介紹了一種基于擴散硅傳感器的低真空測量儀表YZ-111型壓阻真空計。儀表由傳感器單元、信號調理單元、A/D采集單元、中央處理單元、按鍵和顯示單元等組成。該儀器采用進口擴散硅壓阻式傳感器。信號被調理后由高精度數字采集系統采集、分析, 直接輸出數字信號。配以溫度補償技術, 保證它的高精度。通過用高精度真空計校準, 并與之比較, 其測量結果達到預期。

　　擴散硅壓力傳感器以其測量范圍寬、精度高、耐腐蝕等優點, 正得到越來越多人的關注。北京北儀創新真空技術有限責任公司研制的YZ-111型壓阻真空計采用美國Measurement 公司的154N 超穩型壓力傳感器。該傳感器是一種內部經過補償, 且與介質兼容的壓阻式傳感器, 主要應用在低壓場合。其內部封裝一絕對真空值, 通過對其底部的厚膜電阻進行激光修阻, 實現對溫度的補償和零點偏差調整, 使傳感器的互換性范圍可控制在正負1%以內。由于傳感器采用不銹鋼封裝結構, 使其不但可用在常見的無腐蝕氣體場合, 還可應用在與不銹鋼兼容的腐蝕性場合等。該傳感器有5psi、15psi、30psi 等多個量程可供選擇。YZ-111真空計選用的是5psi 量程的傳感器。

1、系統整體結構

　　YZ-111型壓阻真空計結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

　　154N 型傳感器采用316L 不銹鋼結構, 其內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轉換成差分電壓信號輸出。由于傳感器輸出的差分信號很小, 必須配以信號調理電路, 將其調理成適合A/D采集芯片采集的電壓,A/D采集的信號經單片機處理后, 直接換算出壓力值, 然后經過數字溫度補償, 輸出給數碼管顯示。真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)覺得由按鍵部分用來完成真空計的校準。

2、系統硬件電路

2.1、信號調理單元

　　傳感器輸出信號為0~ 200 mV 的差分信號, 而A/D轉換器的輸入電壓信號為0~5V, 因此須經過轉換才能適合采集要求。信號調理電路的電路圖如圖2 所示。

圖2 信號調理電路

　　信號調理電路為一高輸入阻抗差分放大器。A1、A2 兩個運放構成輸入級, 再與A3 串聯組成三運放差分放大電路。在該電路中, 完全對稱的A1和A2 提高了信噪比; 電路對共模信號幾乎沒有放大作用, 共模抑制比高。該差分放大電路的放大倍數計算如式(1) 所示

　　在電路中, 設計電阻R 1 = R2 = 24 k歐姆, RG= 2k歐姆 , 所以差分信號的放大倍數為25 倍, 恰好可以將原始信號放大到A/D采集所需的信號等級。電阻R0= 470歐姆 , 用于保護運放輸入級。

2.2、A/D采集單元

　　為了能測量1 Pa 到1.0×10⁵Pa 的壓力, 同時使分辨率達到0.1 Pa, 所需要的A/D的位數最少需為20 位。本設計中采用-24 位的A/D轉換器, 直接將電壓信號轉換成數字信號輸出給單片機。24位的A/ D 分辨率確保了壓力信號的分辨率可達到0.1 Pa 以下。

2.3、中央處理單元

　　中央處理單元采用C8051F 系列單片機芯片。該類單片機具有指令執行速度快、功耗低、多總線接口、內部程序存儲空間大等許多優點。其獨有的數字交叉開關, 允許將其內部的各種數字資源映射到P0、P1、P2、P3 的端口引腳。同時, 單片機內部集成有Flash 存儲器, 可以存儲一些系統參數等, 極大地簡化了電路設計。

　　C8051F 單片機用來完成電壓信號的采集, 然后根據公式計算出壓力值, 同時采集溫度, 并根據溫度值對壓力值進行溫度補償, 并將最終值輸出到數碼管進行顯示。同時, 單片機還掃描按鍵, 如果有按鍵按下, 則根據各按鍵功能完成對儀器的零點、滿度和計算公式的微調等。

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 進行溫度采集, 此芯片可直接輸出數字信號給單片機。顯示部分采用5 位數碼管顯示壓強。按鍵部分設置了4 個按鍵：“功能”、“移位”、“△”、“確定”。此4 個按鍵組合工作完成真空計的滿度、零點調節以及計算公式的微調等。

　　電源部分則負責提供5, 3.3, 正負15 V 和恒定電流給各部分電路。

3、軟件設計

　　系統的軟件部分主流程圖如圖3 所示。

　　圖3 軟件主流程圖

　　開機后, 單片機完成初始化、自檢功能后, 即進入主流程: 首先檢查有無按鍵按下。如果有按鍵按下, 則根據此按鍵的功能定義轉入相應的分支流程,包括滿度調節分支、零點調節分支等。如果無按鍵按下, 則采集經過調理的傳感器信號, 根據此信號和程序內部存儲的公式計算出壓強值。之后采集溫度, 根據溫度對計算出的壓強進行溫度補償, 最后將最終的壓強值送到數碼管顯示。

4、測試結果

　　將YZ-111型壓阻真空計用INFICON 公司的電容薄膜規進行校準, 并在校準后將兩者安裝在同一真空室中進行抽真空測量比較, 結果如表1 所示。

表1 YZ-111 型壓阻真空計的測量結果

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

5、總結

　　本文介紹了一種用于測量低真空的真空計。文中詳細介紹了真空計的系統構架、工作流程、硬件電路設計以及軟件流程, 并給出了詳細的測量數據。其在5psi 量程內的< 正負 0.2% F. S 的高精度, 低至1Pa 的測量下限, 達到了設計的要求。同時5psi 到大氣壓的范圍仍有較大的參考價值。

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