CN110319971A - 一种双极电容式真空计及其对应的测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及真空计计量领域，尤其涉及一种双极电容式真空计及其对应的测量电路，其包括壳体、膜片、固定基板和固定电极；膜片固定安装在壳体内，膜片将壳体内分割成两部分，一侧为真空腔，另一侧为检测腔；固定基板固定安装在真空腔内，固定基板上安装有固定电极，当膜片受力发生形变时，固定电极上的电容会发生变化，通过检测电容变化即可得到检测腔内的压力大小；固定电极包括环形电极和圆形电极，圆形电极位于环形电极内，且圆形电极和环形电极之间有间隔，将固定电极分为环形电极和圆形电极，能够有效地提高真空计的精度；测量电路对环形电极和圆形电极上的电容变化进行检测和处理后输出一个正弦波，测量正弦波的大小即可得到压力的大小。

Description

一种双极电容式真空计及其对应的测量电路

技术领域

本发明涉及真空计计量领域，尤其涉及一种双极电容式真空计及其对应的测量电路。

背景技术

金属薄膜真空计是得到公认的可作为低真空测量(0.01--100Pa)工作副标准的一种真空仪器，也是我国具有法定计量校准检定规程的一种真空度计量器具(校准参照规程：Q/WHJ46-1998标准型电容薄膜真空计校准规程)。金属电容薄膜真空计是一种绝压、全压测量的真空计，是根据弹性的检测膜片在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理制成的。它的测量是直接反映了真空压力的变化值，而且只与压力有关，与气体成分无关，所以金属薄膜真空计是一种直接测量式的、全压型真空计。

真空测量的难点在于小量程和高精度。在现有的工艺条件下，单电容金属薄膜真空计可以做到满量程为10Torr，精度为读数值的0.25％，但是继续缩小量程，如缩小量程至0.1Torr，并使其精度值依然为读数值的0.25％时，在现有的单电容金属薄膜真空计的工艺下则很难实现。因此，在现有材料及加工工艺条件下，需要解决如何提高精度的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种双极电容式真空计及其对应的测量电路，旨在解决现有技术中，真空计精度不高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述问题，本发明双极电容式真空计包括壳体、膜片、固定基板和固定电极；

所述膜片固定安装在所述壳体内，所述膜片将所述壳体内分割成两部分，一侧为真空腔，另一侧为检测腔；

所述固定基板固定安装在所述真空腔内，所述固定基板上安装有所述固定电极；

所述固定电极包括环形电极和圆形电极，所述圆形电极位于所述环形电极内，且所述圆形电极和所述环形电极之间有间隔。

优选地，所述检测腔上设置有用于检测压力的检测孔。

优选地，所述圆形电极和所述环形电极设置在所述固定基板朝向所述膜片的一侧，且所述圆形电极和所述环形电极之间的间隔处设置有绝缘层。

优选地，所述膜片在受力发生形变时，相对于所述环形电极的距离变化量为Δd_外，相对于圆形电极的距离变化量为Δd_内；

所述圆形电极的面积与所述环形电极的面积比等于所述Δd_内与所述Δd_外之比。

优选地，所述圆形电极的面积与所述环形电极的面积比为1：1～1.5：1。

优选地，所述膜片为圆形膜片，且所述环形电极的外径与所述膜片的直径之比为0.7：1～1：1。

优选地，所述膜片在不受力时与所述固定基板相互平行。

优选地，一种用于测量双极电容式真空计内的所述检测腔内压力的测量电路，所述测量电路包括共基底桥式检波电路和振荡电路；

所述共基底桥式检波电路与所述圆形电极和所述环形电极相连，所述共基底桥式检波电路根据所述圆形电极和所述环形电极上的电容变化量输出感应电压；

所述共基底桥式检波电路与所述振荡电路相连，所述振荡电路根据所述感应电压输出与所述感应电压对应的正弦波，所述正弦波的幅度与所述感应电压的大小相对应，所述正弦波的频率与所述感应电压的频率相对应。

