專利名稱：人造金剛石合成參數(shù)測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及人造金剛石合成參數(shù)測試技術(shù)領(lǐng)域。
人造金剛石合成過程中，無法直接測量超高壓合成腔內(nèi)的壓力和溫度數(shù)值，而是通過測量合成壓機(jī)施加給合成腔的油壓及加熱功率來確定人造金剛石的合成條件和參數(shù)。在實(shí)踐中，目前普遍采用D26W動圈式功率表測量加熱功率，其優(yōu)點(diǎn)是測量裝置簡單，設(shè)備費(fèi)用低，但也明顯存在著一些不足的地方。其一，測量精度低。這種裝置測量加熱功率的精度只能達(dá)到0.5瓦。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)者用鉑銠——鉑電偶對超高壓合成腔內(nèi)溫度與外加電功率進(jìn)行測量校正，發(fā)現(xiàn)加熱功率變化0.5瓦時(此數(shù)系功率表讀數(shù))，其合成腔內(nèi)溫度變化△T＝100℃，而人造金剛石的合成溫度變化范圍約61℃?？梢?，測量誤差將導(dǎo)致合成腔內(nèi)溫度的大幅度偏差。其二，低功率測試?yán)щy，所測得的功率不能完全真實(shí)地代表合成腔所獲得的加熱功率(參看附圖1)。由于D26W功率表在低功率測量時，相對誤差極大，因此功率表都是從大電流變壓器T2的輸入端取得電壓數(shù)據(jù)，從互感器取得電流數(shù)據(jù)。這樣所測得的功率必然包含變壓器T2、加熱銅帶、頂錘及合成腔等整個大電流加熱系統(tǒng)所消耗的功率。而加熱電流很大，約2000A，合成腔電阻很小，合成腔以外的其他部份功率消耗相對很大，不能忽略不計(jì)。這樣，所測得的功率不能很好地反映合成腔內(nèi)的溫度變化，給金剛石合成條件的控制帶來了困難，至使工廠生產(chǎn)的重復(fù)性差。
本實(shí)用新型采用全集成化電路，對測量信號進(jìn)行電子放大，計(jì)算處理及數(shù)字顯示，完全克服了已有技術(shù)的缺點(diǎn)，其精度比已有技術(shù)至少提高一個數(shù)量級，并能獲得真實(shí)反映腔體溫度的加熱“內(nèi)耗功率”。同時，測量線性、讀數(shù)準(zhǔn)確性及功率測量的重復(fù)性都比已有技術(shù)有明顯提高。特別是本實(shí)用新型能夠準(zhǔn)確地測定合成腔內(nèi)電阻率參數(shù)，這是已有技術(shù)所不能夠測試的。合成腔內(nèi)的電阻率的變化，是合成腔內(nèi)石墨向金剛石轉(zhuǎn)換的外部信息，通過它的測量，能了解到觸媒金屬向石墨的滲透，金剛石的成核、生長等重要情報，對于從事人造金剛石合成的科研，本實(shí)用新型是極有力的工具。
本實(shí)用新型的目的在于避免已有技術(shù)的不足之處，而提供一種能直接從靠近合成腔兩端的頂錘處取得電壓數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行低功率精確測量，可測定人造金剛石合成液壓機(jī)加熱系統(tǒng)加給超高壓合成腔的“內(nèi)耗功率”、電流、電壓及合成腔樣品的電阻率等合成參數(shù)的測試儀。
