CN115683291A - 一种集成型差频石英晶体微量天平 - Google Patents

Abstract

本申请涉及空间尘埃探测技术领域，具体而言，涉及一种集成型差频石英晶体微量天平，包括机壳盖板、机壳底板以及SMB连接器，其中：机壳盖板通过紧固螺钉固定在机壳底板上；SMB连接器通过螺钉固定在机壳盖板的侧面；机壳盖板的内部设置有沉积石英晶体、基准石英晶体以及振荡电路板，振荡电路板通过安装台与机壳底板固定连接，沉积石英晶体和基准石英晶体均焊接在振荡电路板上；机壳盖板的顶面开设有窗口，沉积石英晶体通过窗口露出，与外界环境接触。本申请将两个石英晶体紧密相邻布置，使得两片石英晶体因环境因素引起的频率变化近似相等，通过后端的差频电路求频率差后相互减扣，将环境因素对测量精度的影响降至最低。

Description

一种集成型差频石英晶体微量天平

技术领域

本申请涉及空间尘埃探测技术领域，具体而言，涉及一种集成型差频石英晶体微量天平。

背景技术

石英晶体微天平是通过石英晶体谐振频率变化来表征晶体表面附着物质量大小的精密测量装置，广泛应用于太阳能光伏、透镜镀膜、真空溅射、半导体加工等行业的膜层厚度测量。

月球上漂浮着细微的月尘颗粒，探测器月表活动也会造成大量的月尘飞溅，它们会吸附在仪器表面导致仪器发热、镜头污染，还会阻塞活动部间隙造成活动部件卡滞，总之月尘对月表探测器影响巨大，测量月尘的空间分布特性意义重大。

通过石英晶体微天平来测量月尘具有精度高、时效性好、测量周期长、成本低等优点，但是也存在一些问题，比如石英晶体谐振频率易受温度变化的影响，膜厚测量领域通过恒温水循环的方法来稳定石英晶体温度以减小温度变化对测量精度的影响，显然这套做法不可能应用在月球探测器上。石英晶体谐振频率越高质量测量精度越高，石英晶体微天平通常使用6MHz—15MHz的石英晶体，这个频段的信号容易在传输线上受到干扰或两路信号间串扰，此外，航天电子产品发射后可维修性差，对可靠性要求较高，减少传输信号的数量可以提高产品可靠性。

发明内容

本申请提供了一种集成型差频石英晶体微量天平，解决了月表温度骤变引起的测量误差，避开了高频信号传输引起的干扰，通过单根同轴线供电并输出信号，提高了产品固有可靠性。

为了实现上述目的，本申请提供了一种集成型差频石英晶体微量天平，包括机壳盖板、机壳底板以及SMB连接器，其中：机壳盖板通过紧固螺钉固定在机壳底板上；SMB连接器通过螺钉固定在机壳盖板的侧面；机壳盖板的内部设置有沉积石英晶体、基准石英晶体以及振荡电路板，振荡电路板通过安装台与机壳底板固定连接，沉积石英晶体和基准石英晶体均焊接在振荡电路板上；机壳盖板的顶面开设有窗口，沉积石英晶体通过窗口露出，与外界环境接触。

进一步的，机壳盖板的内壁设置有第一下陷孔和第二下陷孔，第一下陷孔与窗口连通。

进一步的，沉积石英晶体通过第一支撑环嵌入第一下陷孔中，并通过窗口露出，基准石英晶体通过第二支撑环嵌入第二下陷孔中。

进一步的，沉积石英晶体和基准石英晶体紧密相邻的焊接在振荡电路板上。

进一步的，机壳盖板、机壳底板、第一支撑环以及第二支撑环均为金属结构。

进一步的，振荡电路板上设置有沉积振荡电路、基准振荡电路、差频电路、输出调制电路，其中：沉积振荡电路与沉积石英晶体连接；基准振荡电路与基准石英晶体连接；差频电路分别与沉积振荡电路和基准振荡电路连接；输出调制电路分别与差频电路、电源线以及SMB连接器连接，将差频电路的输出调制到电源线上，并通过SMB连接器对外输出。

进一步的，输出调制电路与电源线之间设置有滤波电感。

进一步的，机壳底板设置有螺钉通孔，通过螺钉通孔与探测器连接。

本发明提供的一种集成型差频石英晶体微量天平，具有以下有益效果：

1、本申请将两个石英晶体紧密相邻布置，使得两片石英晶体因环境因素引起的频率变化近似相等，通过后端的差频电路求频率差后相互减扣，将环境因素对测量精度的影响降至最低。

2、本申请通过硬件电路求差，求差的信号频率最高为100KHz，避免长距离平行传输线路上两路石英晶体10MHz信号互相干扰，同时减少了信号传输路数，降低了传输线造成的测量误差。

3、本申请的振荡电路板以最小的尺寸集成了两路石英晶体的驱动振荡、频率求差、电源与信号调制等功能电路，使得两片石英晶体紧密相邻安装在同一块电路板上，而且在电路参数和电路布局上完全对称，是一种高度集成化的微量天平。

