交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法

本发明涉及交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，属于真空度检测。

背景技术：

1、目前，中低真空检测领域广泛使用电阻式真空计进行真空检测。这类真空计多基于定温度电桥法设置电阻真空规管的测量线路，然后在后续检测真空计的电桥失调电压时，利用差分放大电路对电桥失调电压信号直接放大。这种方法在被测环境压强变化较小时，电桥失调电压很容易淹没在噪声中，因而无法实现对电桥失调电压的准确测量。

技术实现思路

1、针对现有技术不能准确测量真空计电桥失调电压的问题，本发明提供一种交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法。

2、本发明的一种交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，包括，

3、采用交流激励电压作为定温电桥的激励信号，并获得与激励信号同相位的方波参考信号；

4、当真空环境的真空度改变时，定温电桥在激励信号的作用下输出交流失调电压信号，经前置放大电路放大后再采用相敏检测器与方波参考信号相乘，相乘的结果经低通滤波器得到交流失调电压信号的直流电压有效值；

5、再根据直流电压有效值的变化对激励信号的幅值进行调整，使定温电桥达到平衡状态；根据定温电桥达到平衡状态对应的激励信号的幅值变化，确定真空度的变化，实现真空度检测。

6、根据本发明的交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，激励信号的产生方法为：

7、采用微控制器控制d/a转换器产生0～+5v的正弦信号，再经运算放大和功率放大电路产生幅值为12.5v的交流激励电压作为定温电桥的激励信号；

8、所述d/a转换器在产生正弦信号的同时，同步输出方波电压信号；所述方波电压信号经移相电路进行相位调整，得到方波参考信号。

9、根据本发明的交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，激励信号的幅值采用pi控制器进行调整，所述pi控制器的控制参数采用继电反馈法整定得到。

10、根据本发明的交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，以微控制器、由d/a转换器、移相电路以及运算放大和功率放大电路组成的信号产生单元，定温电桥以及由前置放大电路、相敏检测器和低通滤波器组成的锁定放大单元组成的系统作为检测系统；

11、确定pi控制器的控制参数包括计算检测系统的临界增益kpc：

12、

13、式中g0为检测系统数学模型，ωc为剪切频率，n为继电反馈法对应的理想继电器描述函数，x为直流电压有效值振荡曲线的幅值，m为继电反馈法对应的理想继电器的幅值。

14、根据本发明的交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，基于临界比例度法的z-n表，由临界增益kpc和直流电压有效值振荡曲线的振荡周期tc确定pi控制器的控制参数：

15、

16、式中kp为pi控制器的比例系数，ki为pi控制器的积分系数。

17、根据本发明的交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，所述交流失调电压信号的直流电压有效值采用a/d转换器转换为数字信号，所述a/d转换器通过t0定时器控制对直流电压有效值的采样时间。

18、根据本发明的交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，pi控制器根据直流电压有效值的变化对激励信号进行幅值调整，并经t12定时器定时输出激励信号的正弦表，所述正弦表经同步串行接口输出至d/a转换器，使d/a转换器产生正弦信号。

19、根据本发明的交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，真空度与激励信号幅值的关系式为：

20、

21、p＝30000v-308000,p∈(103-104)pa

22、p＝180000v-1898000,p∈(104-105)pa

23、式中p为真空度，v为激励信号幅值。

24、根据本发明的交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，微控制器与由d/a转换器、移相电路以及运算放大和功率放大电路组成的信号产生单元的电路结构为：

25、微控制器的同步串行接口spi采用三线模式，分别连接d/a转换器的sclk引脚、/sync引脚和din引脚，d/a转换器的va引脚连接电源vcc；d/a转换器的vref1,2引脚连接参考电压源的vout2引脚，参考电压源的vin引脚连接电源vcc，参考电压源的gnd引脚连接电源地；参考电压源的vout1引脚连接第一运放的同相输入端，第一运放的反相输入端连接其输出端；第一运放的输出端与第二运放的反相输入端之间连接电阻r1,第二运放的反相输入端与其输出端之间连接电阻r2；

26、d/a转换器的vout引脚与第二运放的同相输入端之间连接电阻r3，第二运放的同相输入端与电源地之间连接电阻r4；第二运放的输出端连接功放的同相输入端，功放的反相输入端连接其输出端，功放的输出端输出交流激励电压作为定温电桥的激励信号；

27、d/a转换器的vout2引脚输出方波电压信号，d/a转换器的vout2引脚连接电位器r5的一端，电位器r5的移动端连接第三运放的同相输入端，第三运放的同相输入端与电源地之间连接电容c；第三运放的反相输入端连接其输出端；第三运放的输出端连接比较器的同相输入端，比较器的反相输入端连接参考电压源的vout1引脚，比较器的输出端与电源vcc之间连接电阻r6；比较器的输出端输出方波参考信号。

28、根据本发明的交流激励定温电桥锁定放大真空度检测方法，所述定温电桥为惠斯通电桥；

29、惠斯通电桥的输入端连接功放的输出端；电阻rc1和热丝电阻rw组成惠斯通电桥的一个桥臂，电阻rc2和电阻rv组成惠斯通电桥的另一个桥臂，惠斯通电桥的两个桥臂输出交流失调电压信号；

30、由前置放大电路、相敏检测器和低通滤波器组成的锁定放大单元的电路结构为：

31、交流失调电压信号的参考负极与第四运放的同相输入端之间连接电阻r7，第四运放的反相输入端与输出端之间连接电阻r9；交流失调电压信号的参考正极与第五运放的同相输入端之间连接电阻r8，第五运放的反相输入端与第四运放的反相输入端之间连接电阻r11；第五运放的反相输入端与输出端之间连接电阻r12；第五运放的输出端与第六运放的同相输入端之间连接电阻r13；第四运放的输出端与第六运放的反相输入端之间连接电阻r10；

32、第六运放的同相输入端与电源地之间连接电阻r15；第六运放的反相输入端与输出端之间连接电阻r14；第六运放的输出端输出同相信号，第六运放的输出端连接相敏检测器的ax端；

33、第六运放的输出端与第七运放的反相输入端之间连接电阻r17，第七运放的反相输入端与输出端之间连接电阻r18，第七运放的同相输入端与电源地之间连接电阻r16；第七运放的输出端输出反相信号，第七运放的输出端连接相敏检测器的ay端；

34、相敏检测器采用数字控制模拟开关cd4053实现；相敏检测器的s0端连接方波参考信号；相敏检测器的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端输出交流失调电压信号的直流电压有效值。

35、本发明的有益效果：本发明方法通过锁定放大技术可以提取到精准的交流失调电压信号，从而达到了精准测量真空度的目的。

36、本发明方法将锁定放大技术应用于真空检测中，且为适配锁定放大技术采用交流激励电压作为定温电桥的激励信号，可使定温电桥直接产生交流失调电压信号。

37、经实验验证，本发明方法在10-1-103pa主测量区间内，测量误差最大为15％。对提取的交流失调电压信号有效地过滤掉了噪声，多次实验结果一致。