計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計技術(shù)分析

摘" 要：自磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計技術(shù)應(yīng)用以來，得到穩(wěn)步推進，但隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)對測量精度要求日益提高，如何進一步提升磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計的測量精度與穩(wěn)定性已勢在必行?；诖?，將從計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計分析著手分析，對計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計的結(jié)構(gòu)進行詳細探尋，對其在真空測量領(lǐng)域的優(yōu)勢進行深入分析，深入剖析計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計技術(shù)，旨在進一步提升該技術(shù)性能與應(yīng)用效果，推動其在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性真空測量。

關(guān)鍵詞：計量級;磁懸浮;轉(zhuǎn)子;真空計;測量精度

中圖分類號：TB7" " " 文獻標(biāo)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(zhuǎn)子真空計技術(shù)，通過磁懸浮原理實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮與高速旋轉(zhuǎn)，可避免傳統(tǒng)機械接觸式真空計中的摩擦及磨損問題，使測量精度及穩(wěn)定性得到提升。結(jié)合先進檢測系統(tǒng)與智能控制算法，計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計可在各種復(fù)雜環(huán)境下提供真空度讀數(shù)，為科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)及質(zhì)量控制提供技術(shù)支持。探討計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計技術(shù)原理、優(yōu)化設(shè)計及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用前景，以推動技術(shù)持續(xù)發(fā)展[1]。

1" 計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計的結(jié)構(gòu)

計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計主要是由真空腔體、磁懸浮系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)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(nèi)部氣體泄漏及外界雜質(zhì)侵入。真空腔體壁厚與腔體材料、尺寸及工作環(huán)境有直接關(guān)聯(lián)。且腔體上配備金屬密封環(huán)、O型圈等高精度的密封結(jié)構(gòu)，可在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定密封效果。真空腔體上還設(shè)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(nèi)部氣體進行釋放。抽氣口連接真空泵系統(tǒng)，通過抽氣操作將腔體內(nèi)氣體排出，使用放氣閥對腔體內(nèi)氣體釋放速度及釋放量進行準確控制。

1.2" 磁懸浮系統(tǒng)

磁懸浮系統(tǒng)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(chǎn)生所需電磁力。磁懸浮系統(tǒng)可對轉(zhuǎn)子懸浮高度進行實時監(jiān)測，通過調(diào)整電磁鐵電流來使轉(zhuǎn)子對懸浮位置進行確定，使懸浮穩(wěn)定狀態(tài)得到保障。再者，磁懸浮系統(tǒng)具有快速動態(tài)響應(yīng)能力，可在短時間內(nèi)對轉(zhuǎn)子懸浮狀態(tài)做出調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界因素影響發(fā)生位移變化時，磁懸浮系統(tǒng)可迅速感知并作出反應(yīng)，通過對電磁力進行調(diào)整，可使轉(zhuǎn)子快速回到平衡位置，使測量的連續(xù)性及準確性得到保證。在磁懸浮系統(tǒng)中，電磁鐵電流及所產(chǎn)生懸浮力間存在對應(yīng)關(guān)系。通過對電流大小準確控制，可實現(xiàn)對懸浮力精確調(diào)節(jié)[2]。

1.3" 轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)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(huán)境穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子直徑為4.5 mm，精確控制可減少因轉(zhuǎn)子尺寸變化所引起的測量誤差。轉(zhuǎn)子被設(shè)計為球形或近似球形，以最小化空氣動力學(xué)效應(yīng)對測量的影響。球形誤差應(yīng)在±0.13 μm以內(nèi)，使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定動態(tài)特性得到保證，減少氣體分子與轉(zhuǎn)子表面摩擦，提高測量精度。轉(zhuǎn)子質(zhì)量在反復(fù)測量配重基礎(chǔ)上，可在懸浮狀態(tài)下具有良好的平衡性能，還可減少因轉(zhuǎn)子不平衡所引起的振動及噪聲，使測量準確性得到保障。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場關(guān)閉后，轉(zhuǎn)子會因慣性而持續(xù)旋轉(zhuǎn)，并在氣體分子撞擊下逐漸減速。在此情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速衰減與真空室內(nèi)氣體壓力有直接關(guān)聯(lián)，可對真空度進行精確測量。