4、本申请的振荡电路在VCC电源入口放置滤波电感，直流电压通过电感向振荡电路、差频电路供电，最终输出的差频信号通过电容耦合到VCC电源上，通过这种电源与信号的耦合传输方式，进一步减少了传输线数量。

5、本申请仅通过一个SMB接口就完成了石英晶体微天平的供电、两路石英晶体的振荡驱动，以及频率信号的采集功能，是一个高度集成型的石英晶体微天平，通过SMB常用的同轴线传输信号可以保证传输线路阻抗稳定不易受干扰，其安装也较为便捷可靠，提高了产品的固有可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的集成型差频石英晶体微量天平的示意图；

图2是根据本申请实施例提供的集成型差频石英晶体微量天平的***分解图；

图3是根据本申请实施例提供的集成型差频石英晶体微量天平的石英晶体与机壳盖板的连接图；

图4是根据本申请实施例提供的集成型差频石英晶体微量天平的振荡电路板的原理图；

图中：1-沉积石英晶体、2-机壳盖板、3-SMB连接器、4-机壳底板、5-基准石英晶体、6-振荡电路板、7-第二支撑环、8-第一支撑环、9-第二下陷孔、10-窗口、11-螺钉、12-安装台、13-紧固螺钉、14-沉积振荡电路、15-基准振荡电路、16-差频电路、17-输出调制电路、18-滤波电感。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1-2所示，本申请提供了一种集成型差频石英晶体微量天平，包括机壳盖板2、机壳底板4以及SMB连接器3，其中：机壳盖板2通过紧固螺钉13固定在机壳底板4上；SMB连接器3通过螺钉11固定在机壳盖板2的侧面；机壳盖板2的内部设置有沉积石英晶体1、基准石英晶体5以及振荡电路板6，振荡电路板6通过安装台12与机壳底板4固定连接，沉积石英晶体1和基准石英晶体5均焊接在振荡电路板6上；机壳盖板2的顶面开设有窗口10，沉积石英晶体1通过窗口10露出，与外界环境接触。

具体的，本申请实施例提供的集成型差频石英晶体微量天平主要安装在月球探测器上，通过裸露在外的沉积石英晶体1来收集月表环境中的月尘，随着月尘的沉积，石英晶体的谐振频率会发生变化，通过振荡电路板6将频率变化传输至SMB连接器3，然后SMB连接器3再将频率变化信号传输至月球探测器内部的信号处理端口，从而实现对月尘沉积量的测量，实现对月尘空间分布特性的判断。本申请实施例引入了两路参数完全相同的石英晶体和石英晶体振荡电路，通过对比两路频率信号的变化量来消除温度变化带来的误差。其中，沉积石英晶体1安装在机壳盖板2窗口10的正下方，与外界月尘直接接触，以便月尘沉积在石英晶片的表面，后续根据石英晶体微天平的原理，晶体表面沉积的质量与其谐振频率呈负线性相关，谐振频率的减小量即为月尘沉积量（通过质量频率转换因子换算）；基准石英晶体5安装位置没有窗口10，月尘无法沉积到基准石英晶体5的表面，测量过程中将基准石英晶体5作为基准谐振频率，基准石英晶体5和沉积石英晶体1所处的环境条件完全相似，电路工作时温度、电磁辐射等引起的环境干扰因素会使得两路石英晶体谐振频率同时波动，将两路频率相减后，环境条件引入的干扰因素会被减扣，剩余的频率差即为月尘的沉积量。沉积石英晶体1的晶片外露，其谐振频率会因月尘沉积而减小，用基准频率减去沉积频率得到的频率差可以完美表征月尘沉积量。

进一步的，如图3所示，机壳盖板2的内壁设置有第一下陷孔和第二下陷孔9，第一下陷孔与窗口10连通。第一下陷孔和第二下陷孔9的设置主要起到固定石英晶体的作用。

进一步的，沉积石英晶体1通过第一支撑环8嵌入第一下陷孔中，并通过窗口10露出，基准石英晶体5通过第二支撑环7嵌入第二下陷孔9中。石英晶体通过支撑环正好能够嵌入到下陷孔中，有利于石英晶体的散热、电磁屏蔽以及机械固定。

进一步的，沉积石英晶体1和基准石英晶体5紧密相邻的焊接在振荡电路板6上。石英晶片夹持在晶体封装底座，晶片的上下电极通过两个管脚引出，沉积石英晶体1和基准石英晶体5两个石英晶体紧密相邻焊接在振荡电路板6上，保证两者处于相同的温度、电磁环境、日照角度等条件。

进一步的，机壳盖板2、机壳底板4、第一支撑环8以及第二支撑环7均为金属结构。石英晶体外面全设置成金属结构，这样就将石英晶体封闭在金属腔室内，能够有效的防止电磁信号干扰振荡电路板6。

