石英真空計(jì)的工作原理與測(cè)量范圍
石英真空計(jì)的工作原理是應(yīng)用石英晶振在諧振時(shí)諧振阻抗的變化Z- Z0 與氣體壓強(qiáng)有關(guān)的特性。Z 為晶振在被測(cè)氣體壓強(qiáng)的諧振阻抗, Z0為晶振的固有阻抗, 它是在氣體壓強(qiáng)為零時(shí)的諧振阻抗。Z- Z0 隨P 的增長(zhǎng)單調(diào)上升,。測(cè)量Z- Z0 即可知?dú)怏w的壓強(qiáng)。
石英晶振的特性曲線
諧振阻抗的測(cè)量電路如圖2 所示。
阻抗
Z =UAB/I
UAB —是諧振時(shí)晶振AB 兩端電壓
I—是諧振時(shí)通過(guò)晶振的電流
在本電路中
I=UBC/R
UBC —— —是電阻兩端電壓
所以Z = UAB/UBC×R =(UAC- UBC)/UBC×R
在測(cè)量過(guò)程中, 振蕩電路電壓UAC 保持恒定, 約100 mV, Z0 在溫度不變時(shí)為常數(shù), R 為固定電阻, 可見(jiàn)Z- Z0 單值地決定于UBC , 氣體壓強(qiáng)也單值地決定于UBC 。在P=0 時(shí), 將晶振調(diào)至諧振, 即調(diào)振蕩電路的頻率, 使UBC 調(diào)至最大值( 因?yàn)榫д裰C振為串聯(lián)諧振) 。在此條件下UBC 與氣體壓強(qiáng)是單值關(guān)系。UBC 經(jīng)放大, 檢波后由電壓測(cè)量電路輸出, 輸出電壓讀數(shù)V 與壓強(qiáng)P 的關(guān)系。
在壓強(qiáng)為零時(shí), V 約為800 mV, 在大氣時(shí)約為10 mV。不同的晶振略有不同。本電壓測(cè)量電路還設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)電位器,一是零點(diǎn)調(diào)節(jié), 即在壓強(qiáng)為零時(shí)調(diào)節(jié)測(cè)量電路使輸出電壓讀數(shù)就是固定數(shù)值800 mV, 另一是大氣調(diào)節(jié), 即在壓強(qiáng)為大氣時(shí)調(diào)節(jié)測(cè)量電路使輸出電壓就是固定數(shù)值10 mV。這時(shí)電壓測(cè)量電路輸出電壓讀數(shù)V 與壓強(qiáng)P 的關(guān)系曲線稱晶振的特性曲線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 特性曲線是穩(wěn)定、重復(fù)性好的曲線, 用該曲線可以測(cè)量氣體壓強(qiáng)。本文采用φ2×6 晶振做試驗(yàn), 標(biāo)稱頻率為32.768 kHz 。
在真空計(jì)中, 數(shù)碼顯示器顯示特性曲線對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)值, 零點(diǎn)調(diào)節(jié)是在壓強(qiáng)為零時(shí)使數(shù)碼顯示器顯示0.0×100 , 大氣調(diào)節(jié)是在壓強(qiáng)為大氣時(shí),使數(shù)碼顯示器顯示9.9×104。
石英真空計(jì)的測(cè)量范圍
石英真空計(jì)的上限為105 Pa, 由特性曲線可知, 壓強(qiáng)從105 Pa 到9×104 時(shí), 電壓讀數(shù)從10 mV變化到13 mV。在合理的測(cè)量時(shí)間(4h) 內(nèi)實(shí)際讀數(shù)的漂移為2 mV, 因此在105 Pa , 誤差小于10% 。石英真空計(jì)的下限由誤差小于10%的范圍決定。φ2×6 晶振在10±1 Pa , 對(duì)應(yīng)電壓讀數(shù)的變化為765±3 mV。實(shí)測(cè)電壓讀數(shù)值在4 h 內(nèi)的漂移約為±3 mV, 因此下限約為10 Pa。 影響下限的因素是溫度對(duì)Z0 的影響�？刂茰囟瓤梢詳U(kuò)展下限。制作專門測(cè)量氣體壓強(qiáng)的石英晶振也是一條擴(kuò)展下限的途徑。
討論
(1) 根據(jù)上述石英真空計(jì)的性能, 按計(jì)量部門真空計(jì)量器具的分類, 石英真空計(jì)可屬于工作用計(jì)量器具。
(2) 本文設(shè)計(jì)方案已不要測(cè)量Z0 值, Z0 變化的影響由零點(diǎn)調(diào)節(jié)來(lái)解決。
(3) 作為批量生產(chǎn)的真空計(jì)產(chǎn)品, 誤差還應(yīng)當(dāng)適當(dāng)放寬些。
(4) 石英晶振的諧振阻抗與晶振諧振時(shí)的機(jī)械振動(dòng)所受氣體阻力有關(guān), 而阻力與氣體性質(zhì)有關(guān), 因此石英真空計(jì)的讀數(shù)與氣體種類有關(guān)。
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