ZJK-β 型真空計(jì)的設(shè)計(jì)及其性能研究

　　介紹了ZJK-β 型真空計(jì)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其性能進(jìn)行了研究。該儀器和β 放射電離規(guī)配用，用于火箭共底壓力測(cè)量，測(cè)量范圍為0.1~5000 Pa。儀器采用單片機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、線性修正和壓力自動(dòng)校準(zhǔn)，可以完成對(duì)測(cè)量壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。性能研究結(jié)果表明，ZJK-β 型真空計(jì)在測(cè)量范圍內(nèi)具有較好的線性，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，為火箭發(fā)射提供了安全保障。

　　火箭在液氫、液氧加注過(guò)程中，由于氫、氧泄漏可能引起共底壓力增加和混合而存在引起爆炸的危險(xiǎn)。為了確�；鸺�發(fā)射安全，必須對(duì)共底的壓力和氫濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)共底壓力及氫濃度達(dá)到危險(xiǎn)上限時(shí)， 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)報(bào)警。ZJK-β 型真空計(jì)是專(zhuān)門(mén)用于火箭低溫運(yùn)載級(jí)的氫氧低溫貯箱共底壓力測(cè)量的安全檢測(cè)儀器，該儀器和β 放射電離規(guī)配用，壓力測(cè)量范圍為0.1~5000 Pa，同時(shí)具有量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、線性修正和壓力自動(dòng)校準(zhǔn)等功能，并配有USB 接口和計(jì)算機(jī)連接，可以完成壓力測(cè)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)顯示、數(shù)據(jù)打印及存儲(chǔ)等功能。

1、設(shè)計(jì)

1.1、工作原理

　　ZJK- β 型真空計(jì)整機(jī)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示，由供電及信號(hào)放大單元、信號(hào)處理單元和數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。β 規(guī)和計(jì)算機(jī)為其外圍設(shè)備，需與ZJK-β 型真空計(jì)配套使用。

圖1 ZJK-β 型真空計(jì)整機(jī)結(jié)構(gòu)原理框圖

　　供電及信號(hào)放大單元包括：直流電源、微電流放大器、繼電器組。直流電壓供給β 規(guī)陽(yáng)極，在陽(yáng)極筒內(nèi)形成的電場(chǎng)使全部正離子到達(dá)收集極。微電流放大器用來(lái)測(cè)量離子流, 最小輸入電流為10- 11 A，采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器進(jìn)行初級(jí)放大，再經(jīng)過(guò)測(cè)量放大器放大，最終輸出信號(hào)為電壓信號(hào)。放大器的量程轉(zhuǎn)換由繼電器組實(shí)現(xiàn)。

　　信號(hào)處理單元包括：A/D 轉(zhuǎn)換接口、CPU 系統(tǒng)、顯示窗及通信接口。信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)8051 的CPU 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行離子流- 壓力轉(zhuǎn)換、靈敏度校準(zhǔn)、高壓力線性修正，將處理后的壓力值在顯示窗顯示出來(lái)，也可通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相關(guān)操作和數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。靈敏度校準(zhǔn)和高壓力線性修正的參數(shù)由操作者根據(jù)校準(zhǔn)獲得的數(shù)據(jù)鍵入，儀器按設(shè)定的校準(zhǔn)參數(shù)自動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

　　處理軟件包括儀器內(nèi)部的信號(hào)測(cè)量程序和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序。其中儀器內(nèi)部的信號(hào)測(cè)量程序?qū)崿F(xiàn)繼電器切換控制、測(cè)量結(jié)果顯示、靈敏度校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定、高壓力線性修正參數(shù)設(shè)定和計(jì)算機(jī)通信等功能，該程序調(diào)節(jié)完成后固化在儀器自帶的存貯器內(nèi)。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序?qū)崿F(xiàn)與儀器的通信和數(shù)據(jù)采集，能在Windows 界面下完成壓力動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、打印等功能。

1.2、關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)

1.2.1、微電流放大器

　　由于β 規(guī)產(chǎn)生的輸入電流是一個(gè)非常微弱的電流信號(hào)，要求輸入級(jí)放大器具有輸入阻抗高、輸入失調(diào)電流和偏置電流小、高開(kāi)環(huán)增益的特性，因此選用高質(zhì)量的靜電計(jì)級(jí)運(yùn)算放大器OPA128LM作為輸入級(jí)電路，它的輸入阻抗高達(dá)10¹³ Ω，輸入失調(diào)電流30 fA，偏置電流±40 fA，開(kāi)環(huán)增益10⁵，溫度漂移5 μV/℃。再經(jīng)下一級(jí)程控增益放大電路進(jìn)一步放大得到適合A/D 轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)幅度的電壓信號(hào)，送入A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)離子流穩(wěn)定準(zhǔn)確的測(cè)量。

