DL-10型真空計(jì)的研制

一、 引言

　　石英晶振在諧振時(shí)，諧振阻抗與氣體壓強(qiáng)有關(guān)，上世紀(jì)八十年代有人研究。國內(nèi)在上世紀(jì)九十年代也有人對(duì)這種特性進(jìn)行了研究。目前這種真空計(jì)已經(jīng)上市，測量范圍是1Pa到大氣壓。這種真空計(jì)測量范圍較寬，精度較高。我們研制的DL-10真空計(jì)也是這種真空計(jì)，選用的晶振是Φ2×6型，頻率標(biāo)稱值為32.768KHz，測量范圍也是1Pa到大氣壓。

二、 DL-10型真空計(jì)的工作原理

　　晶振在諧振時(shí)，同時(shí)自身也存在機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)將受氣體的阻力，阻力的大小與氣體壓強(qiáng)有關(guān)。因而晶振的電學(xué)特性阻抗也與氣體壓強(qiáng)有關(guān)。Φ2×6晶振的阻抗與壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1所示：

　　縱坐標(biāo)是諧振阻抗Z與固有阻抗Z0之差△Z,橫坐標(biāo)是壓強(qiáng)。固有阻抗Z0是壓強(qiáng)小于10^-3 Pa時(shí)的Z值，這時(shí)氣體的阻力已經(jīng)可以忽略了。它決定于晶振機(jī)械震蕩時(shí)自身內(nèi)部損耗的能量，它與壓強(qiáng)無關(guān)。Φ2×6的Z0約20KΩ。由圖可見，在1-100Pa之間，△Z與P近似成線性關(guān)系，在10^-4~10^-5 Pa之間， △Z近似與成正比。DL-10真空計(jì)將圖1曲線存入單片機(jī)中，測量△Z值，由數(shù)碼管顯示壓強(qiáng)值。

三、 電路的選擇

　　文獻(xiàn)報(bào)道的用于石英真空計(jì)的電路有以下兩種，一是采用鎖相懷電路(phase locked loop circuit)，另一種是晶振本身為頻率控制元件的自振蕩、自跟蹤電路[2]。第一種國外真空計(jì)用的是電路振蕩器與傳感器用的石英晶振是各自獨(dú)立的，兩者之間需要有良好的跟蹤技術(shù)，即振蕩器的振蕩頻率要跟蹤傳感器石英晶振諧振頻率的變化，這樣電路較為復(fù)雜。DL-10選用第二種方案，即自振蕩、自跟蹤電路。在電路中石英晶振既是測試振蕩電路的一個(gè)元件，同時(shí)又是壓強(qiáng)測量的傳感器，集振蕩器傳感器與一體，比國外先進(jìn)。該電路是我們自行設(shè)計(jì)的，原理如圖2所示：

　　該電路應(yīng)用了高動(dòng)態(tài)范圍的AGC自動(dòng)增益控制器，使傳感器內(nèi)阻隨氣壓大范圍變化(10KΩ~200 KΩ)時(shí)，振蕩器仍能起振。高精度24位AD變換器，保證了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定及測試精度。真空計(jì)探頭中的電子元件選用了先進(jìn)的貼片式元件，達(dá)到了形小適用的效果，顯示部分直觀方便。

　　阻抗測量如圖3電路所示：

　　諧振阻抗，其中為晶振兩端電壓，I為流過晶振的電流。

　　電流I流過與晶振串聯(lián)的電阻R，在電阻兩端的電壓為V_BD，由于與R并聯(lián)的電容C甚小，工作中其容抗遠(yuǎn)大于電阻R，故可以認(rèn)為：I=V_BD/R，Z=（V_AB/V_BD）.R，V_AB近似等于AE兩端電壓V0，V_BD近似等于DE兩端電壓V1，由測量的V0，V1值及電阻值，可以算出阻抗。單片機(jī)將阻抗轉(zhuǎn)換成壓強(qiáng)，由數(shù)碼管顯示壓強(qiáng)值。 DL-10還設(shè)置兩個(gè)校準(zhǔn)按鍵，一是零點(diǎn)調(diào)節(jié)，即在壓強(qiáng)為零時(shí)按一下按鍵，這時(shí)單片機(jī)執(zhí)行中斷程序，將Z0值E²prom中。另一個(gè)是大氣調(diào)節(jié)，即在壓強(qiáng)為大氣時(shí)，按一下按鍵，這是單片機(jī)執(zhí)行另一種中斷程序，將大氣時(shí)修正值存入另一E²prom中。四、DL-10真空計(jì)Z0的測量范圍 DL-10的上下限由壓強(qiáng)誤差不超過10%確定，實(shí)驗(yàn)證明DL-10的上限可達(dá)100KPa，即一個(gè)大氣壓。下限誤差決定于Z0的漂移。 DL-10真空計(jì)Z0的漂移如圖4所示：

　　縱坐標(biāo)是Z0值，橫坐標(biāo)是時(shí)間。由圖四可見，15分鐘內(nèi)Z0漂移小于20Ω，而Z0漂移200Ω會(huì)引起壓強(qiáng)指示值1Pa的變化。因此漂移小于20Ω，1Pa誤差小于10%。圖5示出在零點(diǎn)調(diào)節(jié)后DL-10的對(duì)比曲線，縱坐標(biāo)是DL-10的讀數(shù)，橫坐標(biāo)是MKS薄膜真空計(jì)的讀數(shù)。由圖可見DL-10下限為1Pa，在10^-1 Pa也有指示。

五、與其他真空計(jì)的對(duì)比

　　圖6是DL-10與其它真空機(jī)的對(duì)比曲線，縱坐標(biāo)是DL-10的讀數(shù)，橫坐標(biāo)是M K S薄膜真空計(jì)及DL-4壓敏電阻真空計(jì)的讀數(shù)。由圖可見，DL-10真空計(jì)的上限為10⁵ Pa。

六、測試結(jié)果

　　我們將一臺(tái)DL-10真空計(jì)送到中國計(jì)量科學(xué)院進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果符合我們研制的石英真空計(jì)技術(shù)條件，即測量范圍為：1~10⁵ Pa，誤差不超過10%。

七、討論

　　1、根據(jù)上述DL-10性能的測試，按計(jì)量部門的真空計(jì)量器具分類，DL-10真空計(jì)可屬于工作用真空計(jì)。

　　2、石英晶振測量壓強(qiáng)的性能有一定零散性，每支晶振都有獨(dú)自△ZVsP曲線，因而每支晶振都要進(jìn)行測試。

　　3、石英晶振的諧振阻抗與晶振諧振時(shí)的機(jī)械振動(dòng)所受氣體阻力有關(guān)，而阻力與氣體性能有關(guān)，因此石英真空計(jì)的讀數(shù)與氣體種類有關(guān)。

　　4、石英晶振原本不是用來測量壓強(qiáng)的，生產(chǎn)廠沒有提供有關(guān)壓強(qiáng)的資料，做真空機(jī)使用需專門的測試，我們僅對(duì)Φ2×6型晶振進(jìn)行了測試為了獲得優(yōu)良的壓強(qiáng)性能，還應(yīng)對(duì)其它型號(hào)進(jìn)行測試與研究。

　　綜上所述，石英真空計(jì)具有價(jià)格低廉，誤差較小，量程較寬等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣使用。