（物理电子学专业论文）大功率co2激光器智能化气压测控.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了利用西门子s 7 2 0 0 系列可编程控制器( p l c ) 对大功率c 0 2 激光器 实现智能控制的研究。 首先，介绍了p l c 的特点和在智能控制方面的发展。将p l c 应用于激光器的控 制是激光器智能控制的一种趋势，并且已经形成了一定的规模。而国产激光器的控制 系统在这方面还比较落后，需要进一步的研究工作。 其次，分析了大功率c 0 2 激光器控制系统的结构，将其分为五个部分，分别是气 压测控系统，电源与功率测控系统，温度测控系统和用户界面与安全、报警系统。先 就温度测控系统的硬件部分，具体为温度传感器的选取及输出信号处理电路进行了分 析与设计。 第三，详细分析了气压测控系统的工作原理，设计了其硬件电路，给出了该系统 的软件流程。对4 0 0 帕以下的气压采用热偶管来测量，4 0 0 帕以上至8 0 0 0 帕左右的工 作气压的测量提出了两种各有优劣的传感器。硅压力传感器成本低廉，但需要额外的 温度补偿电路，在软件设计上更需要非线性拟合的算法。电容式绝对压力传感器精度 较高，线性度较好，受温度影响小，但其成本是硅压力传感器的好几倍。对这两种传 感器的使用分别设计了两种不同的方案，就其硬件电路和软件设计给出了具体的实现 办法。 最后，分析了电路中信号抗干扰的办法，对传感器的线性度和精确度进行了实验， 在允许的范围内的得到了满意的结果。实验证明该套控制系统具有良好的电磁兼容 性，能稳定工作，适应于大功率c 0 2 激光器工业加工设备的应用。 关键词l 可编程逻辑控制器大功率c 0 2 激光器测控系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no ft h es 7 - 2 0 0s e r i e s p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r 0 1 ) i nt h e i n t e l l i g e n t c o n t r o lo f h i g h p o w e rc 0 2 l a s e ri sd e s c r i b e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a tf i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed e v e l o p m e n to fp l ci nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o la r e i n t r o d u c e d i ti sat r e n do ft h el a s e r si n t e l l i g e n tc o n t r o lt oa p p l yp l ct ot h el a s e r sc o n t r o l s y s t e m ，w h i c h h a sb e c o m eac e r t a i ns c a l e t h ea p p l i c a t i o no fp l ci nt h ec o n t r o ls y s t e mo f n a t i o n a ll a s e ri sn o te n o u g h , a n di tn e e dm o r er e s e a r c h s e c o n d l y t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e s t h ec o n s t r u c t i o no ft h e d e t e c t i n g a n dc o n t r o l s y s t e mo fh i g hp o w e rc 0 2 l a s e r i ti sd i v i d e di n t of i v ep a r t s ，w h i c ha r et h ea i rp r e s s u r e ， p o w e r , d e t e c t i n ga n dc o n t r o ls y s t e ma n dt h en s e ri n t e r f a c e ，a l a r m ，s e c u r i t ys y s t e m i ti s a n a l y z e da n dd e s i g n e df o rt h eh a r d w a r eo ft e m p e r a t u r ed e t e c t i n ga n dc o n t r o ls y s t e mt h a t i n v o l v et h ec h o i c eo f t e m p e r a t u r es e n s o ra n dt h ec i r c u i t h a n d l i n go f t h eo u t p u ts i g n a l t h i r d l y ，i ti sg i v e n t h a tt h ew o r k p r i n c i p l eo f a i rp