优选地，在所述共基底桥式检波电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管依次首尾相连形成一个闭合的回路；

所述共基底桥式检波电路包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端位于所述第一二极管和所述第二二极管的连接处，所述第二输入端位于所述第三二极管和所述第四二极管的连接处；

所述共基底桥式检波电路还包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端位于所述第二二极管和所述第三二极管的连接处，所述第二输出端位于所述第四二极管和所述第一二极管的连接处。

优选地，所述第一输入端通过导线与所述环形电极相连，所述第二输入端与所述圆形电极相连，所述第一输出端和所述第二输出端与所述振荡电路相连。

(三)有益效果

本发明通过增加固定电极，并且将固定电极设置为圆形电极和环形电极，当膜片发生形变时，会引起圆形电极极板上零位电容和环形电极极板零位电容的改变，配上与之对应的外部测量电路，会使电容的变化量与测量膜片的形变接近于线性关系，与单电极电容式薄膜真空计相比，其精度提高将近于两倍，能够准确地提高小量程真空计的精度。

附图说明

图1为双极电容式真空计的结构示意图；

图2为双极电容式真空计中膜片受力弯曲时的示意图；

图3为双极电容式真空计中圆形电极和环形电极的俯视图；

图4为双极电容式真空计的测量电路的示意图；

图5为双极电容式真空计的测量电路的一种具体电路图。

【附图标记说明】

1：壳体；11：真空腔；12：检测腔；13：检测孔；2：膜片；3：固定基板；31：绝缘层；4：环形电极；5：圆形电极；6：共基底桥式检波电路；7：振荡电路；71：振荡控制电路；72：桥式振荡电路；73：RC滤波电路；M1：第一二极管；M2：第二二极管；M3：第三二极管；M4：第四二极管。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种双极电容式真空计(如图1至图3所示)，双极电容式真空计包括壳体1、膜片2、固定基板3和固定电极；

膜片2固定安装在壳体1内，在优选地实施方案中，膜片2采用焊接的安装方式安装在壳体1内，膜片2将壳体1内分割成两部分，一侧为真空腔11，另一侧为检测腔12，且真空腔11与检测腔12为两个相互独立腔室，需要注意的是，膜片2还可以采取其他的安装方式，只要能够将壳体1内分割成两个相互独立的腔体即可。

固定基板3固定安装在真空腔11内，固定基板3上安装有固定电极；固定电极和膜片2组成了一个可变电容的两块极板，膜片2在受到检测腔12内的压力后产生弹性形变，使得膜片2与固定电极之间的距离发生变化，可变电容在两极板之间的距离发生变化后，固定电极上的电容也会发生变化，通过测量固定电极上的电容的变化量可以计算出检测腔12内压力的大小。这种测量压力的方式只与压力的大小相关，与气体的成分无关，具有较高的测量精度。

固定电极包括环形电极4和圆形电极5，圆形电极5位于环形电极4内，且圆形电极5和环形电极4之间有间隔，在优选的方案中，如图2和图3所示，圆形电极5和环形电极4设置在固定基板朝向膜片2的一侧，且圆形电极5和环形电极4之间的间隔处设置有绝缘层31，且圆形电极5和环形电极4之间的绝缘层31可以为陶瓷绝缘层，陶瓷绝缘层具有良好的绝缘效果，避免了圆形电极5和环形电极4之间的电子的相互转移。

如图2所示，当被测压力P₁>P_b时，由于压力真空计中的压力差(P₁-P_b)，膜片2发生形变引起圆形电极上的电容(C_内)和圆环极板零位电容(C_外)的改变。由电容公式C＝KεS/d：

