同时在其表面会产生极性相反的电荷；当外力消失时，又恢复到不带电状态，当外力方向改变时，电荷极性也随之改变，这种现象称之为压电效应。
反之，当石英晶体受到交变电场作用时，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失。
这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。
具有压电效应的晶体称之为压电晶体，典型的压电晶体就是石英晶体，压电效应就是在石英晶体中被发现的。
二、石英晶体的应用1.石英晶体振荡器石英晶体振荡器是使用石英晶体作为谐振选频电路的振荡器。
将石英晶体按一定的角切成薄片，在晶体切片的表面上装上一对金属极板，这样就制成了石英晶体振荡器。
石英晶体振荡器是基于逆压电效应原理制成的。
当石英晶体受到交变电场时，石英晶体便会产生机械振动。
由于石英晶体具有一定的固有振动频率，当外加电场频率等于其固有频率时，便会产生谐振。
这就是石英晶体可以作为谐振选频电路的基本原因。
石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度，因而广泛使用于要求频率稳定度高的设备中，例如标准频率发生器、脉冲计数器等。
2.压电式力传感器压电式力传感器是利用石英晶体等压电材料的压电效应制成的一种力敏传感器。
当压电传感器受到外力时，其内部的压电元件在力的作用下发生变形，表面即产生电荷，只要测得其产生的电荷量，就可以得到作用力的大小，这就是压电传感器的基本工作原理。
石英晶体产生压电效应的原理
石英晶体产生压电效应的原理压电效应是指某些晶体在受到机械应力作用时，会产生电荷分离现象，从而产生电压差。
这种效应在石英晶体中尤为明显。
石英晶体是一种具有非中心对称结构的晶体，其晶格结构中存在着不同的正离子和负离子。
当外界施加压力或振动时，晶体结构会发生微小的形变，导致正负离子的相对位移，从而产生电荷分离。
具体来说，石英晶体的晶格结构是由SiO4四面体和AlO4四面体交替排列而成的。
在正常情况下，这些四面体的正负离子是保持平衡的。
但是一旦外界施加压力或振动，晶体结构会发生微小的畸变，导致四面体的正负离子之间的距离发生变化。
当施加压力或振动的方向与晶体的对称轴平行时，晶体结构的畸变会导致正负离子之间的距离增加或减小。
这种距离的变化会改变晶体中的电荷分布，使得正负离子之间的电势差发生变化。
这个变化的电势差就是压电效应产生的电压。
需要注意的是，压电效应是一个相互转换的过程。
当外界施加压力或振动时，晶体产生电荷分离，形成电压差；而当施加的压力或振动消失时，电荷分离也会消失。
同时，压电效应也是一个可逆的过程，即当外界施加的压力或振动方向改变时，电荷分离的方向也会发生变化。
石英晶体的压电效应具有许多重要的应用。
其中一个典型的应用就是压电传感器。
利用石英晶体的压电效应，可以将机械信号转化为电信号，实现压力、力量、加速度等物理量的测量。
此外，石英晶体还广泛应用于振荡器和滤波器等电子设备中，利用其压电效应来稳定和调节电信号的频率和波形。
总结起来，石英晶体产生压电效应的原理是由于其晶格结构的非中心对称性，当受到外界压力或振动时，晶体结构发生微小形变，导致正负离子之间的距离发生变化，从而产生电荷分离和电势差。
这种压电效应在许多领域都有广泛的应用，为我们的生活和科技发展带来了诸多便利和创新。
压力传感器单片机课程设计
压力传感器单片机课程设计第1 章前言电力压力器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。
其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。
由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低)，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。
而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。
磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
早在1954年美国C.S.Smith首先确认了半导体压电效应，1955年C.Herring 指出:这种压电电阻效应是由于应力的作用，引起导体与价电子带能量状态的变化，以及载流子数量与迁移率变化所产生的一种现象。
日本从1970年开始研究开发，首先应用在血压计上，之后在过程控制领域及轿车发动机控制部分都获得了广泛的应用。
最近几年在家用电器、装配机器人等应用领域普遍采用电子压力传感器作为压力控制、压力监控和判断真空吸附的效果。
图1 电子压力器模型1第2章电子压力器的工作原理 2.1 电子压力器的工作原理电子压力器由压力传感器，A/D转换器，数码显示等组成。
当用手按压传感器，腔体内外就会产生压差，这些压差就会转化成电压，电压转化成数字量后，根据压力变化1Kpa，输出电压变化为120mV的关系，依照采样的输出电压，采用线性插值法可计算出实际压力值。
然后将实际压力值送数码管显示。
图2.1.1为PS压力传感器的截面结构图，图2.1.2为其传感器部分的结构。
如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。
受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。
常用传感器的工作原理及应用
第3章 常用传感器的工作原理及应用3．1电阻式传感器填空：1、常用的电阻应变片分为两大类： 和 。
2、金属电阻的 是金属电阻应变片工作的物理基础。
3、金属电阻应变片有 、 及 等结构形式。
4、电位器式传感器都是由 、 和 三部分构成。
5、半导体应变片是利用半导体材料 制成的一种纯电阻性元件。
6、半导体应变片与金属电阻应变片相比较: 其灵敏度更高， 温度稳定性差。
7、弹性元件在传感器中起什么作用？8、 试列举金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。
9、 绘图说明如何利用电阻应变片测量未知的力。
10、电阻应变片阻值为120Ω，灵敏系数K ＝2，沿纵向粘贴于直径为0.05m 的圆形钢柱表面，钢材的112210E N m =⨯，0.3μ=。
求钢柱受10t 拉力作用时，应变片的相对变化量。