进一步的，如图4所示，振荡电路板6上设置有沉积振荡电路14、基准振荡电路15、差频电路16、输出调制电路17，其中：沉积振荡电路14与沉积石英晶体1连接；基准振荡电路15与基准石英晶体5连接；差频电路16分别与沉积振荡电路14和基准振荡电路15连接；输出调制电路17分别与差频电路16、电源线以及SMB连接器3连接，将差频电路16的输出调制到电源线上，并通过SMB连接器3对外输出。

具体的，沉积振荡电路14主要用于驱动沉积石英晶体1产生振荡，基准振荡电路15主要用于驱动基准石英晶体5产生振荡，差频电路16主要用于对沉积频率和基准频率求差，并输出两路频率信号的频率差，输出调制电路17主要用于将差频电路16的输出调制到电源线上，并最终通过SMB连接器3对外进行输出。在本申请实施例中，沉积石英晶体1和基准石英晶体5焊接在图4的Y1、Y2位置上，沉积振荡电路14和基准振荡电路15分别驱动两路石英晶体产生10MHz附近的谐振频率信号，输出的两路谐振频率信号进入U6位置的触发器进行频率求差，求差后的信号频率将在0Hz—100kHz之间，初始状态频率差值在1kHz以内（通过挑选使沉积石英晶体1和基准石英晶体5谐振频率尽量一致），随着沉积月尘量增大，沉积石英晶体1谐振频率降低，基准频率减去沉积频率的差值不断增大，直到超出沉积石英晶体1月尘测量范围（沉积石英晶体1谐振频率变化100kHz以上会停止振荡），差值频率信号会进入放大器U3的输入负端，从输出负端通过电容耦合到VCC上，SMB连接器3引线接到图4的P1位置SMB输出接口上，通过一根同轴线通向月球探测器内部的信号处理端口（计数器端口），而耦合到电源线上的频率信号最终在远端通过电容耦合到计数器端口进行频率信号计数，从而根据频率信号的变化，能够实现月尘沉积量的测量，并且根据月尘的沉积量实现对月尘空间分布特性的判断。

进一步的，输出调制电路17与电源线之间设置有滤波电感18。电源线主要为了向振荡电路板6供电，在电源线的供电入口设置一个滤波电感18，主要为了阻止频率信号流向供电端口。

进一步的，机壳底板4设置有螺钉通孔，通过螺钉通孔与探测器连接。在本申请实施例中，机壳底板4预留4个螺纹通孔，通过螺钉能够将整体的石英晶体微天平固定在月球探测器的表面，从而在探测月球的过程中，进行表面月尘的收集。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种集成型差频石英晶体微量天平，其特征在于，包括机壳盖板、机壳底板以及SMB连接器，其中：

所述机壳盖板通过紧固螺钉固定在所述机壳底板上；

所述SMB连接器通过螺钉固定在所述机壳盖板的侧面；

所述机壳盖板的内部设置有沉积石英晶体、基准石英晶体以及振荡电路板，所述振荡电路板通过安装台与所述机壳底板固定连接，所述沉积石英晶体和所述基准石英晶体均焊接在所述振荡电路板上；

所述机壳盖板的顶面开设有窗口，所述沉积石英晶体通过所述窗口露出，与外界环境接触。

2.如权利要求1所述的集成型差频石英晶体微量天平，其特征在于，所述机壳盖板的内壁设置有第一下陷孔和第二下陷孔，所述第一下陷孔与所述窗口连通。

3.如权利要求2所述的集成型差频石英晶体微量天平，其特征在于，所述沉积石英晶体通过第一支撑环嵌入所述第一下陷孔中，并通过所述窗口露出，所述基准石英晶体通过第二支撑环嵌入所述第二下陷孔中。

4.如权利要求1所述的集成型差频石英晶体微量天平，其特征在于，所述沉积石英晶体和所述基准石英晶体紧密相邻的焊接在所述振荡电路板上。

5.如权利要求3所述的集成型差频石英晶体微量天平，其特征在于，所述机壳盖板、所述机壳底板、所述第一支撑环以及所述第二支撑环均为金属结构。

6.如权利要求1所述的集成型差频石英晶体微量天平，其特征在于，所述振荡电路板上设置有沉积振荡电路、基准振荡电路、差频电路、输出调制电路，其中：

所述沉积振荡电路与所述沉积石英晶体连接；

所述基准振荡电路与所述基准石英晶体连接；

所述差频电路分别与所述沉积振荡电路和所述基准振荡电路连接；

所述输出调制电路分别与所述差频电路、电源线以及所述SMB连接器连接，将所述差频电路的输出调制到所述电源线上，并通过所述SMB连接器对外输出。

7.如权利要求6所述的集成型差频石英晶体微量天平，其特征在于，所述输出调制电路与电源线之间设置有滤波电感。

8.如权利要求1所述的集成型差频石英晶体微量天平，其特征在于，所述机壳底板设置有螺钉通孔，通过所述螺钉通孔与探测器连接。

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