石英真空計的工作原理
1、引言
石英晶振在諧振時(shí)，諧振阻抗與氣體壓強有關(guān)，悠然用此關(guān)系作真空計。我國也曾有人對此進(jìn)行了研究。目前石英真空計已經(jīng)上市。測量范圍是：1~105Pa，誤差為10%。該真空計規管尺寸較小，單一規管測量范圍較寬。精度較高，但測量電路較復雜。石英真空計可用于手表中音叉狀的晶振做規管。我們選用的晶振為市場(chǎng)上買(mǎi)到的Φ2×6型頻率標稱(chēng)值為32.768kHz的晶振。晶振在諧振時(shí)，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，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為這就是石英真空計的基本原理。
2、諧振頻率與氣體壓強的關(guān)系
石英晶振的等效電路如圖1所示，諧振時(shí)阻抗最小，為串聯(lián)諧振
圖1 石英晶振的等效電路
諧振頻率是晶振的電壓與電流位相相同時(shí)的頻率，或電流為最大值時(shí)的頻率。測量電路圖如圖2所示：
圖2 測量電路
圖中頻率可掉電源的頻率的分辨率為5mHz。流過(guò)晶振的電流可由串聯(lián)電阻R上的電壓來(lái)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(guān)系，結果如圖3所示：
圖3 諧振頻率與壓強關(guān)系的曲線(xiàn)
由圖可見(jiàn)，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(lái)估計氣體壓強，當然誤差是很大的。
3、諧振阻抗與壓強的關(guān)系
測量諧振阻抗仍用圖2電路，諧振阻抗Z=Uab/I
UAB—— 是晶振AB倆端電壓
I— 是諧振時(shí)通過(guò)晶振的電流
在本電路中
I=Ubc/R
UBC—— 是電阻倆端的電壓
所以Z=UAB/UBC×R
當壓強小于10-4Pa時(shí)的Z值用Z0表示，這時(shí)氣體的阻力已經(jīng)很小了，測量的阻抗為晶振的固有阻抗，他決定于晶振機械震蕩時(shí)晶振自身內部損耗的能量，他與壓強無(wú)關(guān)。
UAB與UBC的測量電路如圖所示：UAB=UAC-UBC
圖4 交流電壓的測量電路
Φ2×6晶振的諧振阻抗與壓強的關(guān)系如圖5所示：
圖5 諧振阻抗與壓強的關(guān)系
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10-4 Pa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(jiàn)，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(guān)，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(shí)為90 KHz。文獻報道，諧振阻抗還與晶振的切割取向有關(guān)。
4、壓強測量下限
由圖5可見(jiàn)，石英真空計上限為100kPa沒(méi)有問(wèn)題。壓強測量下限決定于Z0的波動(dòng)。長(cháng)時(shí)間測量Φ2×6型晶振，Z0的波動(dòng)約為±0.5 Pa的波動(dòng)。如果定義壓強下限為誤差10%時(shí)壓強，則Φ2×6型晶振的壓強下限為5 Pa。石英真空計產(chǎn)品介紹的測量范圍是1 Pa到大氣壓，可見(jiàn)該真空計的下限為1Pa。文獻報道，用專(zhuān)門(mén)制造的晶振，考慮溫度對Z0的影響，用石英晶振可測量到10-2 Pa，誤差為10%。
5、諧振阻抗Z的測量誤差
本文所述電路，4次在10、100、1k、10 k、100 kPa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。在壓強小于10-4 Pa，測量Z0隨時(shí)間的變化，在2小時(shí)內讀數分別為：16.3、16.6、16.5、16.5kΩ，平均值為16.5±0.1 kΩ。約有±100Ω的波動(dòng)。
6、小結
將△Z= Z- Z0隨壓強變化的曲線(xiàn)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型晶振作傳感器，做成規管，測量范圍是5-105 Pa。目前石英真空計已做到1Pa~105Pa。
投稿人及作者信息：
王遜，唐鎮松，張云峰
(北京大學(xué)電子學(xué)系，北京 100871)