又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴、受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？11、采用阻值为120Ω、灵敏度系数K Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V ，并假定负载电阻无穷大。
当应变片上的应变分别为1με和1000με时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。
电容式传感器1、电容式传感器采用 作为传感元件，将不同的 变化转换为 的变化。
2、根据工作原理的不同，电容式传感器可分为 、 和 三种。
3、电容式传感器常用的转换电路有： 、 、运算放大器电路、 和 等 。
4、电容式传感器有什么特点？试举出你所知道的电容传感器的实例。
5、试分析电容式物位传感器的灵敏度？为了提高传感器的灵敏度可采取什么措施并应注意什么问题？6、为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的？采取什么措施可改善其非线性特征？7、变间隙电容传感器的测量电路为运算放大器电路，如图所示。
传感器的起始电容量pF C x 200=，定动极板距离mm d 5.10=，pF C 100=，运算放大器为理想放大器（即∞→∞→i Z K ，），f R 极大，输入电压t u i ωsin 5=V 。
传感器原理及工程应用_(第三版)_((郁有文))_(西安电子科技大学出版)_详细答案 (1)
4-12 电涡流传感器常用的测量电路有哪几种？其测量原理如何？各有什么特点？1、用于电涡流传感器的测量电路主要有：调频式、调幅式电路两种。
2、测量原理（1）调频式测量原理传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x 的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。
图4-6调频式测量原理图（2）调幅式测量原理由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。
石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流i o。
当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率f o，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。
因此，输出电压也随x而变化。
输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。
图4-7调幅式测量原理图除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。
3、特点✧调频式测量电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点。
✧调幅式测量电路线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。
4-13 利用电涡流式传感器测板材厚度，已知激励电源频率f =1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9×10-6ΩCm，被测板材厚度为=（1+0.2）mm。
试求：（1）计算采用高频反射法测量时，涡流透射深度h为多大？（2）能否采用低频透射法测板材厚度？若可以需采取什么措施？画出检测示意图。
【解】1、为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。
S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。
若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。
石英晶体传感器应用电路设计
东北石油大学课程设计2014年7 月15日任务书课程传感器课程设计题目石英晶体传感器应用电路设计专业测控技术与仪器姓名学号主要内容：本设计对利用石英晶体构成温度的传感器的方法做出较深入的研究，结合其他热敏电阻的特点进行详细的比较，并对石英晶体传感器的原理及石英晶体传感器原理做出详细的介绍，并结合单片机实现温度测量系统。
基本要求：1．分析石英晶体传感器应用电路设计方案；2．分析设计中各个电路的工作原理；3．详细说明所选用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、注明元器件选取参数。
4．设计思路清晰明确，原理分析简单，电路结构完整。
主要参考资料：[1] 曾兴雯、刘乃安、陈建.高频电路原理与分析[M].西安：电子科技大学出版社，2007.37-97.[2] 马洛夫著．翁善臣译.压电谐振传感器[M] .北京：国防工业出版社，1984.47-61.[3] 姚守拙.压电化学与生物传感器[M].湖南：湖南师范大学出版社，1997.39-41.[4] 陈小林，王祝盈，谢中等.石英晶体温度传感器的应用[J].传感器技术，2002(5)：55-57[5] 谢胜秋，宋国庆.谐振式水晶温度传感器的现状及发展预测[J].传感器技术，2002（2）：1-4完成期限2014.7.11—2014.7.15指导教师专业负责人2014年7 月10 日摘要温度测量是工业生产中的一个重要环节。
采用石英晶体作为温度传感器，利用石英晶体对温度的灵敏度高、线性度好等优点，本设计结合其他热敏电阻的特点进行了详细的比较，并介绍了谐振式石英晶体温度传感器的基本原理，给出了用单片机测量温度的基本电路，分析了测量算法，给出了软件流程图。
以80C552 单片机为控制核心，实现了石英晶体温度传感器的数字温度计技术。
实验结果表明，系统设计合理、工作稳定可靠、温度测量精度高。
同时给出了温度测量系统的硬件结构和软件设计。
关键词：石英晶体；温度敏感性；单片机；数字滤波目录石英晶体传感器应用电路设计 (1)一、设计要求 (1)1、功能与用途 (1)2、课题意义 (1)3、国内外发展现状 (1)二、设计方案及其特点 (2)1、方案一：热敏电阻测量 (2)2、方案二：热敏电阻PT100 (3)3、方案三：石英晶体温度传感器 (3)三、传感器工作原理 (4)四、电路的工作原理 (6)五、单元流程设计、参数计算和器件选择 (7)1、测量流程设计 (7)2、参数计算 (8)3、器件选择 (8)六、总结 (9)参考文献 (10)石英晶体传感器应用电路设计一、设计要求1、功能与用途石英晶体传感器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
