正航儀器介紹DL-10型真空計(jì)的工作原理與測量范圍

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)八十年代就有人研究。國內(nèi)在上世紀(jì)九十年代也有人對這種特性進(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10-3Pa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)械振蕩時(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104-105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， 一是采用鎖相環(huán)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。第 一種國外真空計(jì)用的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。 

阻抗測量如圖2電路所示：

　VAB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VBD ，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：

VAB 近似等于AE兩端電壓V0,VBD 近似等于DE兩端電壓V1，由測量的V0， V1值及電阻值，可以計(jì)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值存在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，這時(shí)單片機(jī)執(zhí)行另一中斷程序，將大 氣時(shí)修正值存入另一E2prom中。