面向物流货物称重的石英晶体谐振器测试系统研究与设计

作     者：谭棵 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚尧

授予年度：2023年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 

主      题：物流货物称重 石英晶体谐振器 力频效应 阻抗分析法 

摘      要：随着物流行业的不断发展和货物运输需求的迅速增长,货物称重作为物流行业中不可或缺的环节变得愈发重要。为保障交通运输安全和降低物流成本,称重传感器及其测量方法的研究越来越受到关注,追求更高的稳定性和更低的成本是主要发展趋势。其中,石英晶体谐振器因其高精度、高稳定性和低成本等特点而逐渐引起关注,在货物称重领域展示出良好的应用潜力。其力频特性使其谐振频率随着受力的变化而改变,故通过测量其谐振频率可以实现货物的精确称重。因此,本文研究并设计了精准、低成本化的石英晶体谐振器的频率测试系统,并对其进行了测频与加力实验,本文主要工作内容如下:(1)通过理论分析与建模仿真确立研究对象及最佳加力角度。本文从石英晶体谐振器的力频特性出发,讨论了晶体切型角、方向角及环境温度对力灵敏度的影响,最终选用了加载力时频率偏移量最显著、热稳定性最好的对称AT-切型的非完整圆盘式石英晶体谐振器作为本文的研究对象,并通过COMSOL建模仿真确立了最佳加力方向角。(2)完成了石英晶体谐振器频率测试系统设计,以达到精确测频的功能。本文基于石英晶体谐振器的等效电学模型以及阻抗分析方法,完成了石英晶体谐振器测试系统的软、硬件设计。为了实现石英谐振器的电信号与其他模块电路信号互联和传递,以自动平衡电桥为核心设计了接口电路,减少了泄漏电流带来的分布电容,从而减小了测量误差。针对5-20 MHz石英基频,设计了直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis,DDS)扫频信号源作为激励源。基于AD8302设计了幅相检测模块,用于获取石英谐振器两端信号的幅值比情况。最后,设计了12位数据转换模块,用于将幅值比的模拟电压输出转换为数字信号,据此计算阻抗及判断谐振频率点。本文的实验验证表明,本文石英晶体谐振器测试系统与商用振荡电路法的绝对误差集中在0-250 Hz,相对误差区间0-0.003%,误差均为正,并且误差变化规律与石英谐振器的基频无关,具备良好的测频性能。此外,在货物称重实验中验证得出,灵敏度系数为2.767Hz/g,线性度为3.81%,滞后性为0.52%,重复性为0.15%,基本验证了本文研究的可行性与可靠性,具备良好的研究前景。