三分量石英晶体谐振式压力传感器研制

崔笃信 王庆良 陶茂盛

（中国地震局第二监测中心，西安 710054）

早在20世纪六七十年代，我国就曾开展过比较多的土层应力观测工作，河北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级地震数次强余震前的土层应力扰动异常信号。土层应力观测虽在多次地震前监测到了比较好的短临异常信号，但是由于其观测精度低、应力－应变本构关系不够明确等方面的原因，在20世纪80年代清理攻关后逐步退出专业舞台、甚至群测群防舞台。20世纪80年代以来研制的应力、应变仪虽然精度方面得到了很大提高，但必须安装在洞室或钻孔中，使其应用范围得到很大的限制。目前，用于土层压力测量的压力盒多为振弦式、压容式的受力传感结构，精度较低，不能满足地震监测的需求。石英晶体谐振式传感器具有稳定性好、线性度高、重复性好、滞后小、数字量输出（频率）、功耗低等多方面的优点，已在温度、压力、加速度等多种测量中得到广泛应用。研制一种高精度、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，以期在地震短临强化跟踪监测、定点台站应力监测、强余震前兆观测以及群测群防应用中发挥重要作用。

1 原理与方法

石英晶体谐振式压力传感器是利用石英晶体谐振器的共振频率随被测物理量变化而变化的特点。厚度剪切模AT切型石英晶体谐振器，其共振频率变化Δf可以表示为：

式中，D为石英晶体阵子厚度，Kf为石英晶体拉氏系数，N谐波次数，f为谐振器基频，Δf为沿晶体X轴受力变化。由（1）式可见。石英晶体谐振式频率变化与其所受力的变化呈线性关系。石英晶体谐振式压力传感器是据此原理研制的。

2 结果

三分量压力测量是把3个单分量传感器互为正交固定在立方体的不锈钢外壳体上，3个分量传感器的受力面分别与所在立方体表面相平行，以获得高的力—频变化灵敏度。

对于单一分量，其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晶振上使得石英晶片产生变形，从而使石英晶体振荡器的震荡频率发生变化。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，稳定性主要取决于膜片的性能参数。膜片的等效弹性模量与膜片的工作半径、厚度、弹性模量及膜片半径与硬心半径之比决定。膜片既要有一定的强度，又要有很好的弹性，恢复速度快，因此，制作膜片的材料和加工工艺非常重要。采用两种方案：一种是膜片与壳体为同一材料加工而成，这种方案膜片与壳体为一整体，放水性好；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，这种方案膜片可选范围大。

3 结论

通过用标准压力仪对传感器的每一分量进行标定，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0.1%；重复性小于0.05%FS；滞后小于0.1%FS。温度的测量精度为0.01℃。基于石英晶体谐振器的压力传感器采用了三分量压力、温度辅助一体化同步观测，具有体积小、重量轻、功耗小、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，可以开展实际观测试验。