论文总字数：23590字

摘 要

近代以来，压电石英技术得到了世界性的广泛关注，研究成果迅猛发展。石英晶体作为重要的压电材料，其构成的谐振器凭借其灵敏度高、稳定性高、动态范围高、互换性好、输出频率信号与微处理器兼容等优点，现在已广泛用于各种传感器中。本次设计的主要目标是设计一种整合了温度测量和力测量的石英振梁谐振器，并期望它对温度进行有效的补偿。这种基于双模振动的石英振梁谐振器由基于弯曲振动模式的力测量振梁和基于扭转模式的温度测量振梁组成。本次设计主要通过ANSYS软件对这种石英结构进行建模，通过有限元仿真求得这种谐振器的力频灵敏度和温频灵敏度。实验结果证明，这种石英结构的弯曲梁有很高的力频灵敏度和较低的温频灵敏度，能准确地测量力的大小；同时它的扭转梁有较高的温频灵敏度和较低的力频灵敏度，能实时准确地进行温度补偿，两者不会互相干扰，噪音较小。

关键词：石英晶体谐振器，弯曲模态，扭转模态，力频谐振器，温度测量谐振器，有限元仿真

Abstract

In modern times, piezoelectric quartz technology has received worldwide attention and research results have developed rapidly. As an important piezoelectric material, the resonator composed of quartz crystal has been widely used in various sensors due to its advantages such as high sensitivity, high stability, high dynamic range, high interchangeability and good compatibility of output frequency signal and microprocessor. The main purpose of this project is to design a key component of crystal accelerometer integrated by temperature measurement and acceleration measurement, and look forward to its effective temperature compensation. This quartz accelerometer measures acceleration by the bending mode vibration beam and temperature by the torsional mode tuning fork. The design was modeled by the ANSYS software with modal analysis, load analysis, finite element simulation of the force-frequency sensitivity and temperature-frequency sensitivity of the accelerometer elements. Experimental results show that this quartz bending beam structure has a high sensitivity of force-frequency and low sensitivity of temperature-frequency, which can accurately measure the acceleration; while its torsional-mode tuning fork has a high sensitivity of temperature-frequency and low sensitivity of force-frequency, which can perform the temperature compensation accurately. The two will not interfere with each other, and the noise is supposed to be low.

KEY WORDS: Quartz crystal resonator, Bending mode, Torsional mode, Force frequency resonator, Temperature measuring resonator, Finite element simulation

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1研究背景、目的和意义 1

1.2石英晶体谐振器的产生和发展 1

1.3石英振梁谐振器及其温度补偿 2

1.4 石英振梁谐振器的研究现状 2

1.4.1 厚度切变式石英晶体传感器 3

1.4.2 谐振式石英晶体音叉传感器 3

第二章 石英振梁谐振器的理论研究 5

2.1石英晶体的基本特性 5

2.2 石英振梁谐振器 5

2.2.1 石英晶体的压电效应 6

2.2.2 石英振梁谐振器的温敏特性和补偿 7

2.3 石英振梁谐振器的温度测量设计 8

2.3.1 石英晶体温度传感器的优点 8

2.3.2 石英晶体温度传感器的振动模式 8

2.3.3 石英晶体的切型选择 9

2.3.4 石英晶体的弹性柔顺矩阵介绍 10

2.3.5 石英振梁谐振器的温频特性 10

第三章 基于双模振动的石英振梁谐振器仿真 12

3.1 有限元分析法及ANSYS软件 12

3.1.1 有限元法综述 12

3.1.2 ANSYS软件介绍 12

3.2 ANSYS建模 13

3.2.1 实体模型的建立 13

3.2.2 定义模型的单元和材料 14

3.2.3 对模型进行网格划分 15

3.2.4 模态分析 15

3.3 温频灵敏度分析 17

3.4 力频灵敏度分析 21

第四章 结论 24

参考文献 25

致 谢 26

第一章 绪论

1.1研究背景、目的和意义

石英谐振传感器的历史发展源于使用石英电阻器作为频率控制时基的相关工作。近代以来，惯性仪器仪表的一个重要发展方向就包括了石英振梁谐振器技术，主要原因是石英振梁谐振器能直接输出数字频率，且其灵敏度很高，结构相对简易，频率也非常稳定，所以在世界各国都受到广泛关注。作为敏感元件，石英振梁谐振器可直接输出数字信号，避免了A/D转换引入的速度增量误差，相较于其他传感器有较高的精度和良好的抗噪性。其在成本，体积，功耗，重量，精度等方面具有突出的优势，在需要高精确度检测的领域中具有广阔的应用前景^[1]。

石英振梁谐振器可以通过基于弯曲模态的力频谐振器与质量-弹性构成机械二阶系统相组合就能完成对于加速度的测量，这在对加速度的测量中是一个典型的应用，另一方面，谐振器也可以进行力的测量，在压力，称重等方面的精密测量中有着良好的表现。谐振器的精度与温度有较大的关系，因此需要温度补偿系统来避免温度对谐振器产生影响。

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