計量級磁懸浮轉子真空計技術分析

摘" 要：自磁懸浮轉子真空計技術應用以來，得到穩步推進，但隨著科學技術不斷發展及工業生產對測量精度要求日益提高，如何進一步提升磁懸浮轉子真空計的測量精度與穩定性已勢在必行?；诖?，將從計量級磁懸浮轉子真空計分析著手分析，對計量級磁懸浮轉子真空計的結構進行詳細探尋，對其在真空測量領域的優勢進行深入分析，深入剖析計量級磁懸浮轉子真空計技術，旨在進一步提升該技術性能與應用效果，推動其在更多領域實現高精度、高穩定性真空測量。

關鍵詞：計量級;磁懸浮;轉子;真空計;測量精度

中圖分類號：TB7" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0193-04

Abstract： Since the application of magnetic levitation rotor vacuum gauge technology， it has been steadily advanced， but with the continuous development of science and technology and the increasing demand for measurement accuracy in industrial production， how to further improve the measurement accuracy and stability of magnetic levitation rotor vacuum gauge has become imperative. Based on this， starting from the analysis of metrological maglev rotor vacuum gauge， the structure of the metrological maglev rotor vacuum gauge is explored in detail， its advantages in the field of vacuum measurement are deeply analyzed， and the metrological maglev rotor vacuum gauge technology is deeply analyzed， aiming to further improve the performance and application effect of this technology and promote it to achieve high-precision and high-stability vacuum measurement in more fields.

Keywords： metrological; magnetic levitation; rotor; vacuum gauge; measurement accuracy

計量級磁懸浮轉子真空計技術，通過磁懸浮原理實現轉子的穩定懸浮與高速旋轉，可避免傳統機械接觸式真空計中的摩擦及磨損問題，使測量精度及穩定性得到提升。結合先進檢測系統與智能控制算法，計量級磁懸浮轉子真空計可在各種復雜環境下提供真空度讀數，為科學研究、工業生產及質量控制提供技術支持。探討計量級磁懸浮轉子真空計技術原理、優化設計及其在各領域的應用前景，以推動技術持續發展[1]。

1" 計量級磁懸浮轉子真空計的結構

計量級磁懸浮轉子真空計主要是由真空腔體、磁懸浮系統、轉子、驅動系統、檢測系統以及控制系統等部分組成。

1.1" 真空腔體

真空腔體主要采用304L、316L不銹鋼或鋁合金等高純度、低氣體釋放率金屬材料制成，此類材料具有較強密封性及耐腐蝕性，可避免腔體內部氣體泄漏及外界雜質侵入。真空腔體壁厚與腔體材料、尺寸及工作環境有直接關聯。且腔體上配備金屬密封環、O型圈等高精度的密封結構，可在長時間內保持穩定密封效果。真空腔體上還設置有抽氣口及放氣閥，可在測量前對腔體進行抽真空，還可在測量后將內部氣體進行釋放。抽氣口連接真空泵系統，通過抽氣操作將腔體內氣體排出，使用放氣閥對腔體內氣體釋放速度及釋放量進行準確控制。

1.2" 磁懸浮系統

磁懸浮系統主要由多組電磁鐵組合而成，電磁鐵分布在真空腔體的周圍，可對電流大小、方向準確控制，以便產生所需電磁力。磁懸浮系統可對轉子懸浮高度進行實時監測，通過調整電磁鐵電流來使轉子對懸浮位置進行確定，使懸浮穩定狀態得到保障。再者，磁懸浮系統具有快速動態響應能力，可在短時間內對轉子懸浮狀態做出調整。當轉子受到外界因素影響發生位移變化時，磁懸浮系統可迅速感知并作出反應，通過對電磁力進行調整，可使轉子快速回到平衡位置，使測量的連續性及準確性得到保證。在磁懸浮系統中，電磁鐵電流及所產生懸浮力間存在對應關系。通過對電流大小準確控制，可實現對懸浮力精確調節[2]。