r e s s u r ed e t e c t i n ga n d c o n t r o ls y s t e m t h ed e s i g no fi t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ea l s op r o v i d e d t h et h e r m o c o u p l et u b ei su s e d t om e a s u r ea i r p r e s s u r e b e l o w4 0 0p a t w os e n s o r st h a te a c hh a s a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g ea r ea v a i l a b l ef o ra i rp r e s s u r ea b o v e4 0 0p at o t h ew o r k i n gp r e s s u r ea b o u t 8 0 0 0p a t h es i l i c o n p r e s s u r e s e n s o ri s c h e a p ，b u t i tn e e d sa na d j u n c t t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e d c i r c u i ti nh a r d w a r ea n dt h ea r i t h m e t i co fn o n l i n e a rc o m p e n s a t i o ni ns o f t w a r e t h ec a p a c i t a n c ea b s o l u t ep r e s s u r es e n s o rh a sh i g h e ra c c u r a c y ，b e t t e rl i n e a r i t y ，w h i c h s u f f e r sl e s st e m p e r a t u r ei n f l u e n c et h a ns i l i c o np r e s s u r es e n s o r ，b u ti ti sf a rm o r ee x p e n s i v e t w o d e s i g n sa r eg i v e n f o rt h e s et w os e n s o r s ，w h i c hi n c l u d et h er e a l i z a t i o no f h a r d w a r ea n d s o f t w a r e a tl a s t ，t h em e t h o do fs i g n a la n t i , i n t e r f e r e n c ei nt h ec i r c u i ti s a n a l y z e d i t i s e x p e r i m e n t e df o rt h el i n e a r i t ya n da c c u r a c yo fs e n s o r s ，a n di t h a sas a t i s f y i n gr e s u l ti na n a l l o w e dr a n g e i ti sp r o v e db yt h ee x p e r i m e n t st h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mh a se x c e l l e n te m c p e r f o r m a n c e a n d s t e a d y w o r ks t a t u sw h i c hi s p e r f e c t l y a v a i l a b l et ot h e i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：p l ch i g hp o w e rc 0 2 l a s e r d e t e c t i n g a n dc o n t r o ls y s t e m n 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 p l c 在测控系统的发展概况 可编程序控制器( p l c ) 是一种面向生产过程控制的数字电子装置，它具有控制 能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等特点。它不仅可以取代传统的继电器 控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制 器【“。 在p l c 出现以前，继电器控制曾得到广泛应用，在机电设备和工业过程控制领域 中占有主导地位。但是继电器控制系统有明显的缺点：体积大，可靠性低，故障查找 困难，特别是因为它是由硬接线逻辑构成的系统，造成了接线复杂，容易出故障，对 生产工艺变化的适应性较差【2 l 。 1 9 6 9 年，第一台p l c 在美国g m 公司汽车生产线上首次运行，成功的取代了沿用 多年的继电器控制系统，尽管当时的p l c 功能仅具有逻辑控制、定时、计数等功能， 但却标志着一种新型的工业控制装置问世。 