彈性變形真空規是利用彈性元件隨氣壓變化所產生的變形來測量壓差的一種真空規。它的特點是:規管靈敏度與氣體種類無關,對被測氣體干擾小,可測腐蝕性氣體和可凝蒸氣的壓力。
此類規存在的主要問題是,金屬彈性元件的蠕變現象和彈性系數的溫度效應。
1.布爾登規(圖11-12)布爾登規是一種用富有彈性的金屬材料制成的橢圓形截面的空心管,全管彎咸弧形,一端封死并與指針相連接,另一端與被測系統相連。當管內壓力增高時,截面形狀向圓形變化,使彎管向外擴張而拉動指針偏轉。反之,當管內壓力下降時,指針則朝相反方向偏轉。
金屬布爾登規主要用于測量高壓力,很少作為真空規使用。指示大氣壓以下的壓力,表盤上用紅線來標度,這種標度是很粗略的。
圖11-13是用石英制成的布爾登規,空心的扁平石英管被繞成螺旋形,在封死的一端吊一個小鏡,通過小鏡用光杠桿的辦法來測量布爾登管上下運動的距離,再求得壓差值。此規靈敏度較高,可檢測出10Pa的壓差。
2.波紋管規此規的波紋管一端封死,另一端與被測系統相連,當管中壓力變化時,波紋管內外的壓力差產生變化,使得波紋管隨之伸縮,規的靈敏度與波紋管的壁厚和形狀有關。波紋管材料的彈性系數隨溫度變化而變化是此規的主要誤差源。圖11-14是用光學方法檢測波紋管變形的波紋管規,其測量下限可達10 -2Pa。
圖11-13石英布爾登規
圖11-14光學法檢測型波紋管規 R-反射鏡;M-平面鏡;L-透鏡;P-鏡座;G,SIS3~4一槽;Ni,N2,N3-尖針;X-支架;Y-波紋管;Ti,T2-導管。
圖11-15是一種用玻璃制作的波紋管規。當波紋管伸縮變化時,毛細管中的水銀位置也隨之變化。此種結構可提高儀器靈敏度,當壓力從鞍高的真空度變到大氣壓時,水銀位移可達600mm。此規的缺點是對溫度變化太敏感,并要求恒溫。
圖11-15具有毛細管結構的波紋管規
3.薄膜真空規用金屬彈性薄膜把規管分隔成兩個小室,一側接被測系統,另一側作為參考壓力室。當壓力變化時薄膜隨之而變形,其變形量可用光學方法測量,也可轉換為電容或電感量的變化用電學方法來測量,還可用薄膜上粘附的應變規來進行測量。
近年來,電容薄膜規的發展很快,被廣泛應用于科研和工業領域。電容薄膜規分為兩種類型:一種將薄膜的一邊密封為參考真空,成為“絕壓式”電容薄膜規;另一種是薄膜的兩邊均通人氣體,成為“差壓式”電ro容薄膜規。電容薄膜規具有卓越的線性、較高的測量精度和分辨率。單個傳感器的測量范圍可覆蓋5個數量級的壓力區間,短期穩定性優于0.1%,長期穩定性(一年)優于0.4%。電容薄膜規的靈敏度與氣體種類無關,可測蒸氣和腐蝕性氣體的壓力,結構牢固,使用方便,還可作為粗低真空的副標準和傳遞標準。
電容薄膜規的基本結構如圖11-16所示。它由兩個結構完全相同的圓形固定電極和一個公用的活動電極組成。活動電極薄膜將空間分成互相密封的測量室和參考室,固定電極和活動電極薄膜構成差動電容器并作為電橋的兩個橋臂。當活動電極處于中間位置時,兩個電容器的電容量相等,一旦活動電極由于壓差作用偏離中間位置時,則一個電容器的電容增加而另一個電容器的電容減小,由于電容變化造成電橋不平衡,因而產生輸出電壓,這個電壓經過放大器放大后,由檢波器轉換成直流電壓進行測量。不同的輸出電壓對應于不同的壓力,電容薄膜規就是利用這樣的原理達到測雖壓力的目的。電容薄膜規的壓力測量范圍與膜片的厚度、直徑、材料、膜片的張力等有關,目前可供選擇的電容薄膜規包括滿量程13.3Pa、133Pa、1.33kPa、13. 3kPa、133kPa、1.33MPa和3.32MPa、的傳感器,可覆蓋的壓力范圍為10-3Pa—106Pa。
4.壓阻式真空規壓阻式真空規的傳感器為壓阻式絕對壓力傳感器。它是利用集成電路的擴散工藝將四個等值電阻做在一塊硅片薄膜上,聯接為平衡電橋。硅膜片利用機械加工和化學腐蝕方法制成硅環,然后用金硅共熔工藝或用其他特殊工藝將硅環與襯片燒結在一起。硅環膜片內側為標準壓力(約1×10- 3Pa),外側為待測壓力。結構如圖11-17所示。當硅膜片外側的壓力變化時,由于硅的壓阻效應使電橋四個臂的阻值發生變化,電橋失去平衡,得到對應于待測壓力的電壓信號。此信號經過放大器、控制單元、顯示單元等,顯示出相應的壓力數值。此規的測量范圍為105Pa~lOPa。
圖11-16電容薄膜規結構示意圖
圖11.17壓阻式絕對壓力傳感器結構示意圖
北京真空儀表廠采用壓阻式絕對壓力傳感器生產的HLP-03型低真空計,其原理方框圖如圖11-18所示。儀器的測量菹圍為1.1×105Pa~10Pa,滿量程的精度為0.5%。儀器的特點是線性測量精度高,與被測氣體種類無關,量程自動轉換。