本實(shí)用新型的技術(shù)要點(diǎn)是采用CMOS集成塊電路，將測得的交流低電壓及電流進(jìn)行線性檢波，有效值量化處理，然后進(jìn)行模擬乘除運(yùn)算，最后用數(shù)字和連續(xù)表頭兩種方式顯示，其數(shù)據(jù)也可以用記錄儀連續(xù)記錄。利用按扭開關(guān)可實(shí)現(xiàn)功率(P)、電阻率(R)、電流(I)、及電壓(V)的數(shù)顯轉(zhuǎn)換。本實(shí)用新型屬于組合發(fā)明，它由電壓輸入級、電流輸入級、模擬運(yùn)算級、數(shù)顯電路、電表指示電路和電源電路構(gòu)成，電壓輸入級的信號入口與合成壓機(jī)頂錘上靠近合成腔的交流低電壓信號采集點(diǎn)接通，在該電壓輸入級內(nèi)，W1R1R2D1D2及IC1一部分構(gòu)成電壓信號的同相輸入跟隨器及線性半波檢波器，R3R4R5C1及IC1的另一部分構(gòu)成積分電路，實(shí)現(xiàn)信號低通濾波及有效值量化，輸出直流電壓數(shù)值信號；電流輸入級的信號入口與合成壓機(jī)的互感器接通，感應(yīng)交流電流信號進(jìn)入該級，在該電流輸入級內(nèi)，由R8R9構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換電路，W2R10R11D3D4及IC2一部分構(gòu)成電壓信號的同相輸入跟隨器及線性半波檢波器，R12R13R14C2及IC2另一部分構(gòu)成積分電路，輸出直流電壓數(shù)值信號；模擬運(yùn)算級的信口入口分別與電壓輸入級和電流輸入級的信號出口接通，在該級內(nèi)，通過IC1、IC2的部分運(yùn)放和IC3的部分運(yùn)放，與BG1BG2BG3BG4R6R7C3C4R15R16R17R18R19R20R21D5D6W3W4構(gòu)成溫度穩(wěn)定性很高的乘除法電路，對輸入的交流電的電壓和電流有效值進(jìn)行乘除模擬運(yùn)算，輸出運(yùn)算結(jié)果信號；信號入口與模擬運(yùn)算級信號出口接通的數(shù)顯電路，由R28R29構(gòu)成分壓器，IC4及其它附加電阻電容構(gòu)成模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)成3 1/2 位數(shù)顯示，由LED數(shù)字顯示乘除運(yùn)算結(jié)果和輸入的交流電的電壓和電流有效值；電表指示電路的信號入口與模擬運(yùn)算級信號出口連接，它由IC3一部分運(yùn)放及R23R24R25和表頭構(gòu)成。指示電流輸入級輸出的有效值直流電壓；電源電路由電源變壓器、全橋?yàn)V波電容、集成穩(wěn)壓塊構(gòu)成，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，同時為電壓輸入級、電流輸入級、模擬運(yùn)算級、數(shù)顯電路提供直流電源。
在本實(shí)用新型的電壓輸入級和電流輸入級中，W1R1R2D1D2及IC1一部分構(gòu)成電壓信號的同相輸入跟隨器及線性半波檢波器，其中同相輸入跟隨器可使電路輸入阻抗大為提高，該線性檢波電路克服了一般分離元件電路的非線性特點(diǎn)，特別是在小信號時具有明顯的優(yōu)越性。在模擬運(yùn)算級中，用按扭開關(guān)K實(shí)現(xiàn)乘法或除法的轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯電路中也是用按扭開關(guān)K分別實(shí)現(xiàn)I、V、P、R的顯示轉(zhuǎn)換，操作十分方便。在電表指示電路中，其中表頭刻度與壓機(jī)上的D26A電表指示一致，但由于采用了集成電路，表頭的指示又是等分的，這對于小電流讀數(shù)顯得特別優(yōu)越。電源電路由電源變壓器、全橋?yàn)V波電容、集成穩(wěn)壓塊組成。其電壓穩(wěn)定性高于分離元件穩(wěn)壓電路，結(jié)構(gòu)又特別簡單。
本實(shí)用新型與已有技術(shù)相比具有以下比較突出的優(yōu)點(diǎn)(1)測量精度高，比已有技術(shù)高一個數(shù)量級，功率測量可達(dá)0.01瓦。