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，2 0 世纪7 0 年代中期又出现了微处理 器和微型计算机，这些技术很快也被用到p l c 之中，使得p l c 不仅具有逻辑控制功能， 而且还增加了运算、数据处理和传送等功能，从而成为具有计算机功能的新型工业控 制装置【3 】【4 】。 国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 2 年1 1 月和1 9 8 5 年5 月颁布了可编程控制器标准 的第一稿和第二稿。对可编程控制器作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运 算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来 在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通 过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及 其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则而设 计。” 华中科技大学硕士学位论文 1 1 1p l c 的特点 p l c 具有以下这些突出的特点【5 】： 1 ) 通用性强，使用方便 由于p l c 产品的系列化和模块化，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用 户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定p l c 的 硬件配置和i o 的外部接线。 2 ) 功能强，适应面广 现代p l c 不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，而且还具有a d 、 d a 转换，数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制也 可对模拟量进行控制。p l c 还具有通讯联网的功能，可与上位计算机构成分布式 控制系统。 3 ) 可靠性高抗干扰能力强 目前各生产厂家生产的p l c ，其平均故障时间都大大超过i e e 规定的l o 万小时。 而且规模较大、要求较高的系统还可以采用多机冗余系统，可进一步提高系统的 可靠性。 4 ) 编程方法简单，容易掌握 考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水 平，p l c 配备有它们最容易接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的编程元件符 号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。简易编程器的操作和使用也很 简单，这一特点也是p l c 近年来获得迅速普及和推广的原因之一。 5 ) p l c 控制系统的设计、安装、调试和维修工作量少，方便。 由于p l c 已实现了产品系列化、标准化和通用化，用p l c 组成控制系统在设计、 安装、调试和维修等方面，表现了明显的优越性。p l c 用软件功能取代了继电器 控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安 装接线工作将大为减少。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2p l c 的发展趋势 随着p l c 技术的推广、应用，p l c 将进一步向以下几个方向发展【6 1 。 1 ) 标准化 每个生产p l c 的厂家都有自己的系列化产品，指令兼容，外设易于扩展p l c ， 但不同厂家生产的p l c ，梯形图、指令及各种配件均有一些差异，不利于p l c 的普及。因此，使p l c 像个人计算机( p c ) 那样互相兼容，是p l c 发展的重要方 向，也是p l c 研究中的一个艰巨的课题。 2 ) 小型化 从p l c 出现以来，小型机的发展速度大大高于中、大型p l c 。随着微电子技术 的进一步发展，p l c 的结构必将更为紧凑，体积更小，安装和使用更为方便。 3 ) 模块化 采用模块式结构，使系统的构成更加灵活、方便。并且小型机也有向模块化发展 的趋势，使p l c 的使用更简单、扩展更方便，通用性更强 4 ) 低成本 随着新型器件的不断涌现，主要部件成本的不断下降，在大幅度提高p l c 功能的 同时，也大幅度降低了p l c 自身的成本，使p l c 在经济上能与继电器电路抗衡， 真正成为继电器的替代物。 5 ) 高功能 p l c 的功能将进一步加强，以适应各种控制需要；同时，计算、处理功能的进一 步完善，使p l c 可在一定范围内代替计算机进行管理、监控。智能i o 组件也 将进一步发展，用来完成各种专门的任务，如：位置控制、温度控制、中断控制、 p i d 调节、远程通讯等。最后，还应指出，p l c 的普及是机电一体化的必然趋势。 也就是说：实现机电一体化，也是p l c 发展的一个重要方向。 