我们有一个裸石英晶体,我们正在以非常高的精度 (1 ppb) 测量它的谐振频率。当它在大气压和真空之间循环时,频率似乎发生了变化。这可能是因为晶体被压缩了吗?如果是这样,我如何计算频率变化?
温度控制环境中的意外变化约为 400 ppb
我们有一个裸石英晶体,我们正在以非常高的精度 (1 ppb) 测量它的谐振频率。当它在大气压和真空之间循环时,频率似乎发生了变化。这可能是因为晶体被压缩了吗?如果是这样,我如何计算频率变化?
温度控制环境中的意外变化约为 400 ppb
请记住,晶体在机械运动中起作用。当某物在空气中振动时,一些能量被传递到空气中。例如,扬声器依赖于此。
任何在空气中振动的东西都会发出声音,这意味着来自振动的东西的一些能量会转移到空气中。由于晶体周围有空气,共振时存储的一些能量在每个循环中都会丢失到空气中。这有效地降低了晶体的 Q。这种影响一定很小,但能够在 PPB 级别对其进行测量似乎并不难。
这是一个向真空开放的基础晶体
然后机械运动的阻尼依赖于压力,这可以稍微改变共振峰(串联和并联)。它将产生代表谐振电路损耗的声波,在真空中这种损耗会更少,并且谐振频率可能会略微上升。
根据 HB Huntington 在 [ 1],第 7 章,p。219,通过以下公式 $$ f=\frac{2.86}{d}\quad\text{($\mathrm{MHz}$)}\tag{1}\label{1} $$ 和 \$ d\$ 以毫米为单位。假设我们处于线性弹性领域,我们可以将 \$d\$ 与通过胡克定律施加在晶体板上的压力联系起来 $$ \varepsilon_{xx}=-\frac{1}{K_x}\sigma_{ xx}\tag{2}\label{2} $$ 在哪里
总之,压力肯定会影响石英晶体的谐振频率:通过仔细使用上述公式和石英晶体的(已知?)特性,您可以尝试评估它是否真的给了您“你测量的谐振频率发生了如此大的“变化”。最后,跟大家分享几点注意事项:
[1] Blackburn, JF (1949), Components Handbook , MIT Radiation Laboratory Series 17, New-York, Toronto and London: McGraw-Hill Book Company, Inc.
另一种看待这种影响的方法(尽管只是一个近似值)是,随着压力的增加,随着晶体的振动(趋肤深度),更多的大气会随着晶体移动,并且在某种意义上会增加其质量,从而减慢其振动。当然,如果振动速率使晶体运动高于音速,这个模型就会崩溃……