DL-10A 型石英真空計(jì)，測(cè)量范圍為5×10^-1~10⁵ Pa。石英真空計(jì)的特點(diǎn)是傳感器的體積小，這樣該真空計(jì)除與其它真空計(jì)一樣測(cè)量氣體壓強(qiáng)外，它能測(cè)量小體積，例如1 cm³ 大小的密封器件的氣體壓強(qiáng)，并能檢測(cè)真空的保持狀態(tài)。

1、引言

　　上世紀(jì)50 年代，D.J.Pacey 研究用石英晶振測(cè)量氣體壓強(qiáng)，80 年代M.Ono 等人研制了測(cè)量范圍為0.001~1000 Torr 的石英真空計(jì)，國(guó)內(nèi)在90 年代也有人研制了石英真空計(jì)，目前已有石英真空計(jì)產(chǎn)品。石英晶振在振蕩時(shí)，其諧振頻率或諧振阻抗與壓強(qiáng)有關(guān)，該特性均可以用來測(cè)量氣體壓強(qiáng)。作為工作用真空計(jì)，用諧振阻抗與氣體壓強(qiáng)有關(guān)的性能作真空計(jì)是比較適合的，本文所述DL-10A 型石英真空計(jì)就是指這種真空計(jì)。石英真空計(jì)的性能決定于石英晶振的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸。M.ono 研究了音叉結(jié)構(gòu)晶振的幾何尺寸對(duì)真空計(jì)性能的影響。

2、石英真空計(jì)的原理

　　晶振在諧振時(shí)，電學(xué)阻抗與氣體壓強(qiáng)有關(guān)。我們測(cè)量晶振阻抗的電路如圖1 所示。

　　VAB 是晶振兩端的電壓

　　I 為流過晶振的電流

　　圖1 諧振阻抗測(cè)量電路

　　VAE 是AE 兩點(diǎn)間的電壓，VDE 是DE 兩點(diǎn)間的電壓。測(cè)量了阻抗，由阻抗與氣體壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，便可知道氣體的壓強(qiáng)。

　　DL-10A 型石英真空計(jì)采用FC135 晶振做傳感器，其阻抗與壓強(qiáng)的關(guān)系如圖2 所示。圖中縱坐標(biāo)ΔZ 是諧振阻抗Z 與固有阻抗Z0之差。固有阻抗是壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于下限即小于10^-3 Pa 的阻抗。橫坐標(biāo)是壓強(qiáng)，由圖可見，在壓強(qiáng)小于100 Pa時(shí)，ΔZ 與P 近似成線性關(guān)系。我們將上述曲線存在單片機(jī)中，測(cè)量ΔZ 值，由數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)值，這就是石英真空計(jì)的工作原理。

圖2 FC135 晶振諧振阻抗與壓強(qiáng)的關(guān)系

　　DL-10A 還設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)調(diào)節(jié)按鍵，當(dāng)壓強(qiáng)小于10^-3 Pa 時(shí)，按一下該按鍵，單片機(jī)執(zhí)行中斷程序，將此時(shí)的Z 值存在單片機(jī)的EEPROM 中。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為當(dāng)儀器長(zhǎng)時(shí)間不用或環(huán)境溫度變化較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié)。DL-10A 控制單元采用ATMega16 單片機(jī)對(duì)整機(jī)進(jìn)行控制，AD 變換采用LTC2412 芯片。根據(jù)用戶需要可配備RS485 接口或RS232 接口，或無線發(fā)送裝置。使用無線發(fā)送裝置在20M 距離內(nèi)可在隔壁房間讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。

　　建議感興趣的同志可以閱讀：石英真空計(jì)的工作原理。

3、DL-10A 的性能

　　我們將一臺(tái)DL-10A 送中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如表1 所示。

表1 DL-10A 型石英真空計(jì)的校準(zhǔn)結(jié)果

　　DL-10A 的校準(zhǔn)曲線如圖3 所示，其橫坐標(biāo)是計(jì)量院測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值，縱坐標(biāo)是DL-10A 顯示值。

　　DL-10A 的下限決定于Z0 隨時(shí)間漂移帶來的誤差。它主要決定于晶振的結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度的變化。DL-10A 在下限附近的比對(duì)曲線如圖4所示。

　　圖中縱坐標(biāo)是DL-10A 的讀數(shù)，橫坐標(biāo)壓強(qiáng)大于等于1Pa 是MKS 簿膜真空計(jì)讀數(shù)，壓強(qiáng)小于1 Pa 是DL-5 電離真空計(jì)讀數(shù)。由圖可見，在小于5×10^-1 Pa 讀數(shù)分散在圖中陰影范圍，測(cè)量誤差很大， 因此DL-10A 的測(cè)量下限為5×10^-1 Pa，DL-10A 的測(cè)量上限是10⁵ Pa。

圖3 DL-10A 校準(zhǔn)曲線　圖4 DL-10A 的比對(duì)曲線

4、石英真空計(jì)的特點(diǎn)與應(yīng)用

　　石英真空計(jì)的特點(diǎn)是傳感器體積小，DL-10A采用的晶振是FC135，其尺寸為：3.2 mm×1.5 mm×0.8mm。這樣，該真空計(jì)除與其它真空計(jì)一樣測(cè)量氣體壓強(qiáng)外，它能測(cè)量小體積，例如1 cm3 大小的密封器件的氣體壓強(qiáng)，并能檢測(cè)真空的保持狀態(tài)。

5、小結(jié)

　　石英真空計(jì)的下限決定于石英晶振諧振阻抗的漂移，而阻抗的漂移決定于石英晶振的結(jié)構(gòu)及環(huán)境溫度，選擇適當(dāng)?shù)木д瘢�可以獲得較低的下限。DL-10A 石英真空計(jì)下限可達(dá)5×10^-1 Pa，測(cè)量范圍為5×10^-1 Pa-10⁵ Pa，石英真空計(jì)的特點(diǎn)是傳感器體積小，它能在體積小的真空密封器件中測(cè)量真空與檢漏。