1 1 3p l c 与单片机的比较 单片机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的种控制设备硬件 结构方面总线标准化程度高、兼容性强，而软件资源丰富，特别是有实时操作系统的 华中科技大学硕士学位论文 支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制占有优 势。但是，使用单片机控制生产工艺过程，要求开发人员具有较高的计算机专业知识 和微机软件编程的能力。 p l c 最初是针对工业顺序控制应用发展而来的，硬件结构专用性强，通用性较 差很多优秀的微机软件也不能直接使用，必须经过二次开发但是，p l c 使用了工 厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学易懂，便于推广应用 从可靠性方面看，p l c 是专为工业现场应用而设计的，结构上采用整体密封或插 件组合型，并采取了一系列抗干扰措施，具有很高的可靠性，而单片机虽然也能够在 恶劣的工业环境下可靠运行，但毕竟是由通用机发展而来，在接体结构上要完全适应 现场生产环境，还要做工作。另一方面，p l c 用户程序是在p l c 监控程序的基础上 运行的，软件方面的抗干扰措旌，在监控程序里已经考虑得很周全；而单片机用户程 序则必须考虑抗干扰问题，一般的编程人员很难考虑周全这也是单片机应用系统比 p l c 应用系统可靠性低的原因。 1 2 本课题的意义、任务和完成情况 大功率c 0 2 激光器是一种较为复杂的工业设备，不仅具有高电压，大电流的激励 电源以及具有复杂形状、多密封面的真空腔体【7 】，而且在运行过程中产生大量热量需 要冷却，对温度变化十分敏感，同时也必须保持工作气体成分的稳定，必要时应采用 连续自动换气的工作方式，维持气压和成分的动态稳定f 8 】。为了激光器能良好的运行， 需要对电压、电流、气压、温度等多种参量进行实时监测和反馈调整。另一方面，激 光器是一种新型的加工设备，与传统工业设备截然不同的是，大多数用户对激光设备 的操作使用和日常维护极为陌生，在推广过程中往往需要经过技术培训方面的初步掌 握。智能化的监控系统将能够提供极为友好的用户界面，自动采集、显示并记录各种 数据，不但可以指示工作状态，及时发现和防止故障，而且可以提供操作提示和维修 依据，对激光器本身的生产和研制开发也能起到节省人力、提高效率、加快进程的作 用。自动化程度的提高还能够更好的保证加工质量的一致性和稳定性，提高设备的利 用率。激光器的智能测控系统具备与上位机联机的潜力，为构成集散式控制系统做好 了准备。联机后，控制加工机床的上位机可以根据加工轨迹、加工材料结合工艺数据 4 华中科技大学硕士学位论文 选择最佳激光加工参数，向监控激光器的下位机发出指令，使光束能量和工件的运动 同步；下位机可以根据指令进行过程控制并向上位机传送激光器的工作状况。由此就 能形成激光器和数控机床组成的高性能、一体化激光加工系统。 大功率c 0 2 激光器所需检测的多种运行参数中，气压测量的难度大，量程宽，需 要如温度补偿、线性化等一系列数值计算。对于这部分系统，其硬件部分采用了西门 子$ 7 - - 2 0 0 系列的c p u 模块和模拟量输入输出模块e m 2 3 5 ，选用了适当的气压传感 器，并设计了处理传感器信号的外部电路。通过c p u 模块的r s 4 8 5 r s 2 3 2 接口，可 以实现与上位的通讯和参数显示，并由继电器输出控制信号来完成风机运行和自动充 排气的控制。这是本课题首先需要完成的部分。 本课题的任务是完成以s 7 2 0 0 系列p l c 为核心的大功率c 0 2 激光器智能测控 系统。除了上面所说的气压测控系统外，还包括温度测控系统，电源及功率测控系统， 以及用户界面及安全、报警系统。气压测控系统已经做出实验板，并进行了调试，取 得了比较满意的结果。整个测控系统的主体也基本完成，有待进一步的完善工作。 本文探讨了大功率c 0 2 激光器控制系统的设计原理，描述了系统的硬件结构和软 件流程，对p l c 在激光器控制系统中的应用做出了多方面的分析。系统采用西门子 $ 7 - - 2 0 0 系列p l c 自行开发，其低成本、高性能和组态的灵活方便将大大提高激光器 的实用性和市场竞争力。可以预料，随着激光器在工业领域的进一步推广，以p l c 为核心的智能控制技术将发挥更大的作用。 华中科技大学硕士学位论文 2 大功率c 0 2 激光器控制系统的分析与设计 2 1激光器整体控制系统的分析与设计 激光器的控制系统是一个典型的顺序控制系统【9 l 。所谓顺序控制是指依照预定的 步序，各步序满足预定的条件顺序处理控制执行元件动作1 0 l 。其大致的结构框图如图 2 1 所示。 图2 1 激光器控制系统沉程框蚓 1 ) p l c 控制器：这是流程控制系统的核心部分，它接受输入控制信号，并对输入信 号进行逻辑处理，产生完成各种控制作用的输出控制信号。其输入输出的关系可 表达为 z i = f i ，y i ) ( 2 1 ) 式中，x i 是系统的现时输入，y i 是系统显示状态， z i 是现时输出，它是现时输 入和系统现时状态的函数。 2 ) 输入模块：因为输入信号的各种各样，所以现场信号一般不能直接加到起核心控 制作用的控制器上。例如输入的气压、温度、电流、电压等采样信号，均为模拟 量，只有经过模拟量输入模块才能被控制器所接受。 