基于氧化石墨烯的QCM呼吸传感器及系统
㊀２０２０年㊀第１２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．１２㊀基金项目：浙江省基础公益研究计划项目（ＬＧＦ１９Ｆ０１０００７）收稿日期：２０１９－１１－２６基于氧化石墨烯的ＱＣＭ呼吸传感器及系统何朝梁，金㊀浩，陶㊀翔，冯㊀斌（浙江大学信息与电子工程学院，浙江杭州㊀３１００２７）㊀㊀摘要：针对人体呼吸特征监测，设计了基于氧化石墨烯（ＧＯ）的石英晶体微天平（ＱＣＭ）呼吸传感器以及传感系统㊂传感器位于鼻子与上唇之间，通过监测呼吸导致的湿度变化来监测人体呼吸特征㊂通过研究ＧＯ敏感膜厚度对传感性能的影响，使ＱＣＭ传感器对湿度变化的响应和恢复时间可分别缩短到０．４ｓ和１．２ｓ，满足了呼吸监测的快速响应㊁恢复速度要求㊂传感系统可监测呼吸的发生时间和强度，可测量的呼吸频率大于２７次／ｍｉｎ，高于成人呼吸频率（约１６ ２０次／ｍｉｎ），可用于实际的人体呼吸监测㊂关键词：石英晶体微天平；氧化石墨烯；呼吸传感系统；呼吸传感器中图分类号：ＴＰ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）１２－０００１－０５ＲｅｓｐｉｒａｔｏｒｙＳｅｎｓｏｒａｎｄＳｙｓｔｅｍｏｆＱＣＭＢａｓｅｄｏｎＧｒａｐｈｅｎｅＯｘｉｄｅＨＥＣｈａｏ⁃ｌｉａｎｇ，ＪＩＮＨａｏ，ＴＡＯＸｉａｎｇ，ＦＥＮＧＢｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｈｕｍａｎｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｑｕａｒｔｚｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ（ＱＣＭ）ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｓｅｎｓｏｒａｎｄｓｅｎｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ（ＧＯ）ｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｌｏｃａｔｅｄｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｎｏｓｅａｎｄｔｈｅｕｐｐｅｒｌｉｐ，ｍｏｎｉｔｏｒｅｄｈｕｍａｎ ｓｂｒｅａｔｈｉｎｇｂｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｈｕｍｉｄｉｔｙｃｈａｎｇｅｃａｕｓｅｄｂｙｂｒｅａｔｈｉｎｇ．ＢｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＧＯｆｉｌｍｔｈｉｃｋ⁃ｎｅｓｓｏｎｓｅｎｓｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｒｅｃｏｖｅｒｙｔｉｍｅｏｆＱＣＭｓｅｎｓｏｒｔｏｈｕｍｉｄｉｔｙｃｈａｎｇｅｃａｎｂｅｓｈｏｒｔｅｎｅｄｔｏ０．４ｓａｎｄ１．２ｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈｍｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅ／ｒｅｃｏｖｅｒｙｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｎｍｏｎｉｔｏｒｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｔｉｍｅａｎｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒａｂｌｅｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ２７ｔｉｍｅｓ／ｍｉｎ，ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅａｄｕｌｔｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ａｂｏｕｔ１６ ２０ｔｉｍｅｓ／ｍｉｎ）．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｓｅｎｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅａｃｔｕａｌｈｕｍａｎｒｅｓｐｉｒ⁃ａｔｏｒｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａｒｔｚｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ；ｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ；ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｓｅｎｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ０㊀引言近年来，医疗领域中的传感器及系统研究受到了广泛的关注㊂在阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（ＯＳＡＳ）等睡眠呼吸系统疾病的防治中，呼吸监测系统是非常必要的［１］㊂然而，现有的呼吸监测系统在实际使用中往往复杂且不便［２－５］㊂我们曾提出了一种基于声表面波（ＳＡＷ）器件的呼吸传感器，通过检测呼吸引起的温湿度变化来监测呼吸［２］㊂与其他呼吸传感方法如呼吸感应容积描记（ＲＩＰ）技术［３］㊁阻抗图法［４］㊁心电信号估计法［５］相比，基于ＳＡＷ器件的呼吸传感器更简单㊁方便㊁直观㊂然而，ＳＡＷ传感器的工作频率很高（几百ＭＨｚ），对检测电路的设计有很高的要求㊂此外，ＳＡＷ传感器易受环境温度等干扰因素的影响㊂因此，基于ＳＡＷ的呼吸监测系统很难投入实际应用㊂石英晶体微天平（ＱＣＭ）是一种基于体声波（ＢＡＷ）的质量敏感型传感器㊂根据基本原理，ＱＣＭ的谐振频率随晶体表面质量载荷的变化成线性变化［６］，可以准确地检