石英真空計

2009年4月1日，中國真空學會在北京大學主持召開DL-10型石英真空計科技成果鑑定會，與會專家認為該真空計具有量程較寬、精度較高、成本較低、結構輕巧等特點，套用前景廣泛。

基本介紹

• 中文名：石英真空計
• 特點：成本較低、結構輕巧
• 未來：前景廣泛
• 協會：中國真空學會
• 測量範圍：1-105Pa
• 誤差：10%

引言

石英晶振在諧振時，諧振阻抗與氣體壓強有關，悠然用此關係作真空計。我國也曾有人對此進行了研究。目前石英真空計已經上市。測量範圍是：1-10⁵Pa，誤差為10%。該真空計規管尺寸較小，單一規管測量範圍較寬。精度較高，但測量電路較複雜。石英真空計可用於手錶中音叉狀的晶振做規管。我們選用的晶振為市場上買到的Φ2×6型頻率標稱值為32.768kHz的晶振。晶振在諧振時，氣體壓強高，阻抗高，反之阻抗低。測量晶振的諧振阻抗，也就可以知道氣體壓強了認為這就是石英真空計的基本原理。

諧振頻率與氣體壓強的關係

石英晶振的等效電路如圖1所示，諧振時阻抗最小，為串聯諧振

諧振頻率是晶振的電壓與電流位相相同時的頻率，或電流為最大值時的頻率。測量電路圖如圖2所示：

圖中頻率可掉電源的頻率的解析度為5mHz。流過晶振的電流可由串聯電阻R上的電壓來測量。將晶振做成真空規管，接入真空系統，測量晶振的諧振頻率與壓強的關係，結果如圖3所示：

由圖可見，諧振頻率頻率歲壓強的增大單調下降，從1Pa到100kPa。諧振頻率是下降約10Hz。

測量另一種Φ3×8型，5ppm的晶振從1Pa到100kPa，諧振頻率下降為7Hz。顯然在10kPa至100kPa之間，測量諧振頻率也可以用來估計氣體壓強，當然誤差是很大的。

諧振阻抗與壓強的關係

測量諧振阻抗仍用圖2電路，諧振阻抗Z=

U_AB——是晶振AB倆端電壓

I—是諧振時通過晶振的電流

在本電路中

I=

U_BC——是電阻倆端的電壓

所以Z=

當壓強小於10^-4Pa時的Z值用Z0表示，這時氣體的阻力已經很小了，測量的阻抗為晶振的固有阻抗，他決定於晶振機械震盪時晶振自身內部損耗的能量，他與壓強無關。

U_AB與U_BC的測量電路如圖所示：U_AB=U_AC-U_BC

Φ2×6晶振的諧振阻抗與壓強的關係如圖5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。在10^-4Pa測的固有阻抗為16kHz。從真空到到大氣，阻抗從16kHz單值增加到189kHz。有圖5可見，在1Pa--100Pa之間，△Z與P近似成正比，在10²Pa--10⁵Pa之間，△Z近似與成正比。晶振的諧振阻抗與晶振的幾何尺寸有關，我們測量Φ3×8型晶振，測量的諧振阻抗與圖5所示的阻抗不一樣，Z₀為9KHz，大氣時為90KHz。

壓強測量下限

由圖5可見，石英真空計上限為100kPa沒有問題。壓強測量下限決定於Z₀的波動。長時間測量Φ2×6型晶振，Z₀的波動約為±0.5Pa的波動。如果定義壓強下限為誤差10%時壓強，則Φ2×6型晶振的壓強下限為5Pa。石英真空計產品介紹的測量範圍是1Pa到大氣壓，可見該真空計的下限為1Pa。用專門製造的晶振，考慮溫度對Z₀的影響，用石英晶振可測量到10^-2Pa，誤差為10%。

諧振阻抗Z的測量誤差

本文所述電路，4次在10、100、1k、10k、100kPa壓強值測量，△Z型晶振阻抗Z的誤差分別為：1%、0.6%、0.2%、0.3%、0.5%，壓強測量在10——1kPa用Inficom薄膜真空計，1kPa——100kPa用DL-4型壓敏電阻真空計。在壓強小於10^-4Pa，測量Z0隨時間的變化，在2小時內讀數分別為：16.3、16.6、16.5、16.5kΩ，平均值為16.5±0.1kΩ。約有±100Ω的波動。

小結

將△Z=Z-Z0隨壓強變化的曲線存入單片機中，測量△Z，由數碼管讀取壓強值，就成為石英真空計。用Φ2×6型晶振作感測器，做成規管，測量範圍是5-10⁵Pa。目前石英真空計已做到1Pa-10⁵Pa。