3 ) 输出模块：与输入模块相似，是将控制器的输出控制信号转变成驱动执行机构的 信号。 6 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 检测部分：在实行控制线路中为了使整个系统工作可靠稳定，控制器应及时了解 控制对象执行情况，就需要对这些部分进行检查和测量，然后将测量信号送回控 制器。 5 ) 用户界面与报警：为了使调整维护方便，激光器运行时，必须随时监视气压的变 化，及时向操作人员发出故障报警，还必须随时监控激光器的运行状态。 为便于进行模块化的编程，可将大功率c 0 2 激光器的控制系统大致分为五个部 分，分别为气压测控系统，电源测控系统，光腔、激光功率检测系统，温度测控系统 和用户界面及安全、报警系统“”。激光器控制系统的结构框图如图2 2 所示。 图2 2 激光器控制系统结构框图 1 ) 气压测控系统：在激光器启动及运行过程中，准确测量气压值是非常重要的，工 作气体气压和比例的稳定将影响大功率c 0 2 激光器大体积辉光放电的均匀性和稳 定性，同时需要根据测得的气压值输出各种控制信号，如风机运转，自动充排气 的控制等。 2 ) 电源及功率测控系统：对于激光器电源的检测控制，主要是控制电压和电流的大 小，以及根据给定的功率调节放电电流到所需要的值。这就需要在保证电压、电 流大小范围正常的基础上，调节可控硅的导通角来达到所需的电流值。为了实现 对激光功率的实时检测而又不影响激光输出，我们采用了一种新的采样方法，采 用一面具有稳定的低透射率的球面反射镜作为光腔反射镜，通过对球面全反射镜 的透射光进行激光采样，然后将这一微小漏光经由一面聚焦镜聚焦，焦斑上由一 7 华中科技大学硕士学位论文 薄膜热偶管红外探测器进行接收，从而以不同的热电势来表示不同的激光功率输 出。 3 ) 温度测控系统：激光器的稳定运行有赖于各部分温度保持稳定，因而必须对各部 分温度实施有效的控制。所以我们设计一套温度测控系统，对各部分需要控制的 温度进行检测，并将其信号集中输入p l c 控制器中，通过程序对各部分温度实施 控制调节，并通过其输出信号来实际调节温度，达到允许的范围内。对激光器而 言，主要的温度检测包括上游温度、下游温度、两片腔镜的温度、常温水的温度 和电源部分的温度。其中由风机来控制上游和下游的温度。 4 ) 用户界面与安全、报警系统：对于用户界面西门子提供了多种液晶面板，如t d 2 0 0 等，该面板的组态和使用非常方便，可直接通过c p u 中保留的专用数据与t d 2 0 0 交换数据，并能支持中文显示。将信息地址设置好后，就能在面板上显示控制所 需的气压，功率，温度等的数值，当数值异常时，则以高亮显示来提醒用户。将 其与传统的声光报警控制结合使用，就可快速准确的找出并排除故障。 由于整个激光器的控制参数较多，计算量大，而且可以分为几个相对独立的部分 分别进行控制，所以采用上、下位机的方式来设计整个控制系统是一套行之有效的方 法。上位机主要用来设置运行参数、在线修改参数、监控加速器运行、打印工作报告、 报警以及故障显示。以p l c 为核心的下位机主要用来完成数据的采集、运算、执行用 户程序、检测运行状态，实现最终的控制。上下位机之间采用p c p p i ( r 2 3 2 - - 8 5 ) 专用 线进行通讯。这种主从式结构体现了信息集中管理、功能分散控制的新的控制思路l l “。 2 2 温度测控单元的设计 激光器的工作参数中，温度是一个较能说明工作状态的参量【1 3 】。在电能通过辉光 放电激发工作气体并通过谐振腔转化为激光能量的过程中，温度始终是能量分布和流 向的指示，并且大功率的高压变压器和腔体内的风机、镇流电阻箱均属不可接近而运 行情况可借助温度监视的部件，还有腔内反射镜与透射镜以及冷却水的温度，也都需 要进行监测，以保证激光器的正常运行。温度测控系统的硬件框图如图2 3 所示a 8 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 温度测控系统硬件框图 两端集成温度传感器a d 5 9 0 在这里被选为用于激光器的温度测量的传感器。 a d 5 9 0 属于电流集成温度传感器，具有互换性好、线性度好、信号可长线传输、 抗干扰能力强、长期稳定性好、应用电路简单等优点，广泛应用于一5 5 至+ 1 5 0 。c 温度范围内的温度测量。a d 5 9 0 等效为一个输出电流域温度成比例的电流源，这 一电流在取样电阻上转换为电压信号。它的优点在于输出电流就是整个电路的电 源电流，而这个电流与施加在这个电路上的电源电压几乎无关，电流表示为： i = k l t ( 2 2 ) 其中t 为绝对温度，系数k = l u k 。可见a d 5 9 0 是一个正比于绝对温度的电 流调整器。a d 5 9 0 量程为一5 5 至+ 1 5 0 ( 2 ，电源范围4 v 至3 0 v ，不同精度等级的器 件误差也有所不同。我们选用a d 5 9 0 精度为： 校准误差：正负2 5 非线性误差：正负2 5 1 2 重复性：正负2 5 。c 长期漂移：正负2 5 温度信号多路巡回检测如图2 4 所示。 9 华中科技大学硕士学位论文 图2 4 温度信号多路巡回检测电路 图2 4 中a d 5 9 0 的采样只画出了一路。其中r 0 是精度较高的1 k 取样电阻，a d 5 9 0 输出的电流在这里转换为电压信号，每开尔文反映为l m v 的电压。