(2)能夠測量較真實(shí)地反映合成腔內(nèi)溫度變化規(guī)律的合成腔“內(nèi)耗功率”。
(3)能測定合成腔內(nèi)電阻率參數(shù)。
(4)儀器具有性能穩(wěn)定可靠，使用方便，耗能低，體積小等優(yōu)點(diǎn)。
以下結(jié)合
，給出本實(shí)用新型的一個實(shí)施例。
附圖1是已有技術(shù)測試人造金剛石合成參數(shù)時的示意圖。(1)是合成腔，(2)是頂錘，(3)是加熱銅帶，T1是調(diào)壓變壓器，T2是大電流變壓器，L是電流互感器，(W)是D26W動圈式功率表，(A)是D26A動圈式電流表，(V)是電壓表。
附圖2是用本實(shí)用新型測試人造金剛石合成參數(shù)時的示意圖。(1)是合成腔，(2)是頂錘，(3)加熱銅帶，(4)是本實(shí)用新型所揭示的人造金剛石合成參數(shù)測試儀。T1是調(diào)壓變壓器，T2是大電流變壓器，L是電流互感器。
附圖3是本實(shí)用新型的電路方框圖，(5)電壓輸入級、(6)電流輸入級、(7)模擬運(yùn)算級、(8)數(shù)顯電路、(9)電表指示電路、(10)電源電路。
附圖4是本實(shí)用新型的電路詳圖，圖中每個虛線封閉線所包含的電路為一個單元電路。(5)為電壓輸入級，其中W1R1D1D2及IC1一部份構(gòu)成電壓信號的同相輸入跟隨器及線性半波檢波器，R3R4R5C1及IC1另一部份構(gòu)成積分電路。所用的集成塊IC1為市售產(chǎn)品，型號為LM124。本單元電路把從合成壓機(jī)頂錘靠近合成腔處取得的交流低電壓進(jìn)行放大，線性檢波，有效值量化處理，然后向模擬運(yùn)算級提供直流電壓數(shù)值信號。(6)為電流輸入級，其中R8R9構(gòu)成電流向電壓轉(zhuǎn)換的電路，W2R10R11D3D4及IC2的一部份構(gòu)成電壓信號的同相輸入跟隨器及線性半波檢波器，R12R13R15C2及IC2的另一部份構(gòu)成積分電路。所用的集成塊IC2為市售產(chǎn)品，型號為LM124。本單元電路把從合成壓機(jī)的互感器上取得的感應(yīng)交流電流，進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，電壓放大，線性檢波及有效值量化處理，然后向模擬運(yùn)算級提供直流電壓數(shù)值信號。(7)為模擬運(yùn)算級，其中IC1、IC2、IC3的部份運(yùn)放及BG1BG2BG3BG4R6R7C3C4R15R16R17R18R19R20R21D5D6W3W4構(gòu)成溫度穩(wěn)定性很高的乘除電路，由按扭開關(guān)K實(shí)現(xiàn)乘法或除法的轉(zhuǎn)換。所用的集成塊IC3為市售產(chǎn)品，型號為LM124。本單元電路把電壓輸入級提供的交流電壓有效值，和電流輸入級提供的交流電流有效值進(jìn)行模擬乘除運(yùn)算，把運(yùn)算結(jié)果的信息提供給數(shù)顯電路顯示。(8)為數(shù)顯電路，其中R28R29構(gòu)成分壓器，IC4及其他附加電阻電容構(gòu)成模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路，采用LED數(shù)字顯示板顯示，構(gòu)成3 1/2 位數(shù)顯示，由按扭開關(guān)K分別實(shí)現(xiàn)I、V、P、R的顯示轉(zhuǎn)換。(9)為電表指示電路，由IC3部份運(yùn)放與R22R23R24R25和表頭
