介紹了ZJK-β 型真空計的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其性能進(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量，測量范圍為0.1~5000 Pa。儀器采用單片機控制，能夠?qū)崿F(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換、線性修正和壓力自動校準(zhǔn)，可以完成對測量壓力的實時監(jiān)測、動態(tài)趨勢顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。性能研究結(jié)果表明，ZJK-β 型真空計在測量范圍內(nèi)具有較好的線性，測量數(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。為了確保火箭發(fā)射安全，必須對共底的壓力和氫濃度進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)共底壓力及氫濃度達(dá)到危險上限時， 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)及時報警。ZJK-β 型真空計是專門用于火箭低溫運載級的氫氧低溫貯箱共底壓力測量的安全檢測儀器，該儀器和β 放射電離規(guī)配用，壓力測量范圍為0.1~5000 Pa，同時具有量程自動轉(zhuǎn)換、線性修正和壓力自動校準(zhǔn)等功能，并配有USB 接口和計算機連接，可以完成壓力測量實時監(jiān)測、動態(tài)趨勢顯示、數(shù)據(jù)打印及存儲等功能。

1、設(shè)計

1.1、工作原理

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

圖1 ZJK-β 型真空計整機結(jié)構(gòu)原理框圖

　　供電及信號放大單元包括：直流電源、微電流放大器、繼電器組。直流電壓供給β 規(guī)陽極，在陽極筒內(nèi)形成的電場使全部正離子到達(dá)收集極。微電流放大器用來測量離子流, 最小輸入電流為10- 11 A，采用高輸入阻抗運算放大器進(jìn)行初級放大，再經(jīng)過測量放大器放大，最終輸出信號為電壓信號。放大器的量程轉(zhuǎn)換由繼電器組實現(xiàn)。

　　信號處理單元包括：A/D 轉(zhuǎn)換接口、CPU 系統(tǒng)、顯示窗及通信接口。信號經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機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，也可通過USB接口與計算機相連，在計算機上進(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)自動對測量結(jié)果進(jìn)行修正。

　　處理軟件包括儀器內(nèi)部的信號測量程序和計算機數(shù)據(jù)處理程序。其中儀器內(nèi)部的信號測量程序?qū)崿F(xiàn)繼電器切換控制、測量結(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)定和計算機通信等功能，該程序調(diào)節(jié)完成后固化在儀器自帶的存貯器內(nèi)。計算機數(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 界面下完成壓力動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲、顯示、打印等功能。

1.2、關(guān)鍵元件設(shè)計

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非常微弱的電流信號，要求輸入級放大器具有輸入阻抗高、輸入失調(diào)電流和偏置電流小、高開環(huán)增益的特性，因此選用高質(zhì)量的靜電計級運算放大器OPA128LM作為輸入級電路，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，開環(huán)增益10⁵，溫度漂移5 μV/℃。再經(jīng)下一級程控增益放大電路進(jìn)一步放大得到適合A/D 轉(zhuǎn)換器輸入信號幅度的電壓信號，送入A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，從而實現(xiàn)對離子流穩(wěn)定準(zhǔn)確的測量。

　　由于ZJK- β 型真空計的工作環(huán)境比較惡劣，周圍電磁干擾比較嚴(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，輸入信號線采用帶屏蔽的電纜。這些措施均降低了對輸入信號的分流作用，增加了測量的準(zhǔn)確性。

1.2.2、100 V 直流電源

　　100 V 直流電源設(shè)計如圖2 所示。本設(shè)計采用HA17741 運算放大器作為基準(zhǔn)比較器，用來保持電源的穩(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%以內(nèi)的100 V 直流電壓。由于在使用過程中，輸出負(fù)載電流很小，因此引起輸出電壓Vcs 波動的主要因素就是電源電壓的波動。

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，直流電壓Vd 升高引起比較放大器的比較點電壓升高。由于基準(zhǔn)電壓Vs 是一個不變的量，再通過比較放大后，使三極管Q 的b 點電位升高，通過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)到原來的數(shù)值附近。實際檢測電流結(jié)果，輸出電壓的穩(wěn)定度為1%，符合設(shè)計要求。

1.2.3、單片機系統(tǒng)

　　數(shù)字電路系統(tǒng)的核心為AT89C52 單片機，其內(nèi)存儲器為8 K 字節(jié)，有加密保護，內(nèi)含256個字節(jié)隨機存取存儲器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 是電可擦寫的，8 K 字節(jié)容量，負(fù)責(zé)輸入數(shù)據(jù)或測量結(jié)果的保存，如量程轉(zhuǎn)換所需的參數(shù)就存放在其中。EPROM27 作為程序的外存儲器，另外部分程序放在89C52 自帶的片內(nèi)程序存儲器中。

　　系統(tǒng)中其它的電路功能， 如顯示由INTEL8279 芯片實現(xiàn)，可以動態(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，通過軟件識別按鍵動作，確定輸入數(shù)字信號。檔位量程切換也由P1 口直接控制量程開關(guān)來實現(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)處理軟件和計算機數(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、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)來自顯示面板或計算機對校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定、調(diào)節(jié)的功能，并對設(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)測量信號的采集，并對采集到的信號進(jìn)行濾波處理，提高測量數(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轉(zhuǎn)化為對應(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現(xiàn)測量結(jié)果在顯示面板上的實時顯示。通信子程序?qū)崿F(xiàn)儀器與計算機間的數(shù)據(jù)通信和傳輸功能。

　　計算機數(shù)據(jù)處理軟件利用Windows 自帶的控件和系統(tǒng)時鐘，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時顯示，并能進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的保存和打印等。另外設(shè)計了校準(zhǔn)參數(shù)輸入界面，能根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果對校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行實時修改，提高測量結(jié)果準(zhǔn)確性。