石英晶體微量天平的研制＊

莫慧芳，陳 瑞

（廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州510402）

在一些高潔凈環(huán)境應(yīng)用要求的系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)裝置中，環(huán)境污染因素將嚴(yán)重影響其壽命和可靠性。高潔凈環(huán)境應(yīng)用要求的系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)裝置受到污染后，會(huì)使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能大幅衰減，會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響。在航天應(yīng)用方面熱控系統(tǒng)由于太陽(yáng)吸收率增大而使航天器溫升過(guò)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(dǎo)致航天器使用功能下降，引起航天器失效。因此，監(jiān)測(cè)航天器敏感表面的污染量十分重要。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

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

圖1 監(jiān)測(cè)儀組成框圖

2 測(cè)量傳感探頭結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

選用壓電石英晶體作為微量分子污染物的探測(cè)元件。晶體兩面鍍上金屬材料作為電極，由諧振電路驅(qū)動(dòng)，在兩電極之間形成一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的電場(chǎng)，使晶體以一定的頻率振蕩，當(dāng)污染物質(zhì)在電極上沉積（質(zhì)量增加）時(shí)，所有沉積的物質(zhì)都將隨著晶體振蕩產(chǎn)生位移[2]。因此，由于質(zhì)量的增加使晶體運(yùn)動(dòng)的頻率降低，通過(guò)監(jiān)測(cè)晶體頻率變化來(lái)監(jiān)測(cè)沉積質(zhì)量的變化[3]。

系統(tǒng)要能準(zhǔn)確測(cè)量晶體頻率的變化，測(cè)量精度需達(dá)到±1 Hz。為了消除環(huán)境因素導(dǎo)致的晶體頻率的變化，測(cè)量傳感頭的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。主要采取兩方面的措施：①通過(guò)兩個(gè)置于同一環(huán)境中的測(cè)量晶體和參考晶體，安裝不同的傳感器來(lái)消除環(huán)境變化引起的測(cè)量誤差；②通過(guò)帕爾貼換能溫度控制，使得晶體在測(cè)量溫度時(shí)，消除由溫度引起的晶體頻率變化誤差。測(cè)量傳感探頭結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測(cè)量傳感探頭結(jié)構(gòu)

3 測(cè)量控制電路的實(shí)現(xiàn)

3.1 晶體頻率測(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常用的頻率測(cè)量方法主要有測(cè)頻法和測(cè)周期法兩種。測(cè)頻法就是在確定的閘門時(shí)間T內(nèi)，記錄被測(cè)信號(hào)的變化周期數(shù)（或脈沖個(gè)數(shù)）N，則被測(cè)信號(hào)的頻率為：f=N/T。測(cè)周期法需要有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率f，在待測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期T內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù)N，則被測(cè)信號(hào)的頻率為：f=N/T。這兩種方法的計(jì)數(shù)值會(huì)產(chǎn)生±1 個(gè)字誤差，并且測(cè)試精度與計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx或Ns有關(guān)。對(duì)于測(cè)量范圍比較大的頻率信號(hào)通常結(jié)合兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)頻。低頻通常采用測(cè)周期方法實(shí)現(xiàn)，高頻采用測(cè)頻法實(shí)現(xiàn)[4]。石英晶體微量天平中有兩個(gè)需要測(cè)量的傳感器頻率信號(hào)，一個(gè)是由測(cè)量晶體產(chǎn)生的頻率信號(hào)，另一個(gè)是由參考晶體產(chǎn)生的頻率信號(hào)，兩者的頻率信號(hào)都在15 Mhz 上下變化，被測(cè)量信號(hào)屬高頻信號(hào)[5]。本系統(tǒng)中采用的頻率測(cè)量框圖如圖3 所示。

圖3 頻率測(cè)量框圖

3.2 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

溫控系統(tǒng)由溫度傳感器、電熱元件及微控制器構(gòu)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(dǎo)體制冷器，微控制器采用AD 公司的新型數(shù)據(jù)采集芯片。與國(guó)內(nèi)目前使用的地面分子污染監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，監(jiān)測(cè)儀將溫控系統(tǒng)集成在探頭內(nèi)部，由測(cè)溫精度優(yōu)于±（0.10＋0.002|T|）℃的鉑電阻實(shí)時(shí)測(cè)量探頭溫度（T為攝氏溫度）[6]，并以該溫度值為基準(zhǔn)，通過(guò)植入在微控制器內(nèi)的PⅠD 算法控制制冷器的輸出功率，形成閉環(huán)的溫控系統(tǒng)，溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 溫度測(cè)量與控制電路的結(jié)構(gòu)框圖

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)儀具備了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理的能力。計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485 接口與監(jiān)測(cè)儀的控制器進(jìn)行通訊，控制器為51 單片機(jī)，利用其通用異步收發(fā)傳輸器實(shí)現(xiàn)串行通信[7]。

4 性能測(cè)試

在石英晶體微量天平的設(shè)計(jì)和研制過(guò)程中進(jìn)行了各項(xiàng)性能測(cè)試，頻率電路和溫度控制部分是在軌污染監(jiān)測(cè)器的核心，主要對(duì)頻率電路和探頭溫控性能進(jìn)行測(cè)試，并給出相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。

4.1 頻率電路性能測(cè)試

對(duì)15 MHz 監(jiān)測(cè)儀的空載頻率輸出進(jìn)行測(cè)試，用來(lái)檢測(cè)監(jiān)測(cè)儀的頻率穩(wěn)定性，以確定靈敏度是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 可以看到：在空載條件下，監(jiān)測(cè)儀平衡后頻漂在±1 Hz/3 h 以內(nèi)。幾臺(tái)監(jiān)測(cè)儀的空載頻漂性能相近。根據(jù)理論計(jì)算的QCM 質(zhì)量靈敏度，由圖5 的測(cè)試結(jié)果可知，室溫下15 MHz 監(jiān)測(cè)儀可大約為2x10-9g/cm2Hz 監(jiān)測(cè)精度。

圖5 監(jiān)測(cè)儀空載測(cè)試

4.2 溫控電路性能測(cè)試

監(jiān)測(cè)儀的測(cè)試性能需得到一定的保證，將置于真空室內(nèi)監(jiān)測(cè)儀溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，看是否滿足設(shè)計(jì)要求[8]。監(jiān)測(cè)儀的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6、圖7 所示，可見(jiàn)，溫控系統(tǒng)達(dá)到了較好的控溫目的。

圖6 監(jiān)測(cè)儀探頭升溫曲線

圖7 監(jiān)測(cè)儀探頭降溫曲線

5 小結(jié)

石英晶體微天平已成功應(yīng)用于某所生產(chǎn)的大型國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置上。近年來(lái)的應(yīng)用實(shí)踐證明，石英晶體微天平各項(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有體積小、安裝使用方便、測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定等特點(diǎn)，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。