介紹了一種基于擴(kuò)散硅傳感器的低真空測(cè)量?jī)x表YZ-111型壓阻真空計(jì)。儀表由傳感器單元、信號(hào)調(diào)理單元、A/D采集單元、中央處理單元、按鍵和顯示單元等組成。該儀器采用進(jìn)口擴(kuò)散硅壓阻式傳感器。信號(hào)被調(diào)理后由高精度數(shù)字采集系統(tǒng)采集、分析, 直接輸出數(shù)字信號(hào)。配以溫度補(bǔ)償技術(shù), 保證它的高精度。通過(guò)用高精度真空計(jì)校準(zhǔn), 并與之比較, 其測(cè)量結(jié)果達(dá)到預(yù)期。

　　擴(kuò)散硅壓力傳感器以其測(cè)量范圍寬、精度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn), 正得到越來(lái)越多人的關(guān)注。北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司研制的YZ-111型壓阻真空計(jì)采用美國(guó)Measurement 公司的154N 超穩(wěn)型壓力傳感器。該傳感器是一種內(nèi)部經(jīng)過(guò)補(bǔ)償, 且與介質(zhì)兼容的壓阻式傳感器, 主要應(yīng)用在低壓場(chǎng)合。其內(nèi)部封裝一絕對(duì)真空值, 通過(guò)對(duì)其底部的厚膜電阻進(jìn)行激光修阻, 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償和零點(diǎn)偏差調(diào)整, 使傳感器的互換性范圍可控制在正負(fù)1%以?xún)?nèi)。由于傳感器采用不銹鋼封裝結(jié)構(gòu), 使其不但可用在常見(jiàn)的無(wú)腐蝕氣體場(chǎng)合, 還可應(yīng)用在與不銹鋼兼容的腐蝕性場(chǎng)合等。該傳感器有5psi、15psi、30psi 等多個(gè)量程可供選擇。YZ-111真空計(jì)選用的是5psi 量程的傳感器。

1、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　YZ-111型壓阻真空計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　154N 型傳感器采用316L 不銹鋼結(jié)構(gòu), 其內(nèi)部集成一惠斯登電橋。只需供給電橋恒定電流, 傳感器即可直接將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分電壓信號(hào)輸出。由于傳感器輸出的差分信號(hào)很小, 必須配以信號(hào)調(diào)理電路, 將其調(diào)理成適合A/D采集芯片采集的電壓,A/D采集的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后, 直接換算出壓力值, 然后經(jīng)過(guò)數(shù)字溫度補(bǔ)償, 輸出給數(shù)碼管顯示。真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)覺(jué)得由按鍵部分用來(lái)完成真空計(jì)的校準(zhǔn)。

2、系統(tǒng)硬件電路

2.1、信號(hào)調(diào)理單元

　　傳感器輸出信號(hào)為0~ 200 mV 的差分信號(hào), 而A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓信號(hào)為0~5V, 因此須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能適合采集要求。信號(hào)調(diào)理電路的電路圖如圖2 所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

　　信號(hào)調(diào)理電路為一高輸入阻抗差分放大器。A1、A2 兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成輸入級(jí), 再與A3 串聯(lián)組成三運(yùn)放差分放大電路。在該電路中, 完全對(duì)稱(chēng)的A1和A2 提高了信噪比; 電路對(duì)共模信號(hào)幾乎沒(méi)有放大作用, 共模抑制比高。該差分放大電路的放大倍數(shù)計(jì)算如式(1) 所示

　　在電路中, 設(shè)計(jì)電阻R 1 = R2 = 24 k歐姆, RG= 2k歐姆 , 所以差分信號(hào)的放大倍數(shù)為25 倍, 恰好可以將原始信號(hào)放大到A/D采集所需的信號(hào)等級(jí)。電阻R0= 470歐姆 , 用于保護(hù)運(yùn)放輸入級(jí)。

2.2、A/D采集單元

　　為了能測(cè)量1 Pa 到1.0×10⁵Pa 的壓力, 同時(shí)使分辨率達(dá)到0.1 Pa, 所需要的A/D的位數(shù)最少需為20 位。本設(shè)計(jì)中采用-24 位的A/D轉(zhuǎn)換器, 直接將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出給單片機(jī)。24位的A/ D 分辨率確保了壓力信號(hào)的分辨率可達(dá)到0.1 Pa 以下。