1.3" 轉子

轉子主要由高純度、低氣體釋放率金屬材料制成，所采用GCr15高碳鉻軸承鋼，以保證真空環境穩定，轉子直徑為4.5 mm，精確控制可減少因轉子尺寸變化所引起的測量誤差。轉子被設計為球形或近似球形，以最小化空氣動力學效應對測量的影響。球形誤差應在±0.13 μm以內，使轉子在旋轉過程中的穩定動態特性得到保證，減少氣體分子與轉子表面摩擦，提高測量精度。轉子質量在反復測量配重基礎上，可在懸浮狀態下具有良好的平衡性能，還可減少因轉子不平衡所引起的振動及噪聲，使測量準確性得到保障。當旋轉磁場關閉后，轉子會因慣性而持續旋轉，并在氣體分子撞擊下逐漸減速。在此情況下，轉子轉速衰減與真空室內氣體壓力有直接關聯，可對真空度進行精確測量。

1.4" 驅動系統

驅動系統由多組驅動線圈組成，線圈分布在真空腔體適當位置，以產生旋轉磁場。真空室兩側設置有一對驅動線圈，每個線圈的匝數、電流及磁場強度需準確調試，每側各128匝，線圈最大工作電流為3 A，使產生旋轉磁場可穩定、高效地驅動轉子旋轉。驅動系統產生旋轉磁場具有穩定頻率及強度，旋轉磁場頻率及強度可通過控制線圈中電流大小及方向進行調節，以適應不同測量需求及轉子特性。通過優化線圈布局、電流控制和磁場調節等參數，驅動系統可在低能耗下實現高效率驅動，保證轉子在旋轉過程中保持穩定狀態。

1.5" 檢測系統

檢測系統配備高精度位移傳感器及壓力傳感器，可對轉子懸浮位置或真空腔內氣體壓力變化進行準確監測。采用激光位移傳感器，可檢測到轉子因氣體壓力變化所產生位移情況。傳感器采集到信號在處理后電路會發生放大、濾波及轉換，以消除噪聲干擾并轉換為易于處理的數字信號。信號處理電路設計考慮低噪聲、高穩定性及快速響應等要求，正常情況下，信號處理電路噪聲水平小于等于1 mV，數據采集速率為10 kHz，使測量結果準確性及實時性得到保證。數據采集單元負責將處理后數字信號進行高速采集存儲，數據處理單元根據預設算法對采集到數據進行處理分析，并通過顯示屏或通信接口向用戶準確傳遞[3]。

1.6" 控制系統

控制系統采用電磁懸浮技術，對電磁鐵中電流大小及方向進行精確控制，產生與轉子重力相平衡的電磁力，使轉子穩定懸浮在預定高度。控制系統還負責驅動轉子在真空腔內高速旋轉，通過控制驅動線圈中電流，產生旋轉磁場，使轉子在磁場作用下實現旋轉。旋轉速度可通過調節電流大小及頻率進行控制，以滿足不同測量需求。控制系統還配備高精度位移傳感器及速度傳感器，可對轉子懸浮位置及旋轉速度實時監測。傳感器將采集到信號傳輸給控制系統進行處理分析，可對控制參數進行調節，使轉子在預定狀態下穩定運行。通過對傳感器采集到的信號進行處理，控制系統可對真空度值進行計算，憑借顯示屏或通信接口輸出給用戶?？刂葡到y還可按照測量結果及預設的閾值進行自動調整，使測量精度得到保障。

2" 計量級磁懸浮轉子真空計技術

2.1" 技術要點

技術要點見表1。

2.1.1" 高精度磁懸浮技術

對電流進行準確控制，可實現轉子在預定高度上穩定懸浮，懸浮位置的波動范圍控制在±0.01 μm區間內，可減少因轉子位置變化引起測量誤差。配備高精度位移傳感器及速度傳感器，可對轉子懸浮位置及旋轉速度進行確定，按照傳感器反饋數據，控制系統可對電磁鐵中電流大小及方向做出調整，使轉子自身不平衡得到改善，保證轉子在動態過程中保持高度穩定。還應采用電磁屏蔽技術，減少電磁干擾對測量系統的影響，以免對測量結果產生影響。通過振動隔離裝置將真空計與外部環境隔離，還可減少外界振動對轉子懸浮狀態變化產出的影響。

2.1.2" 精密轉子設計加工

選用高純度、低氣體釋放率金屬材料，采用如GCr15高碳鉻軸承鋼，轉子被設計為球形或近似球形，球形誤差小于等于0.1 μm，以最小化空氣動力學效應對測量的影響。表面粗糙度Ra值達到0.01 μm，以減少氣體分子與轉子表面摩擦，提高測量精度。轉子在加工過程中需經過動平衡測試，使其在旋轉過程中不產生額外振動及噪聲，保持穩定旋轉狀態。加工采用數控機床及精密測量儀器，使直徑公差控制在±0.001 mm以內，同軸度誤差小于0.01 mm。轉子在加工完成后進行熱處理，以消除內部應力，提高材料機械性能。表面還需經過鍍層、氧化等處理，使其耐腐蝕性及耐磨性得到增強。