其中：

P₁：被测压力；

P_b：高真空***(P_b<10^-3Pa)的参考压力腔的压力，即参考压力；

C_内：膜片2未受力时，圆形电极5上的电容；

C_外：膜片2未受力时，环形电极4上的电容；

ε：介质介电常数；

S：平板电容两极板之间的有效面积；

K：静电力常量；

d：两极板间的距离。

那么，对于圆形电极5上的电容而言，其在被测压力下的距离变化量Δd_内＝d₀-d₁₁，圆形电极5相对于膜片2的有效面积为S_圆；

对于环形电极4上电容而言，其在被测压力下的距离变化量Δd_外＝d₀-d₂₁，圆形电极5相对于膜片2的有效面积为S_圆环；

d₀：膜片2为发生形变时与环形电极4和圆形电极5之间得距离；

d₁₁：当膜片2受力发生形变后，膜片2与圆形电极5之间的间隙；

d₂₁：当膜片2受力发生形变后，膜片2与环形电极4之间的间隙。

当膜片2位移发生变化：膜片2相对于圆形电极5的位移为Δd_内时，膜片2与圆形电极5之间的间隙d₁₁＝d₀-Δd_内；膜片2相对于环形电极4的位移为Δd_外时，膜片2与圆形电极4之间的间隙d₂₁＝d₀-Δd_外；此时圆形电极对应电容为此时的圆环板对应电容为

则：

圆形电极5和环形电极4上的电容值的相对变化量分别为：

当Δd_内/d₀<<1时，ΔC_内/C_内≈Δd_内/d₀；

同理当Δd_外/d₀<<1时，ΔC_外/C_外≈Δd_外/d₀；

则ΔC_内/C_内和Δd_内/d₀、ΔC_内/C_内和Δd_内/d₀近似为线性关系。

本发明提供的一种双极电容式真空计的精度：

而单电极薄膜真空计的精度K_单＝Δd/d₀。

本发明提供的双电极电容式真空计的精度K_双与单电极薄膜真空计的精度K_单相比，精度提高近两倍。

考虑ΔC/C₀中的线性项和三次项，得到相对线性误差r近似为：

当时

考虑到ΔC/C₀中的线性项和二次项，则：

所以双极电容式真空计的相对非线性误差：

现有技术中单极电容式真空计的相对非线性误差

r_单＞r_双，所以本发明双极电容式真空计的测量更加准确。

检测腔12上设置有用于检测压力的检测孔13，检测孔13与检测腔12相通，将检测孔13设置为打开状态，膜片2就能够对检测腔12内的压力进行检测；检测孔13连通着外界与检测腔12，便于检测操作，且自身结构简单。

膜片2在受力发生形变时，相对于环形电极4的距离变化量为Δd_外，相对于圆形电极5的距离变化量为Δd_内，膜片2的材料不相同且膜片2的安装方式不一样时，膜片2在受力发生形变相对于圆形电极5和环形电极4的距离变化也不一样，但是将圆形电极5的面积S_圆与环形电极4的面积S_圆环比设置等于Δd_内与所述Δd_外之比，就能够有效的降低零漂对测量电路产生的影响。

在优选地实施方案中，将圆形电极5的面积S_圆与环形电极4的面积S_圆环之比设置为1：1～1.5：1，能够有效的降低零漂对测量电路产生的影响。这是因为在膜片2受力挠曲的过程中的时：

因为膜片2安装在壳体1内时，具体地安装工艺可以为焊接、铆接等，这样会在膜片2与壳体1的安装位置产生应力集中，受力产生的形变不均匀，从而产生边缘效应，而将圆形电极5的面积S_圆与环形电极4的面积S_圆环之比等于在结构上解决了内外电容变化量之比一致性问题和消除了边缘效应，解决了零漂稳定性问题。

同时，将膜片2为圆形膜片，且环形电极4的外径与膜片2的直径之比为0.7：1～1：1，将环形电极4的外径，膜片2在不受力时与固定基板3相互平行，使得本发明双极电容式真空计的测量范围更大化。

