正航儀器介紹DL-10型真空計的工作原理與測量范圍

一、引言

石英晶振在諧振時，諧振阻抗與氣體壓強有關，上世紀八十年代就有人研究。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10-3Pa時的Z值，這時 氣體的阻力已經可以忽略了。它決定于晶振機械振蕩時自身內部損耗 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104-105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， 一是采用鎖相環電路（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 一種國外真空計用的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。 

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流過與晶振串聯的電阻R，在電阻兩端的電 壓為VBD ，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：

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值存在E2prom中。另一個是大氣調節，即 在壓強為大氣時，按一下按鍵，這時單片機執行另一中斷程序，將大 氣時修正值存入另一E2prom中。