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电真空器件程控排气的研究 |
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作者：中国工程物理研究院电子所 米伦 史愚砾 石磊 |
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摘要：本文简要介绍了应用单片机实现电真空器件的程控真空排气，优化了工艺，保证了真空排气工艺的一致性和稳定性，提高了器件的质量。其程控系统设计合理，抗干扰能力强，操作简便。
关键词：真空器件；程控排气；真空度
电真空器件的排气是将器件的零、部件组装成密封整管后，接上无油超高真空排气台进行排气和烘烤，并分别对吸气剂，电离规管等按照一定的工艺规程进行处理，使之达到特定的工艺和真空要求的过程，其目的是获得并长期保持能正常工作的良好真空环境。真空器件内的真空度直接关系到器件的综合性能，所以，真空排气是真空器件制造过程中至关重要的一环。
电真空器件的制造具有很强的工艺性 ，其工艺设备和制造工艺都直接影响其质量。如真空器件在真空排气过程中的烘烤温度偏低和烘烤、抽真空的时间短，都会使零部件中的残余气体不能完全被排除，达不到较高真空度的目的；工艺设备的控制精度差，若为手工操作，还会受人为因素的影响，其工艺的一致性和稳定性差，使其器件的质量不稳定。为使真空器件的排气工艺科学、合理，排除人为因素，保证工艺的稳定性和一致性。我们根据器件制造技术的要求，结合实际情况，开展了烘烤温度和烘烤时间对真空度的影响以及吸气剂的优化处理工艺的试验，制定了新的真空排气工艺；并用单片机实现了排气过程的自动控制。经过几年的使用，其结果表明，该套程控系统满足了电真空器件的研究和生产的需要，保证了排气工艺的稳定性和一致性，提高了真空器件的管内真空度及综合性能，收到了很好的效果。
1 程控排气工艺的确定原则
电真空器件的零、部件分别由金属（不锈钢、铜、钛、可伐等）、陶瓷、玻璃、云母、吸气剂等材料制成，各种材料的吸气量、放气率是各不相同的，因而真空排气是一个动态过程，它与排气过程中各种材料的放气量、烘烤温度、烘烤时间和处理工艺是紧密相关的。
为使真空器件获得并长期保持能正常工作的良好真空环境，须对影响真空度的各种因素进行分析、研究，以制定出合理的、科学的真空排气工艺规程，并采用计算机技术实现真空排气的自动控制，保证工艺的稳定性和一致性，才能提高器件的质量和可靠性。
程控排气的工艺原则是以获取较高真空度为目的，在允许条件下，可适当提高烘烤温度，并延长烘烤时间。其具体操作是：以真空度为工艺进程判据；优化工艺，细化控制量；同时，便于程序控制。
2 程控排气系统的组成
根据排气设备和工艺规程以及实际使用情况,我们只对排气工艺过程进行自动控制。程控排气台由超高真空机组和程控系统构成，其系统方框图如图1所示。
程控系统由主控机、I/O板、D/A转换、温度控制器、烘箱升降、吸气剂电源、数字真空计、键盘/显示器、打印机以及声光报警等部分组成。
图1 程控排气系统示意图
在真空排气过程中，计算机以器件的真空度（多管排气时，以其中最低真空度为准）为判据，对真空排气工艺过程进行实时控制，执行真空排气工艺规程，实现整个排气工艺的自动控制。
主控机通过并行口与数字真空计联络获取真空度值，并以其中较低真空度值为工艺进程的判断依据。当真空度在允许范围内时，主控机控制温控器使烘箱保持升温；当真空度低于下限真空度时，主控机控制烘箱停止升温，等真空度回升到允许值后再继续升温。采用铂电阻作为温度传感器，由温控器测量/控制烘箱内温度值并显示，经串行口与主控机联络。由直流电源提供吸气剂的除气电流；由主控机根据预定的电流变化要求，送出数字值，经D/A转换后控制吸气剂电流的输出，并根据真空度值决定其增/减。
在整个程控过程中，随时进行状态检测，一旦出现故障，立即声光报警和保存信息，并停止工艺进程，排除故障后可重新进入程控。打印机在整个排气过程中详实记录有关数据和过程控制状态。
程控系统的主控机选用以MCS－51单片机为核心构成的STD50080系列工业控制机，它通过通讯口和I/O实现排气工艺的全过程的程序控制。
I/O板分别STD5372/5373两块32路光隔离开关量输入/输出板组成，以实现STD总线与被测工业设备或数字仪器之间完全的电隔离，并消除公共地线和电源的干扰，从而保证系统可靠工作。