膜片2的材质优选为镍基合金薄膜，使得膜片2具备更好的耐腐性能，能够应用于复杂的环境中。

如图4所示，一种用于测量双极电容式真空计内的检测腔12内压力的测量电路，测量电路包括共基底桥式检波电路6和振荡电路7。

共基底桥式检波电路6与圆形电极5和环形电极4相连，共基底桥式检波电路6根据圆形电极5和环形电极4上的电容变化量输出感应电压。

共基底桥式检波电路6与振荡电路7相连，振荡电路7根据感应电压输出与感应电压对应的正弦波，正弦波的幅度与感应电压的大小相对应，正弦波的频率与感应电压的频率相对应。

在共基底桥式检波电路6包括第一二极管M1、第二二极管M2、第三二极管M3和第四二极管M4，第一二极管M1、第二二极管M2、第三二极管M3和第四二极管M4依次首尾相连形成一个闭合的回路；

在优选的方式中共基底桥式检波电路6中的四个二极管是使用一块集成芯片，这块芯片是将六个二极管安装在一个普通的单片基板上的集成电路结构，其中的五个二极管可以独立使用，第六个与基板共用一个公共终端(在此电路中指共地)。

共基底桥式检波电路6包括第一输入端Vin1和第二输入端Vin2，第一输入端Vin1位于第一二极管M1和第二二极管M2的连接处，第二输入端Vin2位于第三二极管M3和第四二极管M4的连接处；

共基底桥式检波电路6还包括第一输出端Vout1和第二输出端Vout2，第一输出端Vout1位于第二二极管M2和第三二极管M3的连接处，第二输出端Vout2位于第四二极管M4和第一二极管M1的连接处。

第一输入端Vin1与环形电极4相连，第二输入端Vin2与圆形电极5相连，第一输出端Vout1和第二输出端Vout2与振荡电路7相连。

对于外部测量电路，本设计的电路重点和现有技术中单级电容式真空计一样，电压信号需要正比于ΔC；但不一样的是，本发明中的双极电容式真空计的电压信号要正比于(ΔC_内+ΔC_外)。要实现设计目标，需要获取的电容值的相对变化量。本发明设计的共基底桥式检波电路6是专门为双极电式真空计获取圆形极板5和环形极板4上电容变化量(ΔC_内+ΔC_外)信号而发明的电路。

振荡电路7包括振荡控制电路71和桥式振荡电路72，如图4所示，第一输出端Vout1和第二输出端Vout2合并为一个总输出端Vout3，感应电压分别流向桥式振荡电路72和振荡控制电路71，桥式振荡电路72和振荡控制电路71根据感应电压产生两个相同频率的波。

振荡控制电路71对感应电压进行整流、滤波、放大、振荡处理后产生一个交变电压，振荡控制电路71产生的交变电压为具有一定幅度和频率的正弦波，振荡控制电路71产生的交变电压流向桥式振荡电路72。桥式振荡电路72根据感应电压的频率和振荡控制电路71产生的交变电压，在P点输出一个特定的正弦交变电压，正弦交变电压的振幅与振荡控制电路71产生的交变电压的振幅相对应。通过测量正弦交变电压的大小即可得到真空计内压力的大小。

如图5所示，本发明的一种具体测量电路中，振荡控制电路71包括运算放大器LM308、场效器J232以及若干个电阻和电容；桥式振荡电路72包括运算放大器NE5534以及若干个电阻和电容，运算放大器NE5534和RC串并联组成了RC桥式振荡器；共基底桥式检波电路6上的总输出端Vout3与运算放大器LM308的反向输入端相连，运算放大器LM308对运算放大器LM308的反向输入端输入的感应电压进行放大。共基底桥式检波电路6的总输出端Vout3还通过电阻和电容组成的选频网络与运算放大器NE5534的正向输入端相连，运算放大器LM308的输出端Vout4通过场效器J232与运算放大器NE5534的反向输入端相连，运算放大器NE5534的输出端Vout5连接有一个RC滤波电路73，RC滤波电路73中的输出点P点为振荡电路7的输出端。在P点测得的电压为：