構(gòu)成直流表電路，它的任務(wù)是把電流輸入級輸出的有效值直流電壓，用電流表指示，代表加熱電流。(10)為電源電路，由電源變壓器，全橋，濾波電容，集成穩(wěn)壓塊組成。集成穩(wěn)壓塊為市售產(chǎn)品，型號分別為CW7815，CW7915，和CW7805，它們功能是為集成塊電路，LED面板表等提供所需的直流穩(wěn)定電壓。
權(quán)利要求1.一種人造金剛石合成參數(shù)測試儀，其特征在于該測試儀由電壓輸入級(5)、電流輸入級(6)、模擬運(yùn)算級(7)、數(shù)顯電路(8)、電表指示電路(9)和電源電路(10)構(gòu)成，電壓輸入級的信號入口與合成壓機(jī)頂錘(2)上靠近合成腔(1)的交流低電壓信號采集點(diǎn)接通，在該電壓輸入級內(nèi)，W1R1R2D1D2及IC1一部分構(gòu)成電壓信號的同相輸入跟隨器及線性半波檢波器，R3R4R5C1及IC1的另一部分構(gòu)成積分電路。實(shí)現(xiàn)信號低通濾波及有效值量化，輸出直流電壓數(shù)值信號；電流輸入級的信號入口與合成壓機(jī)的互感器(L)接通，感應(yīng)交流電流信號進(jìn)入該級，在該電流輸入級內(nèi)，由R8R9構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換電路，W2R10R11D3D4及IC2一部分構(gòu)成電壓信號的同相輸入跟隨器及線性半波檢波器，R12R13R14C2及IC2另一部分構(gòu)成積分電路，輸出直流電壓數(shù)值信號；模擬運(yùn)算級的信號入口分別與電壓輸入級和電流輸入級的信號出口接通，在該級內(nèi)，通過IC1、IC2的部分運(yùn)放和IC3的部分運(yùn)放，與BG1BG2BG3BG4R6R7C3C4R15R16R17R18R19R20R21D5D6W3W4構(gòu)成溫度穩(wěn)定性很高的乘除法電路，對輸入的交流電的電壓和直流有效值進(jìn)行乘除模擬運(yùn)算，輸出運(yùn)算結(jié)果信號；信號入口與模擬運(yùn)算級信號出口接通的數(shù)顯電路，由R28R29構(gòu)成分壓器，IC4及其它附加電阻電容構(gòu)成模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，構(gòu)成3 1/2 位數(shù)顯示，由LED數(shù)字顯示乘除運(yùn)算結(jié)果和輸入的交流電的電壓和電流有效值；電表指示電路的信號入口與模擬運(yùn)算級信號出口連接，它由IC3一部分運(yùn)放及R23R24R25和表頭構(gòu)成，指示電流輸入級輸出的有效值電流電壓；電源電路由電源變壓器、全橋?yàn)V波電容、集成穩(wěn)壓塊構(gòu)成，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，同時為電壓輸入級、電流輸入級、模擬運(yùn)算級、數(shù)顯電路提供直流電源。
專利摘要本實(shí)用新型屬于組合發(fā)明，是用來測量人造金剛石合成參數(shù)的儀器，它由電壓輸入級、電流輸入級，模擬運(yùn)算級、數(shù)顯電路、電表指示電路、電源電路構(gòu)成，電壓輸入級從合成壓機(jī)頂錘靠近合成腔處采集電壓信號，電流輸入級從合成壓機(jī)的互感器上取得電流信號，因而所測得的合成腔內(nèi)耗功率能較真實(shí)地反映合成腔內(nèi)的溫度，還可測量反映人造金剛石合成生長狀況的合成腔內(nèi)電阻率，測量精度比已有技術(shù)高一個數(shù)量級。
文檔編號G01N25/20GK2082860SQ9021488
公開日1991年8月14日 申請日期1990年8月31日 優(yōu)先權(quán)日1990年8月31日
發(fā)明者羅湘捷 申請人:成都科技大學(xué)