　　由于ZJK- β 型真空計(jì)的工作環(huán)境比較惡劣，周?chē)�電磁干擾比較嚴(yán)重，微電流放大器在工藝處理上采取了一些抗干擾措施，如印制板采用聚四氟乙稀材料，其絕緣阻抗可高達(dá)1017 Ω，輸入信號(hào)線采用帶屏蔽的電纜。這些措施均降低了對(duì)輸入信號(hào)的分流作用，增加了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1.2.2、100 V 直流電源

　　100 V 直流電源設(shè)計(jì)如圖2 所示。本設(shè)計(jì)采用HA17741 運(yùn)算放大器作為基準(zhǔn)比較器，用來(lái)保持電源的穩(wěn)定性。Vs 為基準(zhǔn)電壓，Vd 是輸入電源經(jīng)過(guò)橋式整流濾波后的直流電壓，Vcs 是輸出需要穩(wěn)定度在5%以?xún)?nèi)的100 V 直流電壓。由于在使用過(guò)程中，輸出負(fù)載電流很小，因此引起輸出電壓Vcs 波動(dòng)的主要因素就是電源電壓的波動(dòng)。

圖2 100 V 直流電源電路圖

　　從圖2 可以看出，由于電源電壓升高引起直流電壓Vd 升高，從而引起輸出電壓增高。同時(shí)，直流電壓Vd 升高引起比較放大器的比較點(diǎn)電壓升高。由于基準(zhǔn)電壓Vs 是一個(gè)不變的量，再通過(guò)比較放大后，使三極管Q 的b 點(diǎn)電位升高，通過(guò)三極管的集電極電流也要升高，從而在R1 上壓降升高，結(jié)果使輸出電壓恢復(fù)到原來(lái)的數(shù)值附近。實(shí)際檢測(cè)電流結(jié)果，輸出電壓的穩(wěn)定度為1%，符合設(shè)計(jì)要求。

1.2.3、單片機(jī)系統(tǒng)

　　數(shù)字電路系統(tǒng)的核心為AT89C52 單片機(jī)，其內(nèi)存儲(chǔ)器為8 K 字節(jié)，有加密保護(hù)，內(nèi)含256個(gè)字節(jié)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM，接口功能靈活，并有串口通訊等，適合于本儀器需要。EEPROM 器件2864 是電可擦寫(xiě)的，8 K 字節(jié)容量，負(fù)責(zé)輸入數(shù)據(jù)或測(cè)量結(jié)果的保存，如量程轉(zhuǎn)換所需的參數(shù)就存放在其中。EPROM27 作為程序的外存儲(chǔ)器，另外部分程序放在89C52 自帶的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中。

　　系統(tǒng)中其它的電路功能， 如顯示由INTEL8279 芯片實(shí)現(xiàn)，可以動(dòng)態(tài)掃描顯示多位數(shù)字。面板上輸入鍵由89C52 的P1 口直接接收，通過(guò)軟件識(shí)別按鍵動(dòng)作，確定輸入數(shù)字信號(hào)。檔位量程切換也由P1 口直接控制量程開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。儀器通信接口采用RS- 232 串行接口。

1.2.4、數(shù)據(jù)處理軟件

　　ZJK-β 型真空計(jì)數(shù)據(jù)處理軟件包括儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)處理軟件和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件。儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)處理軟件由主程序、校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、數(shù)據(jù)顯示子程序和通信子程序等組成。其中主程序?qū)崿F(xiàn)儀器的啟動(dòng)、自檢和各子程序的調(diào)用等功能。校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定子程序?qū)崿F(xiàn)來(lái)自顯示面板或計(jì)算機(jī)對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定、調(diào)節(jié)的功能，并對(duì)設(shè)定的校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行保存。數(shù)據(jù)采集子程序能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量信號(hào)的采集，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度。數(shù)據(jù)處理子程序功能是將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的壓力值，送顯示面板顯示。數(shù)據(jù)顯示子程序功能是實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果在顯示面板上的實(shí)時(shí)顯示。通信子程序?qū)崿F(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信和傳輸功能。

　　計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件利用Windows 自帶的控件和系統(tǒng)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，并能進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的保存和打印等。另外設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)參數(shù)輸入界面，能根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。