U＝U_P*{(ΔC_内/C₃)+(ΔC_外/C)₂}；

取C₂＝C₃，则U＝U_P*ΔC/C₂；

其中U_P为输入正弦波振幅；ΔC＝ΔC_内+ΔC_外；

如图5所示，在本电路中还可以通过调整C1的值，精确的确定C_内和C_外上初始值。

表1是按照本发明的设计方案制作的双极电容式真空计与现有技术中单电极电容式真空计在测量数据时的对比。在相同环境下，具有相同量程的两种真空计都测量了当实际值为量程的零位、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和满位时的测量数据和在调零后真空计在27℃常温下的零漂情况；并计算算出了两种真空计的精度等级。

表1

表1中百分比是指满量程的百分比，0Pa至1333.2Pa为量程(量程为0-10Torr)，0Pa表示零位，1333.2Pa表示满量程即满位。

由表1可知，本发明提供的双极电容式真空计与现有技术中的单电极电容式真空计相比，精度得到了较大的提高，且受零漂的影响较小。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双极电容式真空计，其特征在于，所述双极电容式真空计包括壳体、膜片、固定基板和固定电极；

所述膜片固定安装在所述壳体内，所述膜片将所述壳体内分割成两部分，一侧为真空腔，另一侧为检测腔；

所述固定基板固定安装在所述真空腔内，所述固定基板上安装有所述固定电极；

所述固定电极包括环形电极和圆形电极，所述圆形电极位于所述环形电极内，且所述圆形电极和所述环形电极之间有间隔。

2.如权利要求1所述的双极电容式真空计，其特征在于，所述检测腔上设置有用于检测压力的检测孔。

3.如权利要求1所述的双极电容式真空计，其特征在于，所述圆形电极和所述环形电极设置在所述固定基板朝向所述膜片的一侧，且所述圆形电极和所述环形电极之间的间隔处设置有绝缘层。

4.如权利要求1所述的双极电容式真空计，其特征在于，所述膜片在受力发生形变时，相对于所述环形电极的距离变化量为Δd_外，相对于圆形电极的距离变化量为Δd_内；

所述圆形电极的面积与所述环形电极的面积比等于所述Δd_内与所述Δd_外之比。

5.如权利要求4所述的双极电容式真空计，其特征在于，所述圆形电极的面积与所述环形电极的面积比为1：1～1.5：1。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的双极电容式真空计，其特征在于，所述膜片为圆形膜片，且所述环形电极的外径与所述膜片的直径之比为0.7：1～1：1。

7.如权利要求1-5中任意一项所述的双极电容式真空计，其特征在于，所述膜片在不受力时与所述固定基板相互平行。

8.一种用于测量如权利要求1-7中任意一项所述的双极电容式真空计内的所述检测腔内压力的测量电路，其特征在于，所述测量电路包括共基底桥式检波电路和振荡电路；

所述共基底桥式检波电路与所述圆形电极和所述环形电极相连，所述共基底桥式检波电路根据所述圆形电极和所述环形电极上的电容变化量输出感应电压；

所述共基底桥式检波电路与所述振荡电路相连，所述振荡电路根据所述感应电压输出与所述感应电压对应的正弦波，所述正弦波的幅度与所述感应电压的大小相对应，所述正弦波的频率与所述感应电压的频率相对应。

9.如权利要求8所述的测量电路，其特征在于，在所述共基底桥式检波电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管依次首尾相连形成一个闭合的回路；

所述共基底桥式检波电路包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端位于所述第一二极管和所述第二二极管的连接处，所述第二输入端位于所述第三二极管和所述第四二极管的连接处；

所述共基底桥式检波电路还包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端位于所述第二二极管和所述第三二极管的连接处，所述第二输出端位于所述第四二极管和所述第一二极管的连接处。

10.如权利要求9所述的测量电路，其特征在于，所述第一输入端通过导线与所述环形电极相连，所述第二输入端与所述圆形电极相连，所述第一输出端和所述第二输出端与所述振荡电路相连。