测到ｎｇ级的质量变化㊂ＱＣＭ传感器可以通过检测呼吸引起的湿度变化来监测呼吸㊂并且，与ＳＡＷ传感器相比，ＱＣＭ传感器具有可靠性高㊁重复性好㊁结构简单㊁成本低等优点㊂氧化石墨烯（ＧＯ）由于具有大表面体积比和高亲水性［７］的特点，是湿度检测的理想敏感材料［８］，可以显著提高ＱＣＭ湿度传感器的灵敏度㊂ＧＯ敏感膜修饰的ＱＣＭ湿度传感器在重复性㊁稳定性㊁响应／恢复时间等方面优于其他ＱＣＭ湿度传感器［９］㊂我们曾提出了一种用简单的滴涂法制备ＧＯ敏感膜的ＱＣＭ湿度传感器㊂该传感器具有良好的灵敏度㊁重复性㊁响应和恢复速度，对湿度变化的响应时间和恢复时间分别约为２０ｓ和３ｓ［９］㊂电子科技大学有团队提出了一种基于ＧＯ／ＰＥＩ层状薄膜的ＱＣＭ湿度传感器，采用喷雾工艺制备，响应时间和恢复时间分别减小到１０ｓ和５ｓ左右［１０］㊂此外，他们还提出了一种基于ＧＯ／ＺｎＯ层状薄膜的ＱＣＭ湿度传感器，其响应时间和恢复时㊀㊀㊀㊀㊀２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＤｅｃ．２０２０㊀间分别小于９ｓ和５ｓ［１１］㊂但是，这些ＱＣＭ传感器的响应和恢复时间仍不能满足呼吸监测对响应／恢复速度的要求㊂因为呼吸监测要求响应恢复的总时间应小于３ｓ（成人正常呼吸速率为１６ ２０次／ｍｉｎ［１２－１３］）㊂为达到呼吸监测的响应／恢复速度要求，本文研究了ＧＯ敏感膜厚度对ＱＣＭ湿度传感器响应和恢复时间的影响，同时选择合适的ＧＯ浓度值，以获得足够的频移，保持对湿度的高灵敏度㊂在此基础上，设计了一套完整的传感系统，可将ＱＣＭ呼吸传感器应用于现实生活的人体呼吸监测中㊂本文提出了一种基于ＱＣＭ和ＧＯ敏感膜的呼吸传感器，在保证频移在可测量范围内的同时，对ＧＯ的厚度进行了优化，以满足呼吸监测的响应／恢复速度要求㊂并开发了一套完整的用于呼吸监测的传感系统，包括传感器㊁信号采集与处理电路和软件㊂１㊀传感机理用ＧＯ敏感膜修饰的ＱＣＭ传感器可以用来测量湿度的变化㊂当湿度增加时，ＧＯ敏感膜会随即吸附更多的水分子，导致ＱＣＭ表面质量增加㊂当湿度降低时，ＧＯ敏感膜吸附的水分子会脱离，导致ＱＣＭ表面质量降低㊂而ＱＣＭ是一种质量敏感型传感器，质量变化会导致其谐振频率改变，其质量敏感公式为［６］：Δｆ＝－Δｍ㊃ｆ２Ｋ㊃ρＱ㊃Ｓ（１）式中：Δｆ为频率偏移量，Ｈｚ；ｆ为石英晶体的谐振频率，Ｈｚ；Δｍ为质量偏移量，ｇ；Ｋ为频率常数，Ｈｚ㊃ｍ；ρＱ为石英晶体的密度，ｇ／ｍ３；Ｓ为晶体表面电极的面积，ｍ２㊂对于某一确定的ＱＣＭ传感器，Ｋ㊁ρＱ㊁ｆ㊁Ｓ都为确定值，因此Δｆ与Δｍ为线性关系㊂人的呼吸会导致上嘴唇和鼻子之间的空气湿度周期性变化㊂在呼吸监测时，将ＧＯ敏感膜修饰的ＱＣＭ传感器置于鼻子与上唇之间㊂当人呼气时，呼出空气的湿度高于环境湿度，使得ＱＣＭ表面的ＧＯ敏感膜吸附水分子，ＱＣＭ表面质量增加，谐振频率降低㊂当人吸气时，湿度恢复到环境湿度，ＧＯ敏感膜中的水分子脱附，ＱＣＭ表面质量降低，谐振频率回升到原值㊂所以，我们可以通过测量ＱＣＭ传感器的谐振频率变化来实时监测呼吸㊂２㊀传感器及系统设计２．１㊀传感系统概述传感系统的系统框图如图１所示，系统由三部分组成：传感器㊁硬件电路和软件㊂传感器负责感知所在位置的湿度变化㊂硬件电路负责ＱＣＭ振荡信号产生㊁信号处理㊁信号频率测量以及数据发送等功能㊂软件通过接收频率数据实时监测呼吸情况，记录每次呼吸的发生时间和强度等呼吸特征㊂图１㊀系统框图硬件电路主要分为３个模块：振荡电路㊁放大整形电路和基于ＦＰＧＡ的等精度频率计［１４］㊂振荡电路是以ＱＣＭ传感器为石英晶体振荡器的晶体振荡电路㊂ＱＣＭ传感器与振荡电路模块之间可以通过长度为０ １．５ｍ的信号线连接，一起组成一个晶振电路㊂放大整形电路将振荡电路产生的信号放大并整形成方波㊂其中，放大电路采用共发射极三极管放大电路结构，使用反相器７４ＬＳ０４实现方波整形㊂基于ＦＰＧＡ的等精度频率计负责测量放大整形电路输出的方波信号频率，并通过ＵＡＲＴ将频率数据发送到软件㊂软件接收频率数据，并通过分析频率变化识别每一次呼吸的发生，在呼吸发生时记录发生时间㊁频移量等相关信息㊂２．２㊀传感器制备ＱＣＭ传感器采用ＧＯ作为敏感膜㊂图２（ａ）和图２（ｂ）分别是ＧＯ敏感膜修饰的ＱＣＭ传感器的截面示意图和实物照片㊂ＱＣＭ由２个金电极和ＡＴ切向石英晶体组成，直径为１３．９７ｍｍ，谐振频率为６ＭＨｚ㊂ＡＴ切向石英晶体具有接近零的温度系数，有利于抵抗环境干扰㊂为保证良好的湿敏特性，选择浓度为２ｍｇ／ｍＬ的ＧＯ分散液㊂㊀（ａ）横截面示意图㊀（ｂ）实物图图２㊀ＱＣＭ传感器制备ＧＯ敏感膜修饰的ＱＣＭ传感器的过程如下：首先，用丙酮㊁乙醇和去离子水依次超声波清洗ＱＣＭ５ｍｉｎ㊂之后，用氮气吹干ＱＣＭ，并在６０ħ下烘烤１０ｍｉｎ㊂同时用超声波振荡ＧＯ分散液（２ｍｇ／ｍＬ），以确保溶液的均匀性㊂然后，用微量进样器将一定量的ＧＯ分散液滴到ＱＣＭ金电极中心，并通过旋涂使溶液均匀地分布在ＱＣＭ金电极上㊂结束旋涂后，取下ＱＣＭ并在室温下放置直到干燥㊂如此就得到了带有ＧＯ敏感膜的ＱＣＭ湿度传感器㊂可以通过控制ＧＯ分散液用量㊁旋涂的转速㊁旋转㊀㊀㊀㊀㊀第１２期何朝梁等：基于氧化石墨烯的ＱＣＭ呼吸传感器及系统３㊀㊀时间对ＧＯ敏感膜厚度进行控制㊂实际制备了４种不同厚度的ＧＯ敏感膜，分别约为３００，４００，５００，６００ｎｍ，制备条件如表１所示㊂表１㊀制备条件与ＧＯ厚度ＧＯ分散液用量／μＬ转速／（ｒ㊃ｍｉｎ－１）旋转时间／ｓＧＯ厚度／ｎｍ１０５００３０６００５１０００３０５００１０１０００３０４００１５１０００６０３００３㊀测试结果及分析３．１㊀响应和恢复速度由于氧化石墨烯（ＧＯ）表面体积比大，亲水性强，ＧＯ敏感膜修饰的ＱＣＭ湿度传感器灵敏度很高，明显优于其他湿度传感器［９］，传感器的灵敏度要求很容易满足㊂成年人每分钟呼吸约１６ ２０次，对应的呼吸周期约为３ ４ｓ［１３］㊂在呼吸监测过程中，传感器对湿度变化的响应恢复总时间应短于呼吸周期㊂然而，在以往的研究中［９－１１，１５］，带有ＧＯ敏感膜的ＱＣＭ湿度传感器对湿度变化的响应和恢复时间并不能满足呼吸监测的要求㊂当响应和恢复速度都慢于呼吸引起的湿度变化时，湿度传感器无法用于呼吸监测㊂如果响应速度快于湿度增加，但恢复速度慢于湿度减小，则传感器将无法恢复到初始频率，基准谐振频率将随时间逐渐下移［２］，直到脱离晶振电路的频率工作范围㊂这种情况不但会给系统自动识别呼吸造成麻烦，还导致系统无法长时间监测呼吸㊂图３显示了一次呼吸对应的基于ＧＯ敏感膜的ＱＣＭ湿度传感器的谐振频率偏移㊂如图３（ａ）所示，ＧＯ敏感膜厚度约为６００ｎｍ的传感器的响应时间约为０．