激光器温度测量 一般都大于0 c ，因此r 0 上的信号均大于2 7 3 m v ，经多路模拟开关u 0 送到运放u 】 构成的缓冲器，最后输出到模拟量输入，输出模块e m 2 3 5 的一路输入端。多路模拟开 关为8 选1 的c m o s 电路c d 4 0 5 1 ，所采用的运放均为廉价的工业级低漂移运放o p 0 7 。 由图2 4 中可见，这种由a d 5 9 0 构成的多路温度巡回检测电路十分简洁，每路传感 器的外部接线只有两根，配线也大大简化了。传感器的外部接线采用双绞线，以提高 抗干扰能力。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 大功率c 0 2 激光器气压测量的理论分析 在激光器启动及运行过程中，准确测量气压值是非常重要的，工作气体气压和比 例的稳定将影响大功率c 0 2 激光器大体积辉光放电的均匀性和稳定性【l ”，同时需要根 据测得的气压值输出各种控制信号，如风机运转，自动充排气的控制等”】。 对于大功率c 0 2 激光器，工作气体的压力一般为6 千帕到1 2 千帕之间，对该段 气压的检测要求有较高稳定性和重复性。随着激光器长时间运转，工作气压会发生变 化，这时需要连续更换工作气体，气体压力一般在正负数十帕变化，要求在这段范围 内对气压进行检测，维持工作气压稳定不变。另外，由于激光器是一个具有复杂形状 多密封面的真空腔体，若出现微小漏气现象则需要进行漏气检测。其检测方法是对腔 体持续抽真空，当真空度在几帕到几十帕范围内达到恒定时，仔细观察气压变化，检 示漏点。因此，对于真空度较高的这一段气压范围要求能被较准确的检测。由于很少 有传感器在这么大的气压范围内都有很好的线性度和测量精度【1 6 1 ，所以要分别就工作 气压范围和真空测量范围选用不同的传感器1 1 7 】1 1 8 l ，从而保证在整个气压测量过程中 都有较好的测量结果。 3 1热偶管的工作原理与非线性补偿 3 1 l 热偶管测压原理及结构 大功率c 0 2 激光器的极限真空度约为数帕，属于粗低真空的范围，可以用热偶管 进行检测【1 9 l 【2 0 】。热偶管的测量基于气体导热率随真空度升高而降低的原理。其原理 结构图如图3 1 所示。 玻璃管内封入两组金属丝，一组是加热丝，另一组是热偶管的热电极，其工作端 焊在加热丝上，用于测量极点的温度变化。向热偶管的加热丝注入恒定加热功率，然 后由热偶管测量联结点的温度，这一温度为加热功率与i 散热达到平衡时的温度；由于 气体的导热率与气体的分子密度和分子量相关，因此联结点的温度反映了所测气体的 真空度。 i l 华中科技大学硕士学位论文 图3 1 热偶管结构与测量原理图 3 1 2 热偶管的非线性补偿 热偶管结构简单，成本低廉，广泛应用于工业中的粗低真空测量。热偶管输出的信号电 压和所检测的气压的关系如图3 2 所示： 气压 p a 图3 2 热偶管输入输出特性图 电压 n v 1 2 华中科技大学硕士学位论文 热偶管的输入输出特性是非线性的，而且还具有指数特性。采用智能化设计，用 p l c 处理这种非线性的指数特性则具有较大的优势；指数特性可以直接计算得出，而 非线性可以由函数拟合的方式解决。考虑到编程的简洁，可采用多段折线a b c d e 逼 近曲线，逐段线性拟合，然后进行指数计算得出准确的气压值。如图3 2 所示，a b c d e 均为热偶管输入输出特性曲线上的点，热偶管的输出经固定放大倍数的放大环节放大 后的信号电压采样输入到p l c ，程序首先判断信号电压属于多段折线上的哪一段，以 c d 段为例， 令c 、d 热偶管输出电压信号经放大采样a d 转换后的值为：v c 、v d ，c 、d 所对应的气压值为；p c 、p d ， 令v t 为实测点v 1 的电压信号经放大采样a d 转换后的值，v 1 为c d 段折线上 的一点，则v 1 点所对应的气压值p t 由下式计算： p t = e x p i r t p d + ( v t v d ) ( 1 n p c i n p d ) ( v c v d ) 】 ( 3 1 ) 其中，右侧方括号内为线性拟合的计算步骤。其他段折线依次类推即可。 3 2 硅压力传感器的测量原理及其温度补偿的算法 3 2 1 硅压力传感器的测量原理 硅压力传感器是应变式压力传感器中较为优越的一种【2 ”，与其它应变式压力传感 器相比，它具有体积小，成本低等优点；与传统的应变片不同，硅压力传感器中的应 变电阻直接在基片上扩散形成，无须粘贴，具有优良的灵敏度、线形度和迟滞。膜片 的扩散硅电阻联结成电桥结构，如图3 3 所示。 圉3 3 应变电桥测量原理 华中科技大学硕士学位论文 膜片受到压力产生的形变转化为电阻值的变化，进而使电桥的输出电压值v 相应 变化： v u = a r l r l a r 2 r 2 一尺3 尺3 + a r 4 胄4 ) 4 ( 3 2 ) 其中，u 为电桥的激励电压，蜀蜀为电阻r l 的相对变化，其余依此类推。电 阻的相对变化与所受电压成正比。 在恒定温度下，硅压力传感器具有良好的线性，气压测量值与传感器输出信号电 压的关系可表示为： p ( 矿) = ( 矿一v o ) a ( 3 3 ) 其中，v 为传感器输出的信号电压 v o 为传感器零点电压( 以下简称为零点) a 为传感器的灵敏度 p ( v ) 为所测气压值 p ( v ) 这一线性函数为平面坐标内的一条直线，a 为斜率。 