D/A转换器用来控制吸气剂直流电源的输出电流值，选用8位分辨率的DAC0832芯片构成D/A转换器,将主控机输出的数字量,经D/A转换后控制直流电源的电流输出，从而实现对吸气剂的程控除气。
键盘/显示器选用STD5721板，用来进行人机对话、状态显示和操作提示等。
打印机用来记录人机对话内容、实时记录控制过程中的数据及故障信息。选用CP－80型打印机，采用并行方式与主控机的CPU进行通讯。
温度控制器用来控制烘箱的升温保温，温度控制器将温度传感器采样信号进行处理后输出控制信号以实现温度控制。
吸气剂直流电源用来输出恒流电流对吸气剂进行加热除气，并设有吸气剂电流有无检测电路,供主控机判别是否有故障。
3 程控软件设计
在进行程控软件设计时，为降低编程的难度，便于程序的编制和调试，将排气工艺进程划分为若干个相对的独立的子过程，软件设计采用模块化。
3．1 工艺进程的划分
图2 主程序流程图
工艺控制采用了进程控制方式，将排气工艺过程划分为若干个相对独立的子过程，如升温、保温、除气、烘箱升/降以及数据记录等。
3．2 程序设计
程控软件设计采用模块化，各子程序间采用松耦合，彼此间关系不大，其主程序流程图如图2所示。
根据系统硬件的特点进行程序模块设计，主要的模块有：显示模块、键盘识别模块、打印模块、数制转换模块、参数恢复模块、温度读入模块、真空度读入模块、钟中断模块、各进程模块，……。模块之间相对独立，供主程序调用，这样不仅简化了工艺的复杂性，而且降低了编程的难度。
软件主要功能有：开机自检、参数输入、排气过程、打印、压力、温度读数、参数保存和恢复，……。为提高程序运行的可靠性，在优化程序设计的同时，还采取了程序加固和出错处理等措施。
4 技术保证措施
在电真空器件的生产工艺线上，程控排气台工作在各种电器频繁启动/停止、高温、高电压的环境中。因此，系统的抗干扰能力和工作的可靠性至关重要。为保证系统的性能，我们在制定合理的、科学的排气工艺和优化的系统配置的同时，还采取以下的措施：
(1)在系统设计配置时，选用适合于工业生产环境的设备仪器。如主控机、温控器和直流电源等。
(2)合理设置控制量，以避免程序进入死循环，如真空度的下限值。
(3)采用隔离技术：如光隔离、电磁隔离。
(4)编程采用数据滤波技术。
(5)采用了声光报警技术。
(6)系统设计有手动操作模式，以确保真空器件的排气顺利完成。
5 程控真空排气系统的主要性能和技术指标
(1)有人机对话功能：键入时间，设定控制参数等。
(2)程控排气：即自动升温、保温、除气、烘箱升/降以及工作状态和数据的全过程的记录。
(3)烘烤温度控制精度：±1/℃。
(4)真空度、温度值数字化显示。
(5)状态监测与报警：一旦发生故障，有声光报警和故障提示，并暂停程序，由手动消除报警。
(6)系统设计有固定工艺和可编工艺的功能，以满足不同真空器件的工艺需求。
(7)系统设计有自动/手动操作。
6 结论
用计算机实现排气工艺的程控真空排气台，经过几年的使用，其结果表明，该套程控系统可以满足多种电真空器件的研究和生产的需要，程控真空排气保证了排气工艺的稳定性和一致性，提高了真空器件内真空度和器件的质量，收到了很好的效果。其主要特点如下：
(1)程控排气以真空度为工艺进程的判据，优化了排气工艺，使工艺科学合理，提高了器件真空排气的一次成功率和管内的真空度，改善真空器件的综合性能。
(2)计算机控制细化了工艺过程控制量，保证了工艺的一致性和稳定性，使器件的性能稳定。
(3)实时详细的记录为器件的研制工作提供了可靠的数据。如：器件内零、部件的放气量，吸气剂的均匀性等。
(4)程控真空排气，不仅提高了仪器设备的控制精度，排除了人为因素的影响，而且还减轻了操作人员的劳动强度。
(5)整套系统设计合理、工作可靠、操作简便。
参考文献
[1]真空设计手册 国防工业出版社 1981年6月
[2]真空电子器件制造工艺 电子工业出版社 1990年11月
[3]单片机应用系统设计 北京航天航空大学出版社 1991年3月
作者简介：米伦，1955年生，重庆市潼南县人，大学文化，高级工程师，长期从事真空电子技术工作。1995年以来，获部级科技进步一等奖1项、二等奖1项、三等奖五项、四等奖3项，其中除一等奖外，其余均排名第一，发表论文30多篇。(end)
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(1/8/2005) |
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