８ｓ，恢复时间约为６ｓ，总时间长于呼吸周期，且恢复时间过长，使得传感器无法满足连续呼吸监测的要求㊂通过减小ＧＯ敏感膜的厚度，可以缩短水分子离开ＧＯ敏感膜的时间，从而缩短传感器的恢复时间㊂所以，我们采用旋涂法在ＱＣＭ表面制备了厚度较小的ＧＯ敏感薄膜㊂与其他制备方法如滴涂法［９］㊁喷涂法［１０－１１］㊁逐层自重组技术［１６］相比，旋涂法可以更简单有效地控制制备的ＧＯ敏感膜厚度㊂经过改进，我们得到了一组ＧＯ敏感膜厚度更小的ＱＣＭ传感器㊂这些传感器的响应和恢复时间如图３（ｂ） （ｄ）所示㊂在图４中，我们比较了４种不同ＧＯ（ａ）ＧＯ敏感膜厚度约为６００ｎｍ（ｂ）ＧＯ敏感膜厚度约为５００ｎｍ（ｃ）ＧＯ敏感膜厚度约为４００ｎｍ（ｄ）ＧＯ敏感膜厚度约为３００ｎｍ图３㊀一次呼吸导致的ＱＣＭ传感器的频率偏移厚度下传感器的频移㊁响应时间㊁恢复时间和总时间㊂㊀㊀㊀㊀㊀４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＤｅｃ．２０２０㊀结果表明，随着ＧＯ厚度的减小，响应时间基本保持不变，一直小于１ｓ，而恢复时间明显缩短㊂在ＧＯ厚度约为３００ｎｍ时，传感器的响应时间和恢复时间分别约为０．４ｓ和１．２ｓ，满足连续呼吸监测（总时间小于３ｓ）的要求㊂ＧＯ敏感膜为３００ｎｍ时，呼吸导致的频移一般在１ｋＨｚ左右，最小则为２００Ｈｚ㊂设计的系统的频率测量精度为１Ｈｚ，但分辨呼吸导致的频移需要考虑环境干扰的影响，所以传感器对呼吸的灵敏度必须明显大于干扰㊂考虑到环境干扰带来的最大频移不超过５０Ｈｚ，使用ＧＯ敏感膜为３００ｎｍ的ＱＣＭ传感器可以明确区分呼吸与环境干扰导致的频移㊂因此，选择３００ｎｍ作为ＱＣＭ表面ＧＯ敏感膜的最佳厚度㊂图４㊀ＧＯ敏感膜厚度不同时传感器频移㊁响应时间㊁恢复时间㊁总时间的比较３．２㊀呼吸对谐振频率的影响图５显示了正常连续呼吸时系统测量的ＱＣＭ传感器（ＧＯ敏感膜约为３００ｎｍ）的谐振频率偏移㊂传感器位于鼻子和上唇之间㊂当人呼出空气时，谐振频率迅速下降，说明ＧＯ敏感膜随湿度的增加快速吸附水分子㊂当人呼气结束开始吸气时，ＱＣＭ周围的湿度恢复到与环境湿度相同的程度，ＧＯ敏感膜吸附的水分子迅速脱离，谐振频率恢复到原频率㊂图５㊀正常连续呼吸对应的ＱＣＭ传感器（ＧＯ敏感膜约为３００ｎｍ）的谐振频率变化当ＱＣＭ的位置固定时，呼吸强度直接与谐振频率的下降量相关㊂由于呼吸强度的不均匀，每一次呼吸所引起的频移是不同的，而且变化很大㊂如果有意控制呼吸强度，则谐振频率的下降量在２００ ４６００Ｈｚ范围内㊂如果是正常呼吸，谐振频率的下降范围为４００ １７００Ｈｚ，如图５所示㊂因此，通过比较频移可以确定同一场景下的不同呼吸的强弱㊂如图３（ｄ）所示，ＱＣＭ传感器（ＧＯ敏感膜约为３００ｎｍ）一个频率变化周期的总时间约为１．６ｓ，明显短于呼吸周期，满足连续呼吸监测的要求㊂如图５所示，５１ｓ内一共发生呼吸了２３次，相应呼吸频率约为２７次／ｍｉｎ，高于正常成人的呼吸频率㊂因此，该传感器能够满足正常成人连续呼吸监测的要求㊂３．３㊀呼吸识别系统在获得传感器的谐振频率数据后，会根据频率变化自动识别是否发生呼吸，并在记录相应的呼吸时间和强度（频率下降量）的基础上推断出被监测者的呼吸特征㊂考虑到可能的环境干扰和不同应用环境的差异，我们通过检测频率响应和恢复过程来确定是否发生呼吸㊂频率响应就是呼气引起的频率降低，它需要满足约束条件１㊂频率恢复就是吸气引起的频率上升，它需要满足约束条件２㊂约束条件１：ｆＡ－ｆＢ＞Ｙ１＆０＜（ｔＡ－ｔＢ）＜Ｘ１约束条件２：ｆＣ－ｆＢ＞Ｙ２＆０＜（ｔＣ－ｔＢ）＜Ｘ２式中：ｆＡ㊁ｆＢ㊁ｆＣ分别为ＱＣＭ传感器在ｔＡ㊁ｔＢ㊁ｔＣ时刻的谐振频率；Ｘ１㊁Ｘ２㊁Ｙ１㊁Ｙ２为呼吸识别参数，根据呼吸与频移的对应关系确定，受ＱＣＭ传感器灵敏度和放置位置的影响㊂只有当约束条件１被满足且约束条件２在随后规定时间内同样被满足时，才认为发生了一次呼吸㊂也就是说，只有满足Ｙ１和Ｘ１要求的快速频率下降，才被认为是呼气引起的频率下降㊂只有当软件发现呼气引起的频率快速下降时，才认为随后规定时间内符合Ｙ２和Ｘ２要求的频率快速上升是吸气引起的㊂此时系统才认为被监测者进行了一次呼吸㊂Ｘ１㊁Ｘ２㊁Ｙ１㊁Ｙ２作为呼吸识别参数，与传感器器件本身密切相关㊂对于我们制备的ＱＣＭ呼吸传感器（ＧＯ敏感膜约为３００ｎｍ）而言，当Ｘ１＝２ｓ㊁Ｘ２＝３ｓ㊁Ｙ１＝２００Ｈｚ㊁Ｙ２＝２００Ｈｚ时，传感系统可以无遗漏的识别每一次呼吸㊂此外，系统在每次呼吸检测后会搜索相应的呼吸频率变化阶段，得到最低和最高频率，相减得到代表呼吸强度的呼吸频率下降量㊂㊀㊀㊀㊀㊀第１２期何朝梁等：基于氧化石墨烯的ＱＣＭ呼吸传感器及系统５㊀㊀软件算法如下：步骤１：等待满足约束条件１的频率降低（对应呼气）㊂当出现满足约束条件１的频率下降时，转到步骤２；否则，留在步骤１；步骤２：等待满足约束条件２的频率上升（对应吸气）㊂如果在规定时间内检测到满足约束条件２的频率上升，则认为发生一次呼吸并进入步骤３；否则，认为受到了环境干扰并返回步骤１重新开始；步骤３：检查这次呼吸对应时间段的呼吸频率数据，确定频率最低点㊁频率最高点，计算得到该次呼吸对应的呼吸频率下降量，并记录呼吸发生的时间，然后回到步骤１㊂由于系统通过频率的下降沿和上升沿来检测呼吸，因此ＱＣＭ传感器的谐振频率并不是必须在一次呼吸结束后恢复到初始值㊂系统允许传感器在频率恢复到初始值前对下一次呼吸作出响应，只要之后在呼吸间隙频率能恢复初始值即可㊂这增加了系统可以测量的呼吸频率上限㊂４ 结束语综上所述，本文提出了一种具有最佳ＧＯ敏感膜的ＱＣＭ呼吸传感器和一套完整的呼吸监测系统，通过检测呼吸过程中的湿度变化来实时监测人的呼吸特征㊂通过对ＧＯ膜厚度的优化，使传感器的响应时间和恢复时间分别缩短到０．４ｓ和１．２ｓ，满足了连续呼吸监测对响应／恢复速度的要求㊂研制的传感系统可测量的呼吸频率大于２７次／ｍｉｎ，可作为正常成人的呼吸监测系统㊂该系统结构简单，用户友好，成本低廉㊂在未来，呼吸监测系统的电路可以小型化，可以集成蓝牙用于无线数据传输，可以使用机器学习算法识别呼吸模式，有望作为可穿戴的㊁家用的医疗保健应用㊂参考文献：［１］㊀ＺＨＡＮＧＷ，ＳＩＬＹ．Ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｖｅｓｌｅｅｐａｐｎｅａｓｙｎｄｒｏｍｅ（ＯＳ⁃ＡＳ）ａｎｄｈｙｐｅｒｔｅｎｓｉｏｎ：Ｐａｔｈｏｇｅｎｉｃｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄｐｏｓｓｉｂｌｅｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃａｐｐｒｏａｃｈｅｓ［Ｊ］．