小尺寸真空测试技术研究

发布时间：2020-08-21 01:14

【摘要】：随着化工行业以及产品工艺和质量的不断发展,真空技术被广泛的应用在工业以及科学研究中,同时市场对产品的质量也提出了越来越高的要求,这将导致真空技术也相应的得到了快速的发展。通过真空测量去衡量真空的大小,真空测量的准确性对一些元器件能否正常工作具有重要的影响。在现有的真空测量方法中,大多数的传感器由于体积过大、测量范围不够宽或测量精度低等不能被广泛应用。本课题在满足宽量程的基础上,采用圆柱形的石英晶振作为气压传感元器件,设计了一款小尺寸真空测量装置,来实现对狭小空间真空的测量。借鉴国内外相关成熟的真空测量方案,本课题选用体积较小的圆柱形石英晶振作为真空测试元器件,根据石英晶振振荡时其两端阻抗随环境中气压的变化而改变的原理,利用石英晶振两端阻抗与气压之间的关系。以STM32F103RCT6单片机为系统核心处理单元,设计一款小尺寸真空测量装置。整个装置包括传感探测部分、数据处理部分以及显示部分。传感探测部分主要对模拟信号进行处理,其电路包括电源电路、石英晶振振荡电路、差分放大电路、电压跟随器等电路;数据处理部分是对传感探测部分输出的信号进行采集并利用单片机进行处理,其电路主要包括单片机最小系统电路、温度采集控制电路和存储电路;显示部分利用OLED显示屏进行气压显示,将串口助手通过RS232通讯协议与单片机通讯作为前期测量的辅助显示。编写相应的软件程序实现对传感探测部分输出信号的采集与标定,最终利用线性插值法实现真空的测量,并将其整合成一款安全、可靠的真空测量装置。根据课题的任务要求,通过对石英晶振真空测量装置进行实际测量,最终能够实现真空的测量范围面为0.1-105Pa,并[且在1-1OOPa时,测量误差大约为10%,在101-105Pa时,测量误差大约为8%,传感探测部分电路板的实际尺寸为40*28(mm),该结果基本能够达到课题的任务要求。整个石英晶振真空测量装置总体工作正常,测量装置安全可靠。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TB77
【图文】：

频率特性曲线,石英晶振,串联谐振,并联谐振频率

图 2.3 石英晶振频率特性曲线图电路可以发现，在 L、R、C 之路，L 和 C 串容抗相互抵消时，在该之路上将发生串联谐分子等于零，因此可以得到对应串联谐振频12sfpLC= 联谐振时，在其谐振频率上整个回路中的电抗0 0w c，因此当石英晶振发生串联谐振时，等效于串联谐振频率sf 时，回路中 R、L、C 之路对应并联谐振频率的计算公式为[16]：00112p sCf fCCCLC Cp= = ++

石英晶振,圆柱形,实物

图 2.4 圆柱形石英晶振实物图振在空气中的振荡可以理解为由环境气体摩荡时其阻抗Z 由两部分组成：一部分为石英晶振振子晶格内摩擦所引起的阻抗变化，一部分是指由空气阻尼所引起的阻抗变化0 Z +DZ ，其中 DZ 的计算公式为[2,22]：2022 VcosZ fAh qD = * 电路的电压， A为石英晶振的振幅， f 为摩位差，对于一个具体的晶振而言，系数02 h 于空气阻尼所引起的阻抗变化 DZ 只与摩擦

原理图,皮尔斯,振荡电路,电阻尼

图 2.5 皮尔斯振荡电路图的工作状态，需要额外加入电阻尼作用，用以防止有可能中，将使用一个 CMOS 反相励使之有效工作，电阻 R1的电路的原理图，其中石英晶振中电感电容的并联回路在石电感元器件连接在场效应管C2VDDCgd

【参考文献】