基于石英晶体谐振器的三分量压力仪的研制

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早在二十世纪六、七十年代，我国就开展过比较多的土层应力观测工作，唐山八中业余地震观测组曾利用简易液压土层应力计观测到唐山7.8级地震后数次强余震前的土层应力扰动异常信号。虽然土层应力观测在多次地震前监测到了比较好的短临异常信号，但由于其观测精度低、应力-应变本构关系不明确等方面的原因，于80年代逐步退出地震监测领域。90年代初，进行了-些把高精度压磁式钻孔应力仪用于土层观测的试验 I4 ，结果也观测到地震前应力异常变化信号 J↑几年进行的沙层应变仪试验同样观测到异常信息 J。由于土层应力仪安装方便，对观测环境要求不太苛刻，因此土层应力仪观测作为地震监测有益的补充也是必要和有意义的。

基于石英晶体谐振式传感器稳定性好、线性度高、重复性好、滞后孝功耗低、数字量输出(频率) 7I 等优点，我们研制了-款高精度、抗干扰能力强、安装简便的三分量石英晶体谐振式土层压力传感器，本文主要介绍其设计原理和实验结果。

收稿日期：2012-12-09基金项目：中国地震局地震星火计划(XH12073)作者简介：崔笃信，男，1962年生，研究员，主要从事地壳形变及仪器研究.E-mail：CuiDuxin###163.corn第3期 崔笃信等：基于石英晶体谐振器的三分量压力仪的研制 1452 压力传感器结构原理2.1 单分量压力传感器原理对于厚度剪切模 AT切型石英晶体谐振器，其共振频率变化 △厂可以表示为9 J：af F (1)式中，D为石英晶体阵子厚度， 为石英晶体拉氏系数，Ⅳ为谐波次数，/为谐振器基频，△，为沿晶体轴受力变化。式(1)中，谐振器基频 主要由石英晶片的厚度决定，石英晶体拉氏系 、厚度 D及谐波次数 Ⅳ等参数在晶片加工、谐振器线路板制作完成后为常数，因此，石英晶体谐振式频率变化与其所受力的变化呈线性关系。

2.2 单分量压力传感器结构单-分量压力传感器的结构如图1(a)所示，外壳为刚性金属，膜片为弹性好的金属材料，可与外壳无缝黏接或焊接。上砧和下砧为刚性好、蠕变小的金属材料，他们与谐振器接触面分别加工深度为0.5 mm左右、比谐振器晶片厚度稍宽的槽，与谐振器晶片用胶黏接，上砧上面与膜片黏接，下面固定在外壳底面内侧。测量过程为：传感器周围土层或沙层应力作用在弹性膜片上，使膜片产生变形，膜片作用在刚性的上砧，上砧把位移传递到石英谐振器晶片上使得晶片产生变形，从而使石英晶体谐振器的荡频率发生变化。由于石英晶振晶片做成后其弹性模量已确定，所以传感器整体的量程、灵敏度，稳定性主要撒于膜片的性能参数。膜片变形量6与作用在其上的力 F 的关系为 (2)上 ( 式中，6为膜片在其垂直方向的变形量，R为膜片的工作半径， 膜片的弹性模量，d为膜片的厚度，，为作用在膜片上的外力与谐振器的反作用力之差，A撒于膜片工作半径与硬心半径之比。

由式(2)可知，膜片的等效弹性模量由膜片的工作半径、厚度、弹性模量及膜片工作半径与硬心半径之比决定。膜片既要有-定的强度，又要很好的弹性，恢复速度快，因此，制作膜片的材料和加工工艺非常重要。有两种方案：-种是膜片与壳体为同- 材料加工而成，这种方案膜片与壳体为-整体，防水性好；第二种方案是壳体用刚性强的材料加工而成，膜片采用弹性好的材料，这种方案膜片的可选范围大。我们最后采取第-种方案，膜片用钛合金加工而成，厚度为0.6 mm，工作半径为25 mm。

2.2 三分量压力传感器原理三分量传感器总体为-整六面空腔壳体，壳体有足够的厚度，满足在 10 mPa的围压下变形微校三个单分量传感器互为正交地固定在不锈钢立方体的外壳体上(图1(b))，三个分量传感器的膜片外受力面分别与所在立方体表面严格平行，以获得高的力-频变化灵敏度。分量传感器与壳体通过丝扣连接，加密封圈进行防水处理。在没有分量传感器的另-面的内侧，固定-个 y切型温度敏感石英晶体谐振器，用于实时测量温度变化，温度分量可以监测地温的变化，同时也可以用于压力传感器的温漂校正。谐振器的震荡器的两块线路板固定空腔内。

D(a)单分量传感器结构o 3石英晶体振荡器(b)三分量传感器结构图1 石英晶体谐振式压力仪结构原理图Fig.1 Structure of quartz crystal resonance pressure meter3 数据采集器3.1 采集器采集器(图2)主要由微处理器、频率采集板和GPS校时拈构成。微处理器采用32位 ARM芯片，嵌人 LINUX操作系统。ARM处理器集成有 SD卡和 USB接口，用于存储数据；集成的 10M 网络接口用于与外部的数据交换和控制；3个 RS232串口，其中-个用于与频率采集板通讯，-个与 GPS较时拈相连，用于时间系统校正，还有-个是用于仪器状态的指示灯的控制。

数据采集软件由四个拈构成，分别是总控模块，用于对所有线程的调度和控制；频率板通讯模块，用于通过RS232从频率板读取数据和对频率版数据采集方式的控制；网络侦听和数据发送拈，用第3期 崔笃信等：基于石英晶体谐振器的三分量压力仪的研制 147襄45。03。

30曩 5。030O O-2 0.4 0.6 0.8 10 0.2 0.4 0.6 0.8 1压力/mPa(a)传感器1的标定曲线O O.2 0.4 0.6 0.8 l压力/mPa(b)传感器2的标定曲线图4 压力传感器的标定曲线Fig.4 Graph of pressure sensors定，确定其压力与传感器输出频率的线性关系。通过测定，传感器的量程为0-1.0 mPa；非线性度小于 1.0%；重复性小于 0.05%FS；滞后小于 0.1%Fs。温度的测量精度为0.01C。基于石英晶体谐振器的压力传感器采用了三分量压力、温度辅助-体化同步观测，具有体积孝重量轻、功耗孝稳定性好、安装方便等特点，其观测精度满足地震观测要求，适用于野外应急流动加密观测。相对来说，传感器滞后误差较大，这可能是由于膜片或用于黏接受力元件的胶蠕变引起的，将在后续研究中予以克服。