1.4" 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)由多組驅(qū)動線圈組成，線圈分布在真空腔體適當(dāng)位置，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。真空室兩側(cè)設(shè)置有一對驅(qū)動線圈，每個線圈的匝數(shù)、電流及磁場強度需準確調(diào)試，每側(cè)各128匝，線圈最大工作電流為3 A，使產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場可穩(wěn)定、高效地驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場具有穩(wěn)定頻率及強度，旋轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同測量需求及轉(zhuǎn)子特性。通過優(yōu)化線圈布局、電流控制和磁場調(diào)節(jié)等參數(shù)，驅(qū)動系統(tǒng)可在低能耗下實現(xiàn)高效率驅(qū)動，保證轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。

1.5" 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)配備高精度位移傳感器及壓力傳感器，可對轉(zhuǎn)子懸浮位置或真空腔內(nèi)氣體壓力變化進行準確監(jiān)測。采用激光位移傳感器，可檢測到轉(zhuǎn)子因氣體壓力變化所產(chǎn)生位移情況。傳感器采集到信號在處理后電路會發(fā)生放大、濾波及轉(zhuǎn)換，以消除噪聲干擾并轉(zhuǎn)換為易于處理的數(shù)字信號。信號處理電路設(shè)計考慮低噪聲、高穩(wěn)定性及快速響應(yīng)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(shù)據(jù)采集速率為10 kHz，使測量結(jié)果準確性及實時性得到保證。數(shù)據(jù)采集單元負責(zé)將處理后數(shù)字信號進行高速采集存儲，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)預(yù)設(shè)算法對采集到數(shù)據(jù)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(tǒng)

控制系統(tǒng)采用電磁懸浮技術(shù)，對電磁鐵中電流大小及方向進行精確控制，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子重力相平衡的電磁力，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在預(yù)定高度?？刂葡到y(tǒng)還負責(zé)驅(qū)動轉(zhuǎn)子在真空腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，通過控制驅(qū)動線圈中電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子在磁場作用下實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度可通過調(diào)節(jié)電流大小及頻率進行控制，以滿足不同測量需求?？刂葡到y(tǒng)還配備高精度位移傳感器及速度傳感器，可對轉(zhuǎn)子懸浮位置及旋轉(zhuǎn)速度實時監(jiān)測。傳感器將采集到信號傳輸給控制系統(tǒng)進行處理分析，可對控制參數(shù)進行調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)子在預(yù)定狀態(tài)下穩(wěn)定運行。通過對傳感器采集到的信號進行處理，控制系統(tǒng)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(tǒng)還可按照測量結(jié)果及預(yù)設(shè)的閾值進行自動調(diào)整，使測量精度得到保障。

2" 計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計技術(shù)

2.1" 技術(shù)要點

技術(shù)要點見表1。

2.1.1" 高精度磁懸浮技術(shù)

對電流進行準確控制，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在預(yù)定高度上穩(wěn)定懸浮，懸浮位置的波動范圍控制在±0.01 μm區(qū)間內(nèi)，可減少因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子懸浮位置及旋轉(zhuǎn)速度進行確定，按照傳感器反饋數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)可對電磁鐵中電流大小及方向做出調(diào)整，使轉(zhuǎn)子自身不平衡得到改善，保證轉(zhuǎn)子在動態(tài)過程中保持高度穩(wěn)定。還應(yīng)采用電磁屏蔽技術(shù)，減少電磁干擾對測量系統(tǒng)的影響，以免對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。通過振動隔離裝置將真空計與外部環(huán)境隔離，還可減少外界振動對轉(zhuǎn)子懸浮狀態(tài)變化產(chǎn)出的影響。

