DL-10型真空計的研制

2014-09-10 王遜北京大學電子學系

一、引言

　　石英晶振在諧振時，諧振阻抗與氣體壓強有關，上世紀八十年代有人研究。國內在上世紀九十年代也有人對這種特性進行了研究。目前這種真空計已經上市，測量范圍是1Pa到大氣壓。這種真空計測量范圍較寬，精度較高。我們研制的DL-10真空計也是這種真空計，選用的晶振是Φ2×6型，頻率標稱值為32.768KHz，測量范圍也是1Pa到大氣壓。

二、 DL-10型真空計的工作原理

　　晶振在諧振時，同時自身也存在機械振動，振動時將受氣體的阻力，阻力的大小與氣體壓強有關。因而晶振的電學特性阻抗也與氣體壓強有關。Φ2×6晶振的阻抗與壓強的關系如圖1所示：

　　縱坐標是諧振阻抗Z與固有阻抗Z0之差△Z,橫坐標是壓強。固有阻抗Z0是壓強小于10^-3 Pa時的Z值，這時氣體的阻力已經可以忽略了。它決定于晶振機械震蕩時自身內部損耗的能量，它與壓強無關。Φ2×6的Z0約20KΩ。由圖可見，在1-100Pa之間，△Z與P近似成線性關系，在10^-4~10^-5 Pa之間， △Z近似與成正比。DL-10真空計將圖1曲線存入單片機中，測量△Z值，由數碼管顯示壓強值。

三、電路的選擇

　　文獻報道的用于石英真空計的電路有以下兩種，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]。第一種國外真空計用的是電路振蕩器與傳感器用的石英晶振是各自獨立的，兩者之間需要有良好的跟蹤技術，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元件，同時又是壓強測量的傳感器，集振蕩器傳感器與一體，比國外先進。該電路是我們自行設計的，原理如圖2所示：

　　該電路應用了高動態范圍的AGC自動增益控制器，使傳感器內阻隨氣壓大范圍變化(10KΩ~200 KΩ)時，振蕩器仍能起振。高精度24位AD變換器，保證了測試系統的穩定及測試精度。真空計探頭中的電子元件選用了先進的貼片式元件，達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流過與晶振串聯的電阻R，在電阻兩端的電壓為V_BD，由于與R并聯的電容C甚小，工作中其容抗遠大于電阻R，故可以認為：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。單片機將阻抗轉換成壓強，由數碼管顯示壓強值。 DL-10還設置兩個校準按鍵，一是零點調節，即在壓強為零時按一下按鍵，這時單片機執行中斷程序，將Z0值E²prom中。另一個是大氣調節，即在壓強為大氣時，按一下按鍵，這是單片機執行另一種中斷程序，將大氣時修正值存入另一E²prom中。四、DL-10真空計Z0的測量范圍 DL-10的上下限由壓強誤差不超過10%確定，實驗證明DL-10的上限可達100KPa，即一個大氣壓。下限誤差決定于Z0的漂移。 DL-10真空計Z0的漂移如圖4所示：

　　縱坐標是Z0值，橫坐標是時間。由圖四可見，15分鐘內Z0漂移小于20Ω，而Z0漂移200Ω會引起壓強指示值1Pa的變化。因此漂移小于20Ω，1Pa誤差小于10%。圖5示出在零點調節后DL-10的對比曲線，縱坐標是DL-10的讀數，橫坐標是MKS薄膜真空計的讀數。由圖可見DL-10下限為1Pa，在10^-1 Pa也有指示。