2.1.3" 穩定驅動檢測系統

應選用高精度直流電機或步進電機，提供穩定、可控驅動力矩，且轉速波動范圍在±1 rpm，使轉子旋轉保持穩定狀態。通過閉環電流控制系統，可對電機驅動電流進行精確控制，對轉速進行合理調節。電流控制精度可達±0.1 mA，保證電機輸出力矩恒定。還需配備高精度位移傳感器及加速度傳感器，對轉子振動進行監測控制，傳感器分辨率可達0.1 μm。采用先進數字信號處理技術，對傳感器采集到信號進行濾波、放大解析，以獲取準確振動及加速度信息。還應構建反饋機制，將傳感器檢測到的轉子振動及加速度信息向控制系統反饋，以便對電機驅動電流及轉速做出調試，以應對外界因素影響。

2.1.4" 智能控制校準處理

系統內部設置電容式或壓阻式傳感器，可對真空室內壓力變化進行監測，測量可達±0.01 Pa，使校準更為準確。系統內置智能算法，可根據預設校準標準，對轉子懸浮高度、旋轉速度等參數進行自動調整，以達到最佳測量狀態。在校準過程中，系統可將真空室內的壓力從大氣壓逐步降低至目標真空度，每個校準點均反復測量，使測量數據更加準確。校準環境溫度設定為（20±0.5）℃，相對濕度不大于70%，確保無熱源、磁場等外界干擾。將磁懸浮轉子真空計安裝于靜態膨脹法真空標準裝置上，連接傳感器及監測設備，在初始狀態下，記錄轉子在無氣體分子干擾下的自然衰減速度。

校準數據通過高速數據采集卡進行實時采集，系統利用內置數據處理軟件對采集到的數據進行處理分析，對曲線、校準系數等參數進行校準處理，生成詳細校準報告。不僅如此，智能控制校準處理系統還具備遠程監控及故障診斷功能，用戶可通過網絡連接遠程訪問系統界面，對真空計工作狀態及校準結果進行監測。系統內置故障診斷模塊可自動檢測并識別潛在故障源，當發生故障時，系統會發出報警，可有效降低維護成本，減少停機時間。

2.2" 優化設計

優化設計見表2。

2.2.1" 磁力平衡優化

磁力平衡優化通過對懸浮系統中磁力分布進行優化，可實現轉子在真空環境中的穩定懸浮與精確控制。對電磁鐵電流進行精密調節，保證產生磁力與轉子重力及外界干擾力相平衡。要求控制系統具備較高靈敏度及快速響應能力，對轉子位置作出即時調整。基于交流電橋結構的交直流耦合頻域模型，可準確模擬轉子懸浮過程中的動態變化，為磁力平衡優化提供支持。通過實驗驗證與優化線圈半徑等參數，可有效減少交流激勵對懸浮控制的非線性影響。

優化后設計中，采用高性能永磁體作為懸浮力主要來源，其剩余磁感應強度高達1.2 T，為其提供充足懸浮力。在磁力平衡優化過程中，磁線圈電流控制在50～200 mA范圍內，對應產生磁力變化量在±0.1 μm范圍內浮動。還應提高系統穩定性，引入閉環控制算法，對轉子位置準確檢查，并將其反饋至控制系統，通過調整電磁線圈的電流實現快速響應。在優化后的磁力平衡系統下，轉子懸浮波動在±0.05 μm區間內。

2.2.2" 轉子形狀優化

優化方案采用流線型設計，轉子表面經過打磨加工，形成微小凹槽和凸起，微結構增強轉子表面平滑度，優化氣流在轉子表面流動路徑，降低空氣阻力。轉子作為磁懸浮轉子真空計核心部件，其形狀設計對懸浮穩定性及測量精度有直接影響。應采用直徑為Φ50 mm、表面粗糙度Ra≤0.01 μm球形轉子，以減少與周圍環境的接觸面積，降低摩擦阻力，使轉子對稱性及旋轉穩定性得到保障。轉子表面采用精密加工技術，可使球面度誤差小于0.1 μm極高精度[4]。高精度表面加工可提升轉子動態平衡性，減小因表面不平整所產生的測量誤差。轉子材質應選用低密度、高強度的不銹鋼合金，其密度為7.8 g/cm3，抗拉強度達到500 MPa，使轉子在高速旋轉下保持穩定狀態，在長時間連續測量過程中，轉子位置波動幅度保持在±0.02 μm以內，使測量結果穩定不受影響。