2.1.2" 精密轉(zhuǎn)子設(shè)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(zhuǎn)子被設(shè)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(xué)效應(yīng)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(zhuǎn)子表面摩擦，提高測量精度。轉(zhuǎn)子在加工過程中需經(jīng)過動平衡測試，使其在旋轉(zhuǎn)過程中不產(chǎn)生額外振動及噪聲，保持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。加工采用數(shù)控機床及精密測量儀器，使直徑公差控制在±0.001 mm以內(nèi)，同軸度誤差小于0.01 mm。轉(zhuǎn)子在加工完成后進行熱處理，以消除內(nèi)部應(yīng)力，提高材料機械性能。表面還需經(jīng)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(wěn)定驅(qū)動檢測系統(tǒng)

應(yīng)選用高精度直流電機或步進電機，提供穩(wěn)定、可控驅(qū)動力矩，且轉(zhuǎn)速波動范圍在±1 rpm，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)保持穩(wěn)定狀態(tài)。通過閉環(huán)電流控制系統(tǒng)，可對電機驅(qū)動電流進行精確控制，對轉(zhuǎn)速進行合理調(diào)節(jié)。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(zhuǎn)子振動進行監(jiān)測控制，傳感器分辨率可達0.1 μm。采用先進數(shù)字信號處理技術(shù)，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(yīng)構(gòu)建反饋機制，將傳感器檢測到的轉(zhuǎn)子振動及加速度信息向控制系統(tǒng)反饋，以便對電機驅(qū)動電流及轉(zhuǎn)速做出調(diào)試，以應(yīng)對外界因素影響。

2.1.4" 智能控制校準處理

系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置電容式或壓阻式傳感器，可對真空室內(nèi)壓力變化進行監(jiān)測，測量可達±0.01 Pa，使校準更為準確。系統(tǒng)內(nèi)置智能算法，可根據(jù)預(yù)設(shè)校準標(biāo)準，對轉(zhuǎn)子懸浮高度、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)進行自動調(diào)整，以達到最佳測量狀態(tài)。在校準過程中，系統(tǒng)可將真空室內(nèi)的壓力從大氣壓逐步降低至目標(biāo)真空度，每個校準點均反復(fù)測量，使測量數(shù)據(jù)更加準確。校準環(huán)境溫度設(shè)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(zhuǎn)子真空計安裝于靜態(tài)膨脹法真空標(biāo)準裝置上，連接傳感器及監(jiān)測設(shè)備，在初始狀態(tài)下，記錄轉(zhuǎn)子在無氣體分子干擾下的自然衰減速度。

校準數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)采集卡進行實時采集，系統(tǒng)利用內(nèi)置數(shù)據(jù)處理軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析，對曲線、校準系數(shù)等參數(shù)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(tǒng)還具備遠程監(jiān)控及故障診斷功能，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)連接遠程訪問系統(tǒng)界面，對真空計工作狀態(tài)及校準結(jié)果進行監(jiān)測。系統(tǒng)內(nèi)置故障診斷模塊可自動檢測并識別潛在故障源，當(dāng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，可有效降低維護成本，減少停機時間。

2.2" 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計見表2。

2.2.1" 磁力平衡優(yōu)化

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

優(yōu)化后設(shè)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(yīng)強度高達1.2 T，為其提供充足懸浮力。在磁力平衡優(yōu)化過程中，磁線圈電流控制在50～200 mA范圍內(nèi)，對應(yīng)產(chǎn)生磁力變化量在±0.1 μm范圍內(nèi)浮動。還應(yīng)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，引入閉環(huán)控制算法，對轉(zhuǎn)子位置準確檢查，并將其反饋至控制系統(tǒng)，通過調(diào)整電磁線圈的電流實現(xiàn)快速響應(yīng)。在優(yōu)化后的磁力平衡系統(tǒng)下，轉(zhuǎn)子懸浮波動在±0.05 μm區(qū)間內(nèi)。

