DL-10A型石英真空计

王逊、张云峰、唐镇松

（北京大学电子学系，北京 100871）

摘要：DL-10A型石英真空计，测量范围为5*10^-1-10⁵Pa。石英真空计的特点是传感器的体积小，这样该真空计除与其它真空计一样测量气体压强外，它能测量小体积，例如1cm³大小的密封器件的气体压强，并能检测真空的保持状态。

关键词：石英真空计；石英晶振；谐振阻抗

中图分类号：TB772⁺.2      文献标识吗：A 文章编号：1002-0322(2014)04-0000-00

The Model DL-10A quartz vacuum gauge

WANG Xun,ZHANG Yun-feng,TANG Zhen-song

(Department of Electronics,Peking University,Beijing 100871,China)

Abstract: The measuring pressure rang of The Model DL-10A quartz vacuum gaugeis 5*10^-1-10⁵Pa .The characteristic of quartz vacuum gauge is its sensor volume very small.Thus quartz vacuum gauge may measure pressures in small size sealed element.

Key words:quartz vacuum gauge;quartz crystal;resonance impedance

1． 引言

上世纪50年代，D.J.Pacey研究用石英晶振测量气体压强[1]，80年代M.Ono等人研制了测量范围为0.001-1000Torr的石英真空计[2]，国内在90年代也有人研制了石英真空计[3]，目前已有石英真空计产品[4][5][6]。石英晶振在振荡时，其谐振频率或谐振阻抗与压强有关，该特性均可以用来测量气体压强。作为工作用真空计，用谐振阻抗与气体压强有关的性能作真空计是比较适合的，本文所述DL-10A型石英真空计就是指这种真空计。石英真空计的性能决定于石英晶振的结构和几何尺寸。M.ono研究了音叉结构晶振的几何尺寸对真空计性能的影响[2]。

2．  石英真空计的原理

晶振在谐振时，电学阻抗与气体压强有关。我们测量晶振阻抗的电路如图1所示

图1.谐振阻抗测量电路

Fig.1 Measuring circuit for resonance impedance

谐振阻抗Z=VABI

V_AB是晶振两端的电压

I 为流过晶振的电流

近似地Z=VAEVDE×R

V_AE是AE两点间的电压，V_DE是DE两点间的电压。测量了阻抗，由阻抗与气体压强的关系曲线，便可知道气体的压强。

DL-10A型石英真空计采用FC135晶振做传感器，其阻抗与压强的关系如图2 所示:

图2 FC135晶振谐振阻抗与压强的关系

Fig.2 Relationship between FC135 resonance impedance and pressure

图中纵坐标∆ Z是谐振阻抗Z与固有阻抗Z₀之差。固有阻抗是压强远小于下限即小于10^-3Pa的阻抗。横坐标是压强，由图可见，在压强小于100Pa，∆ Z与P近似成线性关系。我们将上述曲线存在单片机中，测量∆ Z值，由数码管显示对应的压强值，这就是石英真空计的工作原理。

DL-10A还设置一个零点调节按键，当压强小于10^-3Pa时，按一下该按键，单片机执行中断程序，将此时的Z值存在单片机的EEPROM中。当仪器长时间不用或环境温度变化较大时，应进行零点调节。

DL-10A控制单元采用ATMega16单片机对整机进行控制，AD变换采用LTC2412芯片。根据用户需要可配备RS485接口或RS232接口，或无线发送装置。使用无线发送装置在20M距离内可在隔壁房间读取测量数据。

3．  DL-10A的性能

我们将一台DL-10A送中国计量科学研究院校准，校准结果如下表所示：

DL-10A的校准曲线如图3所示，其横坐标是计量院测量标准值，纵坐标是DL-10A显示值。

图3  DL-10A校准曲线

Fig.3 Calibration curve of DL-10A vacuum gauge

DL-10A的下限决定于Z₀随时间漂移带来的误差。它主要决定于晶振的结构以及环境温度的变化。DL-10A在下限附近的比对曲线如图４所示：

图４DL-10A的比对曲线

Fig 4 Comparison between the readings indicated on DL-10A and MKS gauge,ionization  gauge

图中纵坐标是DL-10A的读数，横坐标压强大于等于１Pa是MKS簿膜真空计读数，压强小于1Pa是DL-5电离真空计读数。由图可见，在小于10^-1Pa读数分散在图中阴影范围，测量误差很大，因此DL-10A的下限为5*10^-1Pa。DL-10A的上限是10⁵Pa。

4．  石英真空计的特点与应用

石英真空计的特点是传感器体积小，DL-10A采用的晶振是FC135，其尺寸为：3.2mm× 1.5mm×0.8 mm 。这样，该真空计除与其它真空计一样测量气体压强外，它能测量小体积，例如1cm³大小的密封器件的气体压强，并能检测真空的保持状态。

5．小结

石英真空计的下限决定于石英晶振谐振阻抗的漂移，而阻抗的漂移决定于石英晶振的结构及环境温度，选择适当的晶振，可以获得较低的下限。DL-10A石英真空计下限可达5*10^-1Pa，测量范围为5*10^-1Pa-10⁵Pa，石英真空计的特点是传感器体积小，它能在体积小的真空密封器件中测量真空与检漏。

参考文献：

[1] D.J.Pacey.A Piezoelectric Oscillator Mano meter,Vacuum,9(1959),261-263

[2] M.Ono,etc.Quartz friction Vacuum gauge for pressure range from 0.001 to1000Torr,J.Vac.Sci.Technol.A(4).May/Jun 1986,1728-1731

[3] 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，（5）：17-20

[4] TLEVAC CC-10 Wide Range Vacuum Gauge

[5] A-NET CRYSTAL GAUGE M-320XG

[6] DL-10A 型石英真空计说明书