DL-10型真空计的工作原理与测量范围(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京大学电子学系 作者:王逊

一、引言

     石英晶振在谐振时,谐振阻抗与气体压强有关,上世纪八十年代就有人研究。国内在上世纪九十年代也有人对这种特性进行了研究。 目前这种真空计已经上市,测量范围是1Pa到大气压。这种真空计测量范围较宽,精度较高。我们研制的DL-10真空计也是这种真空计,选用的晶振是Φ2×6型,频率标称值为32.768KHz, 测量范围也是1Pa到大气压。

二、DL-10型真空计的工作原理

  晶振在谐振时,同时自身也存在机械振动,振动 时将受气体的阻力,阻力的大小与气体压强有关。因而晶振的电学特 性阻抗也与气体压强有关。Φ2×6晶振的阻抗与压强的关系如图1所 示:

  纵坐标是谐振阻抗Z与固有阻抗Z0之差△Z,横坐 标是压强。固有阻抗Z0是压强小于10-3Pa时的Z值,这时 气体的阻力已经可以忽略了。它决定于晶振机械振荡时自身内部损耗 的能量,它与压强无关。Φ2×6的Z0约20kΩ。由图可见,在1-100Pa 之间,△Z与P近似成线性关系,在104-105之间,△Z近似与 成正比 。DL-10真空计将图1曲线存入单片机中,测量△Z值,由数码管显示 压强值。

三、电路的选择

  文献报道的用于石英真空计的电路有以下两种, 一是采用锁相环电路(phase locked loop circuit),另一种是 晶振本身为频率控制元件的自振荡、自跟踪电路。第 一种国外真空计用的电路振荡器与传感器用的石英晶振是各自独立的 ,两者之间需要有良好的跟踪技术,即振荡器的振荡频率要跟踪传感 器石英晶振谐振频率的变化,这样电路较为复杂。DL-10选用第二种方案。

阻抗测量如图2电路所示:



 VAB为晶振两端电压
 I 为流过晶振的 电流

  电流I流过与晶振串联的电阻R,在电阻两端的电 压为VBD ,由于与R并联的电容C甚小,工作中其容抗远大于电阻R, 故可以认为:


  VAB 近似等于AE两端电压V0,VBD 近似等于DE两端电压V1,由测量的V0, V1值及电阻值,可以计算出阻抗。单片机将阻抗转换成 压强,由数码管显示压强值。

  DL-10还设置两个校准按键,一是零点调节,即 在压强为零时按一下按键,这时单片机执行中断程序,将 Z0值存在E2prom中。另一个是大气调节,即 在压强为大气时,按一下按键,这时单片机执行另一中断程序,将大 气时修正值存入另一E2prom中。

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