石英真空计的工作原理 
                             王逊，唐镇松，张云峰 
                       （北京大学电子学系，北京 100871） 
                  摘要：本文介绍石英真空计的原理及石英晶振的特性 
                    关键词：石英真空计；谐振频率；谐振阻抗 


                The principle of quartz friction vacuum gauge 
                        WANG Xum,TANG Zhen-song,ZHANG Yun-feng 
           (Department of Electronics,Peking University, 100871 Beijing China)
Abstract：The principle of quartz friction vacuum gauge and characteristics of quartz oscillator are inrroduced
Key words：Quartz friction vacuum gauge;resonance freguency; resonance impedance

1.引言
    石英晶振在谐振时，谐振阻抗与气体压强有关，悠然用此关系作真空计。我国也曾有人对此进行了研究。目前石英真空计已经上市。他的测量范围是：，误差为10%。该真空计规管尺寸较小，单一规管测量范围较宽。精度较高，但测量电路较复杂。石英真空计可用于手表中音叉状的晶振做规管。我们选用的晶振为市场上买到的Φ2×6型频率标称值为32.768kHz的晶振。晶振在谐振时，气体压强高，阻抗高，反之阻抗低。测量晶振的谐振阻抗，也就可以知道气体压强了，这就是石英真空计的基本原理。
2.谐振频率与气体压强的关系
   石英晶振的等效电路如图1所示，谐振时阻抗最小，为串联谐振 
                    
谐振频率是晶振的电压与电流位相相同时的频率，或电流为最大值时的频率。测量电路图如图2所示： 
           
图中频率可掉电源的频率的分辨率为5mHz。流过晶振的电流可由串联电阻R上的电压来测量。将晶振做成真空规管，接入真空系统，测量晶振的谐振频率与压强的关系，结果如图3所示 
                
由图可见，谐振频率频率岁压强的增大单调下降，从1Pa到100kPa。谐振频率是下降约10Hz。
测量另一种Φ3×8型，5ppm的晶振从1Pa到100kPa，谐振频率下降为7Hz。显然在10kPa至100kPa之间，测量谐振频率也可以用来估计气体压强，当然误差是很大的。

3.谐振阻抗与压强的关系
测量谐振阻抗仍用图2电路，谐振阻抗
是晶振AB俩端电压
是谐振时通过晶振的电流
在本电路中

是电阻俩端的电压
所以
当压强小于时的Z值用表示，这时气体的阻力已经很小了，测量的阻抗为晶振的固有阻抗，他决定于晶振机械震荡时晶振自身内部损耗的能量，他与压强无关。
与的测量电路如图所示：

Φ2×6晶振的谐振阻抗与压强的关系如图5所示： 
                               
纵坐标是谐振阻抗Z与固有阻抗之差△Z,横坐标是压强。在测的固有阻抗为16kHz。从真空到到大气，阻抗从16kHz单值增加到189kHz。有图5可见，在1Pa--100Pa之间，△Z与P近似成正比，在之间，△Z近似与成正比。晶振的谐振阻抗与晶振的几何尺寸有关，我们测量Φ3×8型晶振，测量的谐振阻抗与图5所示的阻抗不一样，为9KHz，大气时为90 KHz。文献报道，谐振阻抗还与晶振的切割取向有关。

4.压强测量下限
    由图5可见，石英真空计上限为100kPa没有问题。压强测量下限决定于的波动。长时间测量Φ2×6型晶振，的波动约为±0.5 Pa的波动。如果定义压强下限为误差10%时压强，则Φ2×6型晶振的压强下限为5Pa。石英真空计产品介绍的测量范围是1Pa到大气压，可见该真空计的下限为1Pa。文献报道[3],用专门制造的晶振，考虑温度对的影响，用石英晶振可测量到，误差为10%。

5.谐振阻抗Z的测量误差
    本文所述电路，4次在10、100、1k、10k、100kPa压强值测量，△Z型晶振阻抗Z的误差分别为：1%、0.6%、0.2%、0.3%、0.5%，压强测量在10——1kPa用Inficom薄膜真空计，1kPa——100kPa用DL-4型压敏电阻真空计。在压强小于，测量随时间的变化，在2小时内读数分别为：16.3、16.6、16.5、16.5kΩ，平均值为16.5±0.1kΩ。约有±100Ω的波动。

6.小结
    将随压强变化的曲线存入单片机中，测量△Z，由数码管读取压强值，就成为石英真空计。用Φ2×6型晶振作传感器，做成规管，测量范围是。目前石英真空计已做到。

参考文献：
[1]M.Ono,M.Hirata,K.Kokubum,andH.Murakami.
Design and performance of a quartz oscillator vacuum gauge with a
controller.J.Vac.sci.Technol.A3(3),May/Jun 1985:1746
[2] 刘斌，徐电，王新中，陈杭生。石英晶振传感器及真空计的研制，真空电子技术，1995年第5期17页
[3]T Kobayashi,H Hojo and M ono
Pressure measurement from 1 atm to 0.01Pa using a quartz oscillator .Vacuum/Volum
44/Pages613 to 616/1993