三分量石英晶體諧振式壓力傳感器研制

崔篤信 王慶良 陶茂盛

（中國地震局第二監測中心，西安 710054）

早在20世紀六七十年代，我國就曾開展過比較多的土層應力觀測工作，河北唐山八中業余地震觀測組曾利用簡易液壓土層應力計，觀測到唐山7.8級地震數次強余震前的土層應力擾動異常信號。土層應力觀測雖在多次地震前監測到了比較好的短臨異常信號，但是由于其觀測精度低、應力－應變本構關系不夠明確等方面的原因，在20世紀80年代清理攻關后逐步退出專業舞臺、甚至群測群防舞臺。20世紀80年代以來研制的應力、應變儀雖然精度方面得到了很大提高，但必須安裝在洞室或鉆孔中，使其應用范圍得到很大的限制。目前，用于土層壓力測量的壓力盒多為振弦式、壓容式的受力傳感結構，精度較低，不能滿足地震監測的需求。石英晶體諧振式傳感器具有穩定性好、線性度高、重復性好、滯后小、數字量輸出（頻率）、功耗低等多方面的優點，已在溫度、壓力、加速度等多種測量中得到廣泛應用。研制一種高精度、抗干擾能力強、安裝簡便的三分量石英晶體諧振式土層壓力傳感器，以期在地震短臨強化跟蹤監測、定點臺站應力監測、強余震前兆觀測以及群測群防應用中發揮重要作用。

1 原理與方法

石英晶體諧振式壓力傳感器是利用石英晶體諧振器的共振頻率隨被測物理量變化而變化的特點。厚度剪切模AT切型石英晶體諧振器，其共振頻率變化Δf可以表示為：

式中，D為石英晶體陣子厚度，Kf為石英晶體拉氏系數，N諧波次數，f為諧振器基頻，Δf為沿晶體X軸受力變化。由（1）式可見。石英晶體諧振式頻率變化與其所受力的變化呈線性關系。石英晶體諧振式壓力傳感器是據此原理研制的。

2 結果

三分量壓力測量是把3個單分量傳感器互為正交固定在立方體的不銹鋼外殼體上，3個分量傳感器的受力面分別與所在立方體表面相平行，以獲得高的力—頻變化靈敏度。

對于單一分量，其測量過程為傳感器周圍土層或沙層應力作用在彈性膜片上，使膜片產生變形，膜片作用在剛性的上砧，上砧把位移傳遞到石英晶振上使得石英晶片產生變形，從而使石英晶體振蕩器的震蕩頻率發生變化。由于石英晶振晶片做成后其彈性模量已確定，所以傳感器整體的量程、靈敏度，穩定性主要取決于膜片的性能參數。膜片的等效彈性模量與膜片的工作半徑、厚度、彈性模量及膜片半徑與硬心半徑之比決定。膜片既要有一定的強度，又要有很好的彈性，恢復速度快，因此，制作膜片的材料和加工工藝非常重要。采用兩種方案：一種是膜片與殼體為同一材料加工而成，這種方案膜片與殼體為一整體，放水性好；第二種方案是殼體用剛性強的材料加工而成，膜片采用彈性好的材料，這種方案膜片可選范圍大。

3 結論

通過用標準壓力儀對傳感器的每一分量進行標定，確定其壓力與傳感器輸出頻率的線性關系。通過測定，傳感器的量程為0～1.0 MPa；非線性度小于0.1%；重復性小于0.05%FS；滯后小于0.1%FS。溫度的測量精度為0.01℃。基于石英晶體諧振器的壓力傳感器采用了三分量壓力、溫度輔助一體化同步觀測，具有體積小、重量輕、功耗小、穩定性好、安裝方便等特點，其觀測精度滿足地震觀測要求，適用于野外應急流動加密觀測，可以開展實際觀測試驗。