3 2 2 硅压力传感器温度补偿的理论分析 扩散硅电阻的阻值并非与温度无关，尽管硅压力传感器应变电桥的电阻系在同一 硅基片上扩散形成以获得相似的温度特性，同时传感器紧凑的结构使得应变电桥的电 阻一般情况下处在同样的温度下，以使整个电桥的输出少受温度的影响，但最终温度 的影响还是会引起测量结果的误差。国外采用不同的传感器结构以期改善其温度稳定 性，或者采用不同的桥路接法以抵消灵敏度温漂，但国内商品化的压力传感器的实际 情况是，传感器的零点和灵敏度都存在温度漂移口2 】。 气压是辉光放电的关键参数，其误差会波及起辉电压，注入功率、放电稳定性等， 对激光的输出带来一系列不良影响。为消除温度带来的气压误差，曾经采用过将整个 气压传感器安装在一个恒温容器中，使传感器始终工作在约摄氏8 0 度的恒定温度下。 但是恒温容器不仅增加了系统的复杂性，而且容器本身具有的热惯性使得整个系统需 要较长的时间才能稳定，当环境温度发生变化时，原有的热平衡被打破，容器的温度 1 4 华中科技大学硕士学位论文 会发生变化，同样会引入气压测量的误差。 温度对测量结果的影响使得传感器的输出电压不仅是气压的函数，同时也是温度 的函数。传感器的响应特性在恒定温度下为线性，因此温度变化产生的影响归结为零 点的温漂和灵敏度的温漂【2 3 】。即： e ( v ，r ) = 矿一v o ( 7 ) 】4 ( r ) ( 3 4 ) ( r ) 和一( r ) 为零点和灵敏度，它们都是温度的函数。令传感器测量的下限为p o ； 当气压等于或小于p o 时，传感器输出为叮) 。因此，在已知的情况下，可以实时测 量传感器的温度，然后通过计算得出具体温度下的灵敏度和零点，再由此得出所测气 压的真实值，即对气压传感器进行温度补偿。这就需要在气压传感器内部放置温度传 感器。国外利用较为先进的半导体技术在压力传感器内部集成温度传感器，并将紧凑 的数字计算补偿电路封装到压力传感器的外壳内，制成体化的智能传感器变送器； 国内也有采用不同的桥路接法，在同一电桥上同时测量压力和温度，然后由计算机补 偿的报导。 基于温度补偿的设计思想以及国内市场的线装，我们拟采用在气压传感器内埋入 测温二极管，由p l c 进行采样计算和温度补偿的方案。 由厂家提供的传感器参数中并无温度特性曲线，作温度补偿必须首先测出传感器 的温度特性，这可以通过测量特定温度点的零点和灵敏度，再采用函数拟合的手段获 得传感器的温度特性曲线。在较高要求、较好条件的情况下，付出较高的成本，可以 获得相当理想的补偿效果，如测量多点温度特性采用最t j 、- - 乘法进行温度特性曲线的 拟合。考虑到实用需要、系统硬件配置及p l c 软件的局限，我们采用较为简便的线性 拟合的方式。基于以下原理： 取传感器正常工作温度范围的一个区间t i 至t 2 ，使得在这个区间内，传感器的 所需补偿的量随温度呈单调变化并且幅度较小，以便在线性拟合的方式下得到较高的 拟合精度。令传感器量程为p o 至p i ；在t l ，t 2 区间内的任意一点温度t 下，所反映 的气压为： 华中科技大学硕士学位论文 p = 【巧( t ) 一v o ( r ) 彳( 丁) ( 3 5 ) 其中k ( r ) 为传感器在p l 时输出的电压，v o ( t ) 为传感器在p o 时输出的零点，4 ( r ) 为灵敏度。在已知p o 、p i 的前提下，温度t 下的灵敏度一( r ) 与零点和仃) 有以下关 系： a ( t ) = ( 只一p o ) i v , ( t ) 一v o ( r ) ( 3 6 ) 对于传感器零点的温漂运用线性拟合进行补偿，则温度t 下的零点v o ( t ) 可由下 式得到： ( t ) = ( 正) + ( t 一正) ( 死) 一( 正) 】( 疋一正) ( 3 7 ) 其中( 五) 、( 瓦) 分别为t i 、t 2 下的零点。 传感器的灵敏度并不是可以直接测量的量，但由式( 3 6 ) ，它可以通过满度电压 和零点计算得出。对这一间接量虽然同样是采用线性拟合的方式进行温度补偿，但可 以由两种不同的方式实现。第一种方式是首先由t l 、t 2 时的零点和满度计算出t l 、 t 2 时的灵敏度： a ( t o ) = ( 异一p o ) v i ( t o ) 一( 兀) 】 ( 3 8 ) 4 ( 正) = ( 只一e o ) v , ( 正) 一v o ( 正) 】 ( 3 9 ) 然后基于a ( t o ) 、爿( 正) 对4 ( d 进行线性拟合： 4 ( d = 一( 正) + ( t 一正) ( 爿( e ) 一彳( 正) 】( 疋一正) ( 3 1 0 ) 最后的测量结果由式( 3 5 ) 得： p = p 0 + 【v ( p ，t ) 一v o x 彳( 丁) ( 3 1 1 ) 第二种方式是温度t 下的满度，再由式( 3 6 ) 计算出么( d 。这实际上是先对传 感器的满度进行温度补偿，在量程不变的情况下，灵敏度的温度特性在零点和满度的 温度特性中反映出来。满度的温度补偿与零点类似： 1 6 华中科技大学硕士学位论文 v ( t ) = 矿( 正) + ( t 一正) x 【矿( 疋) 一y ( 正) 】( 正一) ( 3 1 2 ) 然后由v o ( t ) 、_ ( r ) 计算a ( t ) 并代入式( 3 1 1 ) 得： p 2 矗+ 曼( p ，f ) 一。