2.3、中央處理單元

　　中央處理單元采用C8051F 系列單片機(jī)芯片。該類(lèi)單片機(jī)具有指令執(zhí)行速度快、功耗低、多總線(xiàn)接口、內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間大等許多優(yōu)點(diǎn)。其獨(dú)有的數(shù)字交叉開(kāi)關(guān), 允許將其內(nèi)部的各種數(shù)字資源映射到P0、P1、P2、P3 的端口引腳。同時(shí), 單片機(jī)內(nèi)部集成有Flash 存儲(chǔ)器, 可以存儲(chǔ)一些系統(tǒng)參數(shù)等, 極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

　　C8051F 單片機(jī)用來(lái)完成電壓信號(hào)的采集, 然后根據(jù)公式計(jì)算出壓力值, 同時(shí)采集溫度, 并根據(jù)溫度值對(duì)壓力值進(jìn)行溫度補(bǔ)償, 并將最終值輸出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示。同時(shí), 單片機(jī)還掃描按鍵, 如果有按鍵按下, 則根據(jù)各按鍵功能完成對(duì)儀器的零點(diǎn)、滿(mǎn)度和計(jì)算公式的微調(diào)等。

2.4、其他單元

　　其他單元還包括溫度采集部分、顯示部分、按鍵部分、電源部分。溫度采集部分采用DS18B20 進(jìn)行溫度采集, 此芯片可直接輸出數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)。顯示部分采用5 位數(shù)碼管顯示壓強(qiáng)。按鍵部分設(shè)置了4 個(gè)按鍵：“功能”、“移位”、“△”、“確定”。此4 個(gè)按鍵組合工作完成真空計(jì)的滿(mǎn)度、零點(diǎn)調(diào)節(jié)以及計(jì)算公式的微調(diào)等。

　　電源部分則負(fù)責(zé)提供5, 3.3, 正負(fù)15 V 和恒定電流給各部分電路。

3、軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件部分主流程圖如圖3 所示。

　　圖3 軟件主流程圖

　　開(kāi)機(jī)后, 單片機(jī)完成初始化、自檢功能后, 即進(jìn)入主流程: 首先檢查有無(wú)按鍵按下。如果有按鍵按下, 則根據(jù)此按鍵的功能定義轉(zhuǎn)入相應(yīng)的分支流程,包括滿(mǎn)度調(diào)節(jié)分支、零點(diǎn)調(diào)節(jié)分支等。如果無(wú)按鍵按下, 則采集經(jīng)過(guò)調(diào)理的傳感器信號(hào), 根據(jù)此信號(hào)和程序內(nèi)部存儲(chǔ)的公式計(jì)算出壓強(qiáng)值。之后采集溫度, 根據(jù)溫度對(duì)計(jì)算出的壓強(qiáng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償, 最后將最終的壓強(qiáng)值送到數(shù)碼管顯示。

4、測(cè)試結(jié)果

　　將YZ-111型壓阻真空計(jì)用INFICON 公司的電容薄膜規(guī)進(jìn)行校準(zhǔn), 并在校準(zhǔn)后將兩者安裝在同一真空室中進(jìn)行抽真空測(cè)量比較, 結(jié)果如表1 所示。

表1 YZ-111 型壓阻真空計(jì)的測(cè)量結(jié)果

　　可以看出, 在30 kPa 的測(cè)量范圍內(nèi), 其精度<正負(fù)0.2%F. S, 30 kPa~ 1.0 ×1⁵ Pa 范圍內(nèi), 精度<正負(fù)0.5% F. S。

5、總結(jié)

　　本文介紹了一種用于測(cè)量低真空的真空計(jì)。文中詳細(xì)介紹了真空計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)架、工作流程、硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件流程, 并給出了詳細(xì)的測(cè)量數(shù)據(jù)。其在5psi 量程內(nèi)的< 正負(fù) 0.2% F. S 的高精度, 低至1Pa 的測(cè)量下限, 達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)5psi 到大氣壓的范圍仍有較大的參考價(jià)值。

參考 文獻(xiàn)

　　[1] 王勇, 黃錫寧, 孫立臣. 氦質(zhì)譜檢漏儀入口壓力與顯示值的關(guān)系研究[J] . 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 31(1) : 32- 36

　　[2] 徐言生, 李玉春, 何欽波, 等. 大型食品真空冷凍干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J] . 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 28(4) : 22

　　[3] 羅強(qiáng), 任慶利, 羅莉. 一種新型智能真空測(cè)量?jī)x的研制[J] . 真空, 2000, 37(6) : 40- 42

　　[4] 侯俊欽, 吳小培, 楊一軍. 微伏信號(hào)放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M] .合肥: 安徽大學(xué), 2007: 198- 201

　　[5] 張培仁, 孫力. 基于C 語(yǔ)言C8051F 系列微控制器原理與應(yīng)用[M] . 北京: 清華大學(xué)出版社, 2007: 63-178