2.2.3" 驅動系統優化

動線圈布局采用非對稱多極設計，以產生更加均勻且穩定的旋轉磁場，減少磁場畸變，提高轉子旋轉平穩性。對轉子轉速與位置進行實時監測，系統可動態調整電流大小與頻率，使轉子在不同工況下均能維持最佳旋轉狀態。驅動線圈設計上，直徑為2 mm、匝數為500匝精密漆包線，使電流通過時可產生足夠電磁力。對線圈進行合理布局，使得電磁力在轉子表面均勻分布，減少懸浮過程中的不穩定性。在電源控制方面，采用直流穩壓電源，輸出電壓穩定在±0.01 V以內。

還應引入脈沖寬度調制技術，實現對驅動電流的合理調節，調節精度可達到0.1 mA，使驅動系統可根據轉子實時位置與速度變化，對電磁力大小進行調整。通過大量實驗數據訓練神經網絡，優化算法參數，使系統在不同工況下均能保持較高的控制穩定性。在驅動系統中集成高精度位置傳感器和速度傳感器，實時監測轉子的位置和速度信息。根據傳感器反饋的信息，實時調整驅動電流和磁場分布，實現閉環控制，確保轉子在預定位置穩定懸浮。

2.2.4" 檢測系統優化

針對檢測系統，應使用高精度電渦流傳感器，并對其進行優化與校準，該傳感器采用直徑1.5 mm探頭，測量精度達到±0.01 μm，可實時、準確地監測轉子在真空環境中的軸向位移。通過優化傳感器安裝位置與角度，保證測量信號準確。

在信號處理方面，采樣率設為10 kHz，濾除高頻噪聲與干擾信號，提高測量信號信噪比至80 dB以上。在標準真空環境下，測量結果偏差為±0.002 Pa，標準差為0.001 Pa，可保證性能穩定。

傳感器的測量覆蓋從低真空到高真空的廣泛區間。經過長時間運行測試，傳感器在連續工作24 h內的漂移量小于0.005 μm，確保了長期測量穩定性，引入自適應數字濾波算法，有效濾除高頻噪聲和低頻干擾。采用多傳感器數據融合技術，將電渦流傳感器、溫度傳感器和氣壓傳感器的數據綜合處理，提高測量結果準確性。優化后的信號處理算法將處理時間縮短至1 ms以內，實現對轉子狀態的實時監測。自動校準系統采用高精度標準源進行比對校準，校準后的測量誤差控制在±0.001 Pa以內，采用高性能數據采集卡，采樣率提升至10 kHz，確保高速旋轉轉子動態特性準確捕捉。在軟件層面，實現數據采集、處理、顯示和存儲的一體化設計，提高系統的易用性和效率。引入了智能診斷功能，自動識別并提示潛在故障。

3" 結束語

隨著科學技術不斷進步及應用需求日益增長，計量級磁懸浮轉子真空計技術將繼續深化發展。在材料科學、精密制造、智能控制等領域的交叉融合中，進一步提升其測量精度、穩定性和可靠性，拓寬其應用范圍。計量級磁懸浮轉子真空計技術需不斷吸收新型科技成果，優化設計方案，提升性能指標，以滿足各行業的實際需求，以推動技術創新發展，為科技進步及社會發展奠定堅實基礎。

參考文獻：

[1] 趙慶岳.壓力表的計量檢定與常見問題分析[J].品牌與標準化，2024（5）：219-221.

[2] 付政偉，楊水旺，蘇一鳴，等.冷原子量子真空計量技術綜述[J].工業計量，2024（4）：101-106.

[3] 冉崇信.壓力表計量檢定過程中的誤差及處置措施分析[J].中國機械，2024（20）：129-132.

[4] 孟繁琪，田亮，林浩，等.一種電動負壓吸附裝置在電力計量場景的擴展應用[J].電工技術，2024（S1）：318-319，323.