石英音叉温度传感器测试系统(2)

　　32LabVIEW软件设计

　　本文采用USB串口方式把数据采集卡与上位机连接起来，通过LabVIEW软件函数库中的VISA库函数读取串口数据。读取串口数据时，首先选择相应的串口，设置参数（波特率、数据位数、奇偶校验位等），然后判断是否有数据写入串口，并通过数值和比较函数面板对得到的数据进行相应的计算，具体读取串口数据流程图如图8（a）所示。

　　LabVIEW软件编程采用模块化编程，其中的子VI（SubVI）类似于文本编程语言中的函数，每个子VI可以实现不同的目标，运用子VI可以把复杂的程序分解成简单的小程序来解决问题。基于LabVIEW的测试系统运用子VI实现对数据的采集、运算、分析、保存、打印等功能，然后设计便于操作、结构美观的人机交互界面来显示测试结果并实现对测试系统设备的控制。具体软件流程图如图8（b）所示。

　　LabVIEW的编程与传统的文本语言设计不同，它采用的是图形化的编程语言进行程序设计。本测试系统首先运用读取串口数据的VISA函数，读取数据采集卡通过串口向计算机发送的频率数据，然后通过软件编程，实现对数据的分析和处理。为了使测试结果更精确，可先对频率信号进行多次测量，剔除误差较大的干扰，再把测量结果取平均值进行下一步分析，如数据的保存、运算、打印以及图形的显示。测试系统部分程序框图如图9所示。

　　4测试结果与分析

　　调节恒温槽的温度，在0℃到100℃之间设置20个测频点，每隔5℃采集一次数据，待温度恒定20min后，每隔10s采集一次数据，共采集20组，求取平均值作为本测频点的频率数据。测试结果如图10所示，当温度从0℃到100℃时，谐振频率从37086kHz降到36773kHz，满量程输出为313Hz。石英音叉谐振式温度传感器随着温度的升高，谐振频率下降，即具有负温度特性，温度系数为-2979Hz/℃，即该传感器的灵敏度是2979Hz/℃。

　　由测试结果表明，对该温度范围内数据进行线性拟合的相关系数为09999，该传感器的谐振频率的偏移与温度具有很强的相关性。一阶拟合后最大偏差为006Hz，非线性误差为0019%，表明该石英音叉谐振式温度传感器具有良好的线性度。

　　为了对该传感器的迟滞性进行分析，分别对该传感器的升温过程与降温过程的数据进行采集。测试结果如图11所示，升温过程和降温过程输出频率的最大偏差值为00719Hz，由此可知传感器的迟滞度为0023%。

　　为了对该传感器的稳定性进行测试，将恒温槽温度设定为25℃，每隔一天检测一次，读取了60个采样点的数据。具体测试结果如图12所示。由测试结果表明，该传感器的基准频率为37008Hz，频率偏移的线性化拟合方程的一阶系数为00002，而一阶系数越小，表明稳定性越好，说明该传感器具有良好的稳定性。

　　在60d的测试期内，石英音叉温度传感器的老化现象与时间直接相关，而石英音叉谐振式温度传感器稳定性拟合方程则为传感器实际测量结果的修正提供了依据。

　　为了对该传感器的特性进一步分析，对采样数据分别进行一阶拟合和二阶拟合，拟合后的误差曲线如图12所示。该传感器一阶拟合后最大偏差为006Hz，标准差为0162Hz，极限分辨力为005℃；二阶拟合后最大偏差为0026Hz，标准差为0077Hz，极限分辨力为0025℃，结果如表1所示。由测试结果可知，二阶系统拟合后比一阶系统误差更小，精度更高，更接近石英音叉温度传感器的实际模型。

　　5结语

　　本文提出了一种输出为频率信号的双切角石英晶体的石英音叉温度传感器，主要完成了以下四方面的内容：

　　1）分析该传感器的工作原理、振动模式及谐振频率与温度的关系。搭建基于LabVIEW的传感器测试系统，完成了对该传感器温度频率特性的测试。

　　2）测试结果：该石英音叉温度传感器，在0℃到100℃的温度范围内，该传感器灵敏度为2979Hz/℃，遲滞度为0023%，非线性误差为0019%，分辨力为005℃。

　　3）同时采用二阶拟合的方法，由测试结果表明，二阶拟合后系统误差更小，灵敏度更高，更接近于实际模型。

　　4）实验结果表明，该测试系统性能稳定、数据准确可靠，能够实现对该传感器特性快速、科学的测量。

　　作者：徐军

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