石英晶體微量天平的研制＊

莫慧芳，陳 瑞

（廣州科技貿易職業學院，廣東 廣州510402）

在一些高潔凈環境應用要求的系統和實驗裝置中，環境污染因素將嚴重影響其壽命和可靠性。高潔凈環境應用要求的系統和實驗裝置受到污染后，會使實驗系統性能大幅衰減，會使實驗結果的準確性受到影響。在航天應用方面熱控系統由于太陽吸收率增大而使航天器溫升過高，熱輻射材料受空間高速污染物沖擊而造成在軌承受能力降低，導致航天器使用功能下降，引起航天器失效。因此，監測航天器敏感表面的污染量十分重要。

1 系統構成

分子污染在軌監測儀由測量傳感器探頭部分、測量控制電路和上位機三部分組成。其中測量傳感頭由頻率約15 MHz 的測量晶體和參考晶體、帕爾貼熱換能器和溫度傳感器組成。測量控制電路由頻率測量電路單元、電源模塊、溫度測量與控制模塊、通信接口等部分組成[1]。在軌監測儀組成如圖1 所示。

圖1 監測儀組成框圖

2 測量傳感探頭結構與實現

選用壓電石英晶體作為微量分子污染物的探測元件。晶體兩面鍍上金屬材料作為電極，由諧振電路驅動，在兩電極之間形成一個與時間相關的電場，使晶體以一定的頻率振蕩，當污染物質在電極上沉積（質量增加）時，所有沉積的物質都將隨著晶體振蕩產生位移[2]。因此，由于質量的增加使晶體運動的頻率降低，通過監測晶體頻率變化來監測沉積質量的變化[3]。

系統要能準確測量晶體頻率的變化，測量精度需達到±1 Hz。為了消除環境因素導致的晶體頻率的變化，測量傳感頭的設計是關鍵。主要采取兩方面的措施：①通過兩個置于同一環境中的測量晶體和參考晶體，安裝不同的傳感器來消除環境變化引起的測量誤差；②通過帕爾貼換能溫度控制，使得晶體在測量溫度時，消除由溫度引起的晶體頻率變化誤差。測量傳感探頭結構如圖2 所示。

圖2 測量傳感探頭結構

3 測量控制電路的實現

3.1 晶體頻率測量電路設計與實現

常用的頻率測量方法主要有測頻法和測周期法兩種。測頻法就是在確定的閘門時間T內，記錄被測信號的變化周期數（或脈沖個數）N，則被測信號的頻率為：f=N/T。測周期法需要有標準信號的頻率f，在待測信號的一個周期T內，記錄標準頻率的周期數N，則被測信號的頻率為：f=N/T。這兩種方法的計數值會產生±1 個字誤差，并且測試精度與計數器中記錄的數值Nx或Ns有關。對于測量范圍比較大的頻率信號通常結合兩種方法來實現測頻。低頻通常采用測周期方法實現，高頻采用測頻法實現[4]。石英晶體微量天平中有兩個需要測量的傳感器頻率信號，一個是由測量晶體產生的頻率信號，另一個是由參考晶體產生的頻率信號，兩者的頻率信號都在15 Mhz 上下變化，被測量信號屬高頻信號[5]。本系統中采用的頻率測量框圖如圖3 所示。

圖3 頻率測量框圖

3.2 溫度控制系統的設計與實現

溫控系統由溫度傳感器、電熱元件及微控制器構成：溫度傳感器選用高精度鉑電阻元件，電熱元件采用帕爾貼半導體制冷器，微控制器采用AD 公司的新型數據采集芯片。與國內目前使用的地面分子污染監測設備相比，監測儀將溫控系統集成在探頭內部，由測溫精度優于±（0.10＋0.002|T|）℃的鉑電阻實時測量探頭溫度（T為攝氏溫度）[6]，并以該溫度值為基準，通過植入在微控制器內的PⅠD 算法控制制冷器的輸出功率，形成閉環的溫控系統，溫度測量與控制系統的結構如圖4 所示。

圖4 溫度測量與控制電路的結構框圖

3.3 數據采集與處理系統的設計與實現

監測儀具備了實時數據采集與處理的能力。計算機通過RS-485 接口與監測儀的控制器進行通訊，控制器為51 單片機，利用其通用異步收發傳輸器實現串行通信[7]。

4 性能測試

在石英晶體微量天平的設計和研制過程中進行了各項性能測試，頻率電路和溫度控制部分是在軌污染監測器的核心，主要對頻率電路和探頭溫控性能進行測試，并給出相應的測試結果。

4.1 頻率電路性能測試

對15 MHz 監測儀的空載頻率輸出進行測試，用來檢測監測儀的頻率穩定性，以確定靈敏度是否滿足設計指標的要求。測試結果如圖5 所示。

從圖5 可以看到：在空載條件下，監測儀平衡后頻漂在±1 Hz/3 h 以內。幾臺監測儀的空載頻漂性能相近。根據理論計算的QCM 質量靈敏度，由圖5 的測試結果可知，室溫下15 MHz 監測儀可大約為2x10-9g/cm2Hz 監測精度。

圖5 監測儀空載測試

4.2 溫控電路性能測試

監測儀的測試性能需得到一定的保證，將置于真空室內監測儀溫度控制系統進行測試，看是否滿足設計要求[8]。監測儀的溫度隨時間變化曲線如圖6、圖7 所示，可見，溫控系統達到了較好的控溫目的。

圖6 監測儀探頭升溫曲線

圖7 監測儀探頭降溫曲線

5 小結

石英晶體微天平已成功應用于某所生產的大型國家重點實驗裝置上。近年來的應用實踐證明，石英晶體微天平各項功能和技術指標均達到設計要求，具有體積小、安裝使用方便、測量數據穩定等特點，達到了國內領先水平。