( n ( 31 3 ) = 晶+ 【v ( p ，r ) 一v o 】( 鼻一晶) k ( r ) 一( 丁) 】 两种补偿方式所需预先给定的量是相同的，它们是温度t l 、t 2 ，最高最低测量气 压p l 、p 0 ，t l 、t 2 下的零点和满度v o ( t ) 、v a t , ) 、k ( 正) 、k ( 疋) ，但编程计算的 繁简不同。第一种补偿方式必须计算式( 3 7 ) 、式( 3 8 ) 、式( 3 9 ) 、式( 3 1 0 ) 、 式( 3 1 1 ) ，第二种补偿方式则需计算式( 3 7 ) 、式( 3 1 2 ) 、式( 3 1 3 ) ，而这三个 计算式具有完全相同的形式，便于在简单的硬件环境下汇编语言的实现，并且具有比 较快的计算速度。对于只能控制系统而言，时间是一种重要的资源，快的计算速度意 味着系统较快的响应速度，较大的软件冗余度，对测控的精度和可靠性都是非常有利 的。 这两种补偿方式虽然都是线性拟合。但对灵敏度的最终拟合形式并不相同。第一 种补偿方式的灵敏度直接按线性拟合，第二种形式下a ( t ) 如式( 3 6 ) ： a ( t ) = ( e 一只) ，【k ( r ) 一( r ) 】 其中( 置一r ) 对于确定的传感器是一个常量，而分母中的由于k ( 7 ) 、v a t ) 同为 线性拟合，因而【k 叮) 一( r ) 】是随温度按线性规律变化的，则4 ( r ) 是按双曲线的规 律变化的。不过在讲k ( r ) 一r o ( t ) m 本身的值在温度t l 、t 2 的范围内都相当下，所 以彳f r ) 在第二种情况下的曲线是双曲线的一支中比较平坦的一段，温度t 1 、t 2 的范 围内d 暇( r ) 一v o ( t ) , t t 的值越小，这一段就越接近于直线，即接近于第一种补偿方 式中4 叮) 的拟合形式。 由式( 3 5 ) 表示的传感器的输入输出特性可以描绘为三维坐标系中的一个曲面 a i ，气压p 、温度t 和传感器的输出信号电压v 构成三个坐标轴。温度补偿即是先取 1 7 华中科技大学硕士学位论文 得确定温度、确定电压下的信号输出，获得四点的坐标：( e o ，五，( 正) ) ， ( p 0 ，瓦，( 疋) ) ，( 只，正，k ( 五) ) ，( 只，五，_ ( 瓦) ) ，以这四点坐标为基础采用线性拟合的 方式构成一个曲面a 2 ，用曲面a 2 去拟合a l ，从而计算工作范围内任意t 、v 下的气 压值p 。基于这一思想，即使传感器的线性很差而且输出受到温度变化的严重影响， 曲面a l 的形状很复杂，只要传感器的重复性好，a l 的形状恒定，那么就可以将a l 划分为多个足够小的网格，使每个网格都满足上述补偿方法的条件，在每个网格内取 角上的四点进行上述拟合，最终都可以得到较好的测量精度，只是划分的网格越多， 需处理的数据量就越大。 从所采用的传感器的技术指标和实测发现，传感器的零点和满度的温漂在从零度 到约3 5 c 之间变化的规律是单调的，幅度较小，实际工作温度区间可以取为零度和约 3 8 。c 之间，采用上述第二种补偿方式补偿，也就是说，将整个实际工作温度区间划分 为一个网格补偿，计算较为简便且能满足激光器运行的要求。又从上述推导不难看出， 在满足精度的条件下，t l 、t 2 可以不取为温度补偿区间的上下限温度值，只要曲面 a 2 以及a 2 向上下限温度的延伸部分与曲面a l 的误差足够小，则处于在工作温度区间 内但又在标定区间( t l ，t 2 ) 外的点，可以由a 2 的延伸部分拟合，即外插。这样对 实际运用中的标定温度就没有太严格的要求，使标定条件简单化。 3 3 电容式绝对压力变送器 3 3 1 传感器简介 电容式绝对压力变送器是当今国内外公认的检测低真空压力的理想仪表【2 舢。它具 有精度高、响应快、稳定可靠、可长期连续使用的优点。而且，它有优良的抗过载能 力，检测不受被测介质种类和成分的影响，有标准电信号输出，可以远传，便于微处 理器智能化控制，材质为镍基合金，耐腐蚀性能良好，输出为o - - - 1 0 v d c 的标准电压 信号。其外形图如下图3 4 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图3 4 电容式绝对压力变送器外观图 3 3 2 电容式绝对压力变送器工作原理与结构及接线 电容式绝对压力变送器是利用电容量变化的原理工作的。它由检测部分和转换电 路组成。 检测部分示意图如图3 5 所示，它有真空腔及检测腔两个腔体。真空腔为全密封结 构，经质谱检漏仪检漏合格后，通过长时间排气，最后将排气管密封形成的，并备有 消气剂，消除残余气体，长期保持高真空。固定极板位于真空腔中，由极板引出线引 至腔外。检测膜片置于高真空的真空腔及连接低真空待测系统的检测腔之间，检测膜 片为可动极板，其与固定极板形成一个平板电容器，有一定的电容值。被测的低真空 压力通过检测孔进入检测腔，检测膜片产生挠曲，改变了其与固定极板的距离，电容 值也随之改变。不同的低真空压力值决定不同的电容值。 检测部分形成的电容信号被输送到电路转换部分。电路转换部分将电容信号通过 变换、整理、放大等环节，最后输出一个标准电压信号。这个标准电压信号是从电容 信号而来，它与真空压力成正比。被测真空压力与输出电压信号对应关系如图3 6 所 示： 电容薄膜式绝对压力变送器外部接线采用新颖、可靠、快速连接的小型接插件， 1 9 华中科技大学硕士学位论文 插座安装在电容式绝对压力变送器外壳上，采用五芯接插件，其接线图如图3 7 所示， 1 、2 、5 、端输入电源，3 、4 端输入信号。 图3 5 电