ＵｐｓＪＭｅｄＳｃｉ，２０１２，１１７（４）：３７０－３８２．［２］㊀ＪＩＮＨ，ＴＡＯＸ，ＤＯＮＧＳ，ｅｔａｌ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅｓｕｒｆａｃｅａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｂｓｔｒｕｃｔｉｖｅｓｌｅｅｐａｐｎｅａｓｙｎ⁃ｄｒｏｍｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，２７：１１５００６．［３］㊀ＷＵＤ，ＷＡＮＧＬ，ＺＨＡＮＧＹＴ，ｅｔａｌ．Ａｗｅａｒａｂｌｅｒｅｓｐｉｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｄｉｇｉｔａｌｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｉｎｄｕｃｔｉｖｅｐｌｅ⁃ｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙ［Ｃ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅＩＥＥＥＥｎ⁃ｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＭｅｄｉｃｉｎｅ＆ＢｉｏｌｏｇｙＳｏｃｉｅｔｙ，Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，２００９：４８４４－４８４７．［４］㊀ＺＨＯＵＣ，ＴＵＣ，ＴＩＡＮＪ，ｅｔａｌ．Ａｌｏｗｐｏｗｅｒｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｍｏ⁃ｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｓｉｘｈｕｍａｎｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎｗｅａｒａｂｌｅｂｏｄｙｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒＲｅｖｉｅｗ，２０１５，３５（２）：２１０－２１８．［５］㊀ＳＯＨＮＫ，ＭＥＲＣＨＡＮＴＦ，ＳＡＹＡＤＩＯ，ｅｔａｌ．Ａｎｏｖｅｌｐｏｉｎｔ⁃ｏｆ⁃ｃａｒｅｓｍａｒｔｐｈｏｎｅｂａｓｅｄｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｃａｒｄｉａｃａｎｄｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｐｏｒｔｓ，２０１７，７：４４９４６．［６］㊀ＳＡＵＥＲＢＲＥＹＧ．Ｔｈｅｕｓｅｏｆｑｕａｒｔｚｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓｆｏｒｗｅｉｇｈｉｎｇｔｈｉｎｌａｙｅｒｓａｎｄｆｏｒｍｉｃｒｏｗｅｉｇｈｉｎｇ［Ｊ］．ＺｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔｆｕｅｒＰｈｙｓｉｋ，１９５９，１５５：２０６－２２２．［７］㊀ＤＩＫＩＮＤＡ，ＳＴＡＮＫＯＶＩＣＨＳ，ＺＩＭＮＥＹＥＪ，ｅｔａｌ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅｐａｐｅｒ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，２００７，４４８（７１５２）：４５７－４６０．［８］㊀ＶＡＳＩＬＪＥＶＩＣＤＺ，ＭＡＮＳＯＵＲＩＡ，ＡＮＺＩＬ，ｅｔａｌ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａ⁃ｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｉｎｋ⁃ｊｅｔｐｒｉｎｔｅｄｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄｏｎｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓＪｏｕｒｎａｌ，２０１８，１８（１１）：４３７８－４３８３．［９］㊀ＪＩＮＨ，ＴＡＯＸ，ＦＥＮＧＢ，ｅｔａｌ．Ａｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｑｕａｒｔｚｃｒｙｓｔａｌｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅｕｓｉｎｇｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅａｓａｓｅｎｓｉ⁃ｔｉｖｅｌａｙｅｒ［Ｊ］．Ｖａｃｕｕｍ，２０１６，１４０：１０１－１０５．［１０］㊀ＹＵＡＮＺ，ＴＡＩＨ，ＢＡＯＸ，ｅｔａｌ．Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ／Ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅｉｍｉｎｅ）ｆｉｌｍＱＣＭｓｅｎｓｏｒｓ［Ｃ］．２０１５ＩＥＥＥＳＥＮＳＯＲＳ，２０１５：８８８－８９１．［１１］㊀ＹＵＡＮＺ，ＴＡＩＨ，ＢＡＯＸ，ｅｔａｌ．Ｅｎｈａｎｃｅｄｈｕｍｉｄｉｔｙ⁃ｓｅｎｓｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｎｏｖｅｌｇｒａｐｈｅｎｅｏｘｉｄｅ／ｚｉｎｃｏｘｉｄｅｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｌａｙｅｒｅｄｔｈｉｎｆｉｌｍＱＣＭｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０１６，１７４：２８－３１．［１２］㊀ＡＤＩＢＦ，ＭＡＯＨ，ＫＡＢＥＬＡＣＺ，ｅｔａｌ．ＳｍａｒｔＨｏｍｅｓｔｈａｔｍｏ⁃ｎｉｔｏｒｂｒｅａｔｈｉｎｇａｎｄｈｅａｒｔｒａｔｅ［Ｃ］．ＡＣＭＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＨｕ⁃ｍａｎＦａｃｔｏｒｓｉｎＣｏｍｐｕｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ，２０１５：８３７－８４６．［１３］㊀ＭＣＧＥＥＳ．Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｒａｔｅａｎｄａｂｎｏｒｍａｌｂｒｅａｔｈｉｎｇｐａｔｔｅｒｎｓ［Ｍ］．Ｅｖｉｄｅｎｃｅ⁃ＢａｓｅｄＰｈｙｓｉｃａｌＤｉａｇｎｏｓｉｓ．４ｔｈｅｄ．Ｐｈｉｌａｄｅｌ⁃ｐｈｉａ，ＰＡ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ；２０１８：ｃｈａｐ１９．［１４］㊀孙登强，赵玉龙，李波，等．高精度石英振梁谐振式传感器测试系统设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１８（６）：９－１４．［１５］㊀ＣＨＥＮＸ，ＣＨＥＮＸ，ＬＩＮ，ｅｔａｌ．ＡＱＣＭｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄｏｎＧＯ／Ｎａｆｉｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｉｌｍｓｗｉｔｈｅｎｈａｎｃｅｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓＪｏｕｒｎａｌ，２０１６，１６（２４）：８８７４－８８８３．［１６］㊀ＣＨＥＮＷ，ＤＥＮＧＦ，ＸＵＭ，ｅｔａｌ．ＧＯ／Ｃｕ２ＯｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂａｓｅｄＱＣＭｇａｓｓｅｎｓｏｒｆｏｒｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＢ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ，２０１８，２７３：４９８－５０４．作者简介：何朝梁（１９９５ ），硕士研究生，主要从事微纳传感器及系统研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：２１７３１０４７＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ金浩（１９７９ ），副教授，博士生导师，主要从事智能传感器及系统的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｊｉｎ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
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东北石油大学课程设计2014年7 月15日任务书课程传感器课程设计题目石英晶体传感器应用电路设计专业姓名主要内容：本设计对利用石英晶体构成温度的传感器的方法做出较深入的研究，结合其他热敏电阻的特点进行详细的比较，并对石英晶体传感器的原理及石英晶体传感器原理做出详细的介绍，并结合单片机实现温度测量系统。
基本要求：1．分析石英晶体传感器应用电路设计方案；2．分析设计中各个电路的工作原理；3．详细说明所选用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、注明元器件选取参数。
4．设计思路清晰明确，原理分析简单，电路结构完整。
主要参考资料：[1] 曾兴雯、刘乃安、陈建.高频电路原理与分析[M].西安：电子科技大学出版社，2007.37-97.[2] 马洛夫著．翁善臣译.压电谐振传感器[M] .北京：国防工业出版社，1984.47-61.[3] 姚守拙.压电化学与生物传感器[M].湖南：湖南师范大学出版社，1997.39-41.[4] 陈小林，王祝盈，谢中等.石英晶体温度传感器的应用[J].传感器技术，2002(5)：55-57[5] 谢胜秋，宋国庆.谐振式水晶温度传感器的现状及发展预测[J].传感器技术，2002（2）：1-4完成期限2015.7.4—2015.7.8指导教师专业负责人2015年7 月1 日摘要温度测量是工业生产中的一个重要环节。
采用石英晶体作为温度传感器，利用石英晶体对温度的灵敏度高、线性度好等优点，本设计结合其他热敏电阻的特点进行了详细的比较，并介绍了谐振式石英晶体温度传感器的基本原理，给出了用单片机测量温度的基本电路，分析了测量算法，给出了软件流程图。
以80C552 单片机为控制核心，实现了石英晶体温度传感器的数字温度计技术。
实验结果表明，系统设计合理、工作稳定可靠、温度测量精度高。
同时给出了温度测量系统的硬件结构和软件设计。
关键词：石英晶体；温度敏感性；单片机；数字滤波目录石英晶体传感器应用电路设计 (1)一、设计要求 (1)1、功能与用途 (1)2、课题意义 (1)3、国内外发展现状 (1)二、设计方案及其特点 (2)1、方案一：热敏电阻测量 (2)2、方案二：热敏电阻PT100 (3)3、方案三：石英晶体温度传感器 (3)三、传感器工作原理 (4)四、电路的工作原理 (6)五、单元流程设计、参数计算和器件选择 (7)1、测量流程设计 (7)2、参数计算 (8)3、器件选择 (8)六、总结 (9)参考文献 (10)石英晶体传感器应用电路设计一、设计要求1、功能与用途石英晶体传感器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。
利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。
由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。
2、课题意义掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计一个通过跳线可实现串并联变换的晶体正弦波传感器。
提高电子电路的理论知识及较强的实践能力，能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。
3、国内外发展现状石英晶体产业随着IT产业的飞速发展和亚洲经济的复苏，去年下半年以来又开始蒸蒸日上，从水晶材料、石英晶片、石英晶体元器件到石英晶体专用仪器设备都急剧增长，处于供不应求的形式。
如美国SAUNDERS公司、TRANSAT公司，据说订单加班生产也满足不了用户急需的需求。
根据JEI的统计，日本1999年石英晶体元器件产量41.59亿只，产值为201648百万日元，平均单价为48.5日元。
