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)和實驗裝置中，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)和實驗裝置受到污染后，會使實驗系統(tǒng)性能大幅衰減，會使實驗結(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(dǎo)致航天器使用功能下降，引起航天器失效。因此，監(jiān)測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)測儀由測量傳感器探頭部分、測量控制電路和上位機(jī)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(jiān)測儀組成如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測儀組成框圖

2 測量傳感探頭結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)

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(qū)動，在兩電極之間形成一個與時間相關(guān)的電場，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，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)量的增加使晶體運動的頻率降低，通過監(jiān)測晶體頻率變化來監(jiān)測沉積質(zhì)量的變化[3]。

系統(tǒng)要能準(zhǔn)確測量晶體頻率的變化，測量精度需達(dá)到±1 Hz。為了消除環(huán)境因素導(dǎo)致的晶體頻率的變化，測量傳感頭的設(shè)計是關(guān)鍵。主要采取兩方面的措施：①通過兩個置于同一環(huán)境中的測量晶體和參考晶體，安裝不同的傳感器來消除環(huán)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(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測量傳感探頭結(jié)構(gòu)

3 測量控制電路的實現(xiàn)

3.1 晶體頻率測量電路設(shè)計與實現(xiàn)

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(nèi)，記錄被測信號的變化周期數(shù)（或脈沖個數(shù)）N，則被測信號的頻率為：f=N/T。測周期法需要有標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率f，在待測信號的一個周期T內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)頻率的周期數(shù)N，則被測信號的頻率為：f=N/T。這兩種方法的計數(shù)值會產(chǎn)生±1 個字誤差，并且測試精度與計數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx或Ns有關(guān)。對于測量范圍比較大的頻率信號通常結(jié)合兩種方法來實現(xiàn)測頻。低頻通常采用測周期方法實現(xiàn)，高頻采用測頻法實現(xiàn)[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(chǎn)生的頻率信號，另一個是由參考晶體產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計與實現(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。與國內(nèi)目前使用的地面分子污染監(jiān)測設(shè)備相比，監(jiān)測儀將溫控系統(tǒng)集成在探頭內(nèi)部，由測溫精度優(yōu)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(zhǔn)，通過植入在微控制器內(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)，溫度測量與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 溫度測量與控制電路的結(jié)構(gòu)框圖

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

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

4 性能測試

在石英晶體微量天平的設(shè)計和研制過程中進(jìn)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(jiān)測器的核心，主要對頻率電路和探頭溫控性能進(jìn)行測試，并給出相應(yīng)的測試結(jié)果。

4.1 頻率電路性能測試

對15 MHz 監(jiān)測儀的空載頻率輸出進(jìn)行測試，用來檢測監(jiān)測儀的頻率穩(wěn)定性，以確定靈敏度是否滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。測試結(jié)果如圖5 所示。

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

圖5 監(jiān)測儀空載測試

4.2 溫控電路性能測試

監(jiān)測儀的測試性能需得到一定的保證，將置于真空室內(nèi)監(jiān)測儀溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，看是否滿足設(shè)計要求[8]。監(jiān)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(tǒng)達(dá)到了較好的控溫目的。

圖6 監(jiān)測儀探頭升溫曲線

圖7 監(jiān)測儀探頭降溫曲線

5 小結(jié)

石英晶體微天平已成功應(yīng)用于某所生產(chǎn)的大型國家重點實驗裝置上。近年來的應(yīng)用實踐證明，石英晶體微天平各項功能和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，具有體積小、安裝使用方便、測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定等特點，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。