5.3　石英真空计

5.3.1　石英真空计的工作原理

石英真空计采用石英晶体振荡器（石英晶振）作压力传感器，石英晶振在谐振时，将受到其所在空间气体的阻力作用，即石英晶振谐振阻抗与其所在空间的气体压力有关。例如，ϕ2×6型音叉状石英晶振的阻抗与气体压力的关系如图5-3所示。因而测量其谐振阻抗便可知道所在空间的气体压力。

图中纵坐标是晶振谐振阻抗Z与固有阻抗Z0之差（Z-Z0）（单位为kΩ）的对数坐标；横坐标是气体压力p（单位为Pa）的对数坐标。固有阻抗Z0是气体压力小于10-3Pa时的Z值，这时气体的阻力已很小，可以忽略，因此固有阻抗Z0决定于晶振机械振荡时自身内部损耗的能量，与气体压力无关。

5.3.2　石英晶振谐振阻抗的测量

石英晶振谐振阻抗的测量电路主要有以下两种。

①国外石英真空计采用锁相环电路（phase locked loop circuit）。其电路振荡器与传感器用的石英晶振是相互独立的，两者之间需要有良好的跟踪技术，即电路振荡器的振荡频率要跟踪石英晶振谐振频率，这就使得电路变得更加复杂。

②北京大学的DL-10石英真空计采用晶振本身为频率控制元件的自振荡、自跟踪电路，如图5-4所示。

由图5-4可知，若石英晶振谐振时两端的电压为VAB，流过石英晶振的电流为I，那么，谐振阻抗Z可由下式计算：

电阻R两端的电压为VBD，由于与R并联的电容C很小，其容抗远大于R，因此流过电阻R的电流亦可认为为I，即

那么

而VAB近似等于AE两端电压V0，VBD近似等于DE两端电压V1，因此，由测得的V0、V1值及电阻R值，谐振阻抗Z可由下式计算出来：

（5-1）

石英真空计将已知的图5-3所示的谐振阻抗Z与气体压力p的关系曲线存入单片机，通过单片机将测得的谐振阻抗Z转换成气体压力p，并由数码管直接显示出压力p值，达到压力测量的目的。

石英真空计的测量范围较宽，精度较高。北京大学的DL-10石英真空计的测量范围为10～100kPa，误差为10%。

由于石英晶振的谐振阻抗与气体阻力有关，而阻力又与气体性质有关，因此石英真空计的读数与气体种类有关。

由于不同的晶振都有独自的Z-p曲线，因此作真空计用的每支晶振都要进行测试。