我国去年产量（据不完全统计）约为14亿只，但产值仅约10亿元，平均单价只约0.71元、由此可见，虽然从产量上说，我们已成了石英晶体元器件的主要生产国家之一，但产品的技术含量和档次低，产品的利润微乎其微。
暂时因为我们与日美等发达国家存在的技术差距较大，一直吃着发达国家的科技“剩饭”，在全球性产业结构调整中，日美等发达国家将劳动密集型产品转移到中国、泰国等发展中国家与地区，而大力发展技术密集、知识密集和智力密集的SMD晶体、晶体滤波器和晶体传感器等产品。
发展中国家由于产业发展水平低、高技术和高技术产业发展相对滞后，不得不接受这种国际分工，不得不接受发达国家淘汰和即将淘汰的技术与产业转移。
为了缩小与发达国家之间的差距、实践技术、经济的跨越式发展，我们应重视高素质人才的培养与使用，加强高技术、高附加值和自主知识产权等产业方面研究开发投入，在二十一世纪使我国石英晶体产业早日进入世界先进行列。
二、设计方案及其特点1、方案一：热敏电阻测量如图1所示是一种常用的热敏电阻测量原理电路，由电源，电阻电桥，运放和输出四部分组成。
电源部分包括R4，R6，C1，U1B。
R4，R6 为分压电路，C1主要滤除Vcc中的纹波，U1B为LM324运放，工作于电压跟随方式，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，为后级电桥提供稳定的电流。
电桥由R1，R2，R3，R13及U2（热敏电阻）组成，通过调节R13使电桥平衡，当温度发生变化时，热敏电阻阻值发生变化，电桥产生电位差。
运放电路由R7，R8，R9，R10及U1A组成，这是一种灵敏度高的电桥放大电路，放大倍数由R9/R8得到。
输出电路由R5，R12，R14，D1组成，调节R14可以调整输出电压幅度。
D1主要用于防止输出负电压，保护后级A/D电路。
其他电阻类传感器的工作原理与此相似，也可以分成以上几部分。
热敏电阻的指数曲线特性难补偿，线性差。
图1 热敏电阻温度采集电路图2 PT100温度采集电路3、方案三：石英晶体温度传感器石英谐振器的振荡频率随温度而变化。
采取特殊的切割方向，可以使这种变化加强，再把这种变化控制成线性或接近线性关系，就可以制成一种高灵敏度测温传感器。
根据不同的频率和切型，石英晶体温度传感器的温度灵敏度Ct 可以在20Hz/℃到2 850Hz/ ℃范围内变动。
对这一变化进行频率测量，可以使温度分辨力达到1x10-4℃，石英传感器的敏感元件是石英晶体，石英晶体传感器的原理框图如图3所示。
图3 石英晶体传感器的原理框图经方案一、方案二和方案三比较，由于石英晶体的主要成份是二氧化硅，其密度为2.65×103kg/3m ，莫氏硬度为7，熔点高达1750℃，难溶于水，长期稳定性能好，石英晶体具有较高的机电耦合系数，线性范围宽，重复精度高，滞后小，无热释电效应，动态特性优良，振动频率稳定，是其它材料难以代替的。
三、传感器工作原理对于某些切型的压电石英晶体，利用其温度－频率特性做成传感器，可将温度的变化转换为频率调制型信号；而该信号在传送与接收过程中，有很好的抗干扰能力，可实现遥测与遥控，易于用数字式仪器测量，易于与单片机、计算机连接，据此就可以做成满足要求的数字温度计。
根据不同的频率和切型，石英晶体温度传感器的温度灵敏度可以在20Hz/℃至2850Hz/℃范围内变动，使温度分辨力达1×10－4℃，而且温漂、时漂极小。
压电石英晶体在振荡电路激励下，会产生各种形式的机械振动。
晶片的厚度剪切振荡如图4所示，其振荡频率为：λμh n h v nf 22== （1） 式中，n ：泛音次数，h ：晶片厚度，v ：剪切波的速度，ρ：石英晶体密度，μ：石英晶体弹性系数；其中h ，ρ，μ都是温度的函数，这样，频率f 就成为温度t 的隐函数f （t ）。
实验表明，对任何一种石英谐振器，其温度－频率特性f （t）是一条二次或三次抛物线或直线；在－200～＋200℃内，在足够的精度下，石英晶振的频率特性bff baatt2)1(412 0--+-=（3）表1 常见石英温度传感器频率温度系数显然，当测得ft后可计算出被测温度。
为不失一般性，可用简化的牛顿迭代法（3）式求解三次函数，取t＝t做第一次迭代：001t af f f t +-= (4)图4 传感镜片的结构与厚度剪切震荡这样，既减小了非线性误差，又便于单片机运算。
四、电路的工作原理图5 单片机测温原理图由于用于测温的石英传感晶振的振荡频率f 较高（几MHz 以上），不能用单片机直接测量，但经分析后发现，可借助D 触发器测得其与参考频率的差值Δf ，从而实现测温。
测温电路如图5所示，由温度传感晶振构成的传感器，其输出的频率信号f 经整形后送到D 触发器。
取单片机的时钟晶振信号cp f （取cp f 稍低于f 0）为参考频率并作为D 触发器的CP 信号，其波形图如图3所示。
设ΔT ＝TCP －T ，初始时，CP 上升沿与D 端输入的传感方波f 的下降沿对齐，此刻，Q 端由高电平跳到低电平，经过k 个CP 周期，当kΔT ＝T/2时，Q 端变为高电平。
CP 周期的个数k 可由单片机定时器的计数值（即机周期个数）n 换算而得：k ＝－12n 。
这样，有ΔT ＝T/（24n ），而Δf ＝cp f －f ＝T ∆cp f /T ＝cp f /（24n ）。
此处，cp f 与f 并非同一晶振的频率，当在初始温度0t 时，单片机定时器的计数值为0n （不要溢出）； 传感晶振的温度为t 时，其频率的变化应当是：)11(240n n f f cp -=∆ （5） 用迭代法计算，代入得到第一次迭代的温度值为：00t af f t +∆=（6）按式计算出1f ，取Δ1f ＝Δf －1f ，代入上式做第二次迭代后，即算得较精确的被测温度t 。
为消除偶然误差，定时器的n 值取其连续16次测量值的平均值（除以16易实现）。
迭代计算依据上面的分析计算，其中的算术运算通过调用子程序来完成。
五、单元流程设计、参数计算和器件选择1、测量流程设计编写程序的框架流程图如图6所示，为消除偶然误差，定时器的n 值取其连续16次测量值的平均值（除以16易实现）。
图6 程序框架流程图2、参数计算迭代计算依据上面的分析，按照式（8）、（9）、（6）、（9）的顺序计算，其中的算术运算通过调用子程序来完成，其余不再赘述。
3、器件选择图7 器件电路表2 元器件清单六、总结本方案利用D触发器获取了温度传感晶振与单片机晶振的频率之差，并经单片机测量与计算，快速准确地实现了温度测量。
本设备成本低廉，响应快，易于与其它数字设备连接，实现实时在线点测温度。
不足之处在于：要求频率随温度而升高的传感晶振，在参考温度时的频率要略高于单片机晶振的频率（如高50Hz），这使得这两个石英晶体选取较麻烦。