ZJK-β 型真空计的设计及其性能研究(1)

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　　介绍了ZJK-β 型真空计的工作原理、结构设计，并对其性能进行了研究。该仪器和β 放射电离规配用，用于火箭共底压力测量，测量范围为0.1~5000 Pa。仪器采用单片机控制，能够实现量程自动转换、线性修正和压力自动校准，可以完成对测量压力的实时监测、动态趋势显示、数据存储等功能。性能研究结果表明，ZJK-β 型真空计在测量范围内具有较好的线性，测量数据可靠，为火箭发射提供了安全保障。
  　　火箭在液氢、液氧加注过程中，由于氢、氧泄漏可能引起共底压力增加和混合而存在引起爆炸的危险。为了确保火箭发射安全，必须对共底的压力和氢浓度进行监测。当共底压力及氢浓度达到危险上限时， 监测系统应及时报警。ZJK-β 型真空计是专门用于火箭低温运载级的氢氧低温贮箱共底压力测量的安全检测仪器，该仪器和β 放射电离规配用，压力测量范围为0.1~5000 Pa，同时具有量程自动转换、线性修正和压力自动校准等功能，并配有USB 接口和计算机连接，可以完成压力测量实时监测、动态趋势显示、数据打印及存储等功能。1、设计
4 y/ f* M3 Q- w8 E! d  1.1、工作原理
* d4 H4 p- a6 L7 Q1 q5 r  　　ZJK- β 型真空计整机结构原理框图如图1所示，由供电及信号放大单元、信号处理单元和数据处理软件三部分组成。β 规和计算机为其外围设备，需与ZJK-β 型真空计配套使用。
  
$ i* O+ o: @) @  图1 ZJK-β 型真空计整机结构原理框图
. Y+ N8 `2 @# e5 \5 p  　　供电及信号放大单元包括：直流电源、微电流放大器、继电器组。直流电压供给β 规阳极，在阳极筒内形成的电场使全部正离子到达收集极。微电流放大器用来测量离子流, 最小输入电流为10- 11 A，采用高输入阻抗运算放大器进行初级放大，再经过测量放大器放大，最终输出信号为电压信号。放大器的量程转换由继电器组实现。
, b, ]& _4 V2 S, k  　　信号处理单元包括：A/D 转换接口、CPU 系统、显示窗及通信接口。信号经A/D 转换后进入单片机8051 的CPU 数据处理系统，进行离子流- 压力转换、灵敏度校准、高压力线性修正，将处理后的压力值在显示窗显示出来，也可通过USB接口与计算机相连，在计算机上进行相关操作和数据结果显示。灵敏度校准和高压力线性修正的参数由操作者根据校准获得的数据键入，仪器按设定的校准参数自动对测量结果进行修正。
  　　处理软件包括仪器内部的信号测量程序和计算机数据处理程序。其中仪器内部的信号测量程序实现继电器切换控制、测量结果显示、灵敏度校准参数设定、高压力线性修正参数设定和计算机通信等功能，该程序调节完成后固化在仪器自带的存贮器内。计算机数据处理程序实现与仪器的通信和数据采集，能在Windows 界面下完成压力动态显示、数据存储、显示、打印等功能。
) _! q8 }) H9 W/ R6 {2 I  1.2、关键元件设计
  1.2.1、微电流放大器
  　　由于β 规产生的输入电流是一个非常微弱的电流信号，要求输入级放大器具有输入阻抗高、输入失调电流和偏置电流小、高开环增益的特性，因此选用高质量的静电计级运算放大器OPA128LM作为输入级电路，它的输入阻抗高达1013 Ω，输入失调电流30 fA，偏置电流±40 fA，开环增益105，温度漂移5 μV/℃。再经下一级程控增益放大电路进一步放大得到适合A/D 转换器输入信号幅度的电压信号，送入A/D 转换器转换成数字量，从而实现对离子流稳定准确的测量。
3 M9 s5 B! ]/ U1 d) S! d" N! `& }  　　由于ZJK- β 型真空计的工作环境比较恶劣，周围电磁干扰比较严重，微电流放大器在工艺处理上采取了一些抗干扰措施，如印制板采用聚四氟乙稀材料，其绝缘阻抗可高达1017 Ω，输入信号线采用带屏蔽的电缆。这些措施均降低了对输入信号的分流作用，增加了测量的准确性。
  1.2.2、100 V 直流电源
  　　100 V 直流电源设计如图2 所示。本设计采用HA17741 运算放大器作为基准比较器，用来保持电源的稳定性。Vs 为基准电压，Vd 是输入电源经过桥式整流滤波后的直流电压，Vcs 是输出需要稳定度在5%以内的100 V 直流电压。由于在使用过程中，输出负载电流很小，因此引起输出电压Vcs 波动的主要因素就是电源电压的波动。
  
: M# B% B5 t' \- f  图2 100 V 直流电源电路图
  　　从图2 可以看出，由于电源电压升高引起直流电压Vd 升高，从而引起输出电压增高。同时，直流电压Vd 升高引起比较放大器的比较点电压升高。由于基准电压Vs 是一个不变的量，再通过比较放大后，使三极管Q 的b 点电位升高，通过三极管的集电极电流也要升高，从而在R1 上压降升高，结果使输出电压恢复到原来的数值附近。实际检测电流结果，输出电压的稳定度为1%，符合设计要求。
( H+ d: I& F  `. y2 ~( g# B  1.2.3、单片机系统
1 h$ J5 u! Q( h0 |/ \0 U- [) t4 \  　　数字电路系统的核心为AT89C52 单片机，其内存储器为8 K 字节，有加密保护，内含256个字节随机存取存储器RAM，接口功能灵活，并有串口通讯等，适合于本仪器需要。EEPROM 器件2864 是电可擦写的，8 K 字节容量，负责输入数据或测量结果的保存，如量程转换所需的参数就存放在其中。EPROM27 作为程序的外存储器，另外部分程序放在89C52 自带的片内程序存储器中。
9 a3 \& \9 S2 p1 R& L5 `  　　系统中其它的电路功能， 如显示由INTEL8279 芯片实现，可以动态扫描显示多位数字。面板上输入键由89C52 的P1 口直接接收，通过软件识别按键动作，确定输入数字信号。档位量程切换也由P1 口直接控制量程开关来实现。仪器通信接口采用RS- 232 串行接口。
* |! m9 C2 X9 E' P  1.2.4、数据处理软件
  　　ZJK-β 型真空计数据处理软件包括仪器内部数据处理软件和计算机数据处理软件。仪器内部数据处理软件由主程序、校准参数设定子程序、数据采集子程序、数据处理子程序、数据显示子程序和通信子程序等组成。其中主程序实现仪器的启动、自检和各子程序的调用等功能。校准参数设定子程序实现来自显示面板或计算机对校准参数设定、调节的功能，并对设定的校准参数进行保存。数据采集子程序能够实现测量信号的采集，并对采集到的信号进行滤波处理，提高测量数据的稳定度。数据处理子程序功能是将采集到的电压信号转化为对应的压力值，送显示面板显示。数据显示子程序功能是实现测量结果在显示面板上的实时显示。通信子程序实现仪器与计算机间的数据通信和传输功能。
  　　计算机数据处理软件利用Windows 自带的控件和系统时钟，实现测量数据的实时显示，并能进行测量数据的保存和打印等。另外设计了校准参数输入界面，能根据校准结果对校准参数进行实时修改，提高测量结果准确性。