2.2.2" 轉(zhuǎn)子形狀優(yōu)化

優(yōu)化方案采用流線型設(shè)計，轉(zhuǎn)子表面經(jīng)過打磨加工，形成微小凹槽和凸起，微結(jié)構(gòu)增強轉(zhuǎn)子表面平滑度，優(yōu)化氣流在轉(zhuǎn)子表面流動路徑，降低空氣阻力。轉(zhuǎn)子作為磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計核心部件，其形狀設(shè)計對懸浮穩(wěn)定性及測量精度有直接影響。應(yīng)采用直徑為Φ50 mm、表面粗糙度Ra≤0.01 μm球形轉(zhuǎn)子，以減少與周圍環(huán)境的接觸面積，降低摩擦阻力，使轉(zhuǎn)子對稱性及旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性得到保障。轉(zhuǎn)子表面采用精密加工技術(shù)，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(zhuǎn)子動態(tài)平衡性，減小因表面不平整所產(chǎn)生的測量誤差。轉(zhuǎn)子材質(zhì)應(yīng)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(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)下保持穩(wěn)定狀態(tài)，在長時間連續(xù)測量過程中，轉(zhuǎn)子位置波動幅度保持在±0.02 μm以內(nèi)，使測量結(jié)果穩(wěn)定不受影響。

2.2.3" 驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化

動線圈布局采用非對稱多極設(shè)計，以產(chǎn)生更加均勻且穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場，減少磁場畸變，提高轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)可動態(tài)調(diào)整電流大小與頻率，使轉(zhuǎn)子在不同工況下均能維持最佳旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。驅(qū)動線圈設(shè)計上，直徑為2 mm、匝數(shù)為500匝精密漆包線，使電流通過時可產(chǎn)生足夠電磁力。對線圈進行合理布局，使得電磁力在轉(zhuǎn)子表面均勻分布，減少懸浮過程中的不穩(wěn)定性。在電源控制方面，采用直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓穩(wěn)定在±0.01 V以內(nèi)。

還應(yīng)引入脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)對驅(qū)動電流的合理調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度可達到0.1 mA，使驅(qū)動系統(tǒng)可根據(jù)轉(zhuǎn)子實時位置與速度變化，對電磁力大小進行調(diào)整。通過大量實驗數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化算法參數(shù)，使系統(tǒng)在不同工況下均能保持較高的控制穩(wěn)定性。在驅(qū)動系統(tǒng)中集成高精度位置傳感器和速度傳感器，實時監(jiān)測轉(zhuǎn)子的位置和速度信息。根據(jù)傳感器反饋的信息，實時調(diào)整驅(qū)動電流和磁場分布，實現(xiàn)閉環(huán)控制，確保轉(zhuǎn)子在預(yù)定位置穩(wěn)定懸浮。

2.2.4" 檢測系統(tǒng)優(yōu)化

針對檢測系統(tǒng)，應(yīng)使用高精度電渦流傳感器，并對其進行優(yōu)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(jiān)測轉(zhuǎn)子在真空環(huán)境中的軸向位移。通過優(yōu)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(shè)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(biāo)準真空環(huán)境下，測量結(jié)果偏差為±0.002 Pa，標(biāo)準差為0.001 Pa，可保證性能穩(wěn)定。

傳感器的測量覆蓋從低真空到高真空的廣泛區(qū)間。經(jīng)過長時間運行測試，傳感器在連續(xù)工作24 h內(nèi)的漂移量小于0.005 μm，確保了長期測量穩(wěn)定性，引入自適應(yīng)數(shù)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(shù)據(jù)融合技術(shù)，將電渦流傳感器、溫度傳感器和氣壓傳感器的數(shù)據(jù)綜合處理，提高測量結(jié)果準確性。優(yōu)化后的信號處理算法將處理時間縮短至1 ms以內(nèi)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子狀態(tài)的實時監(jiān)測。自動校準系統(tǒng)采用高精度標(biāo)準源進行比對校準，校準后的測量誤差控制在±0.001 Pa以內(nèi)，采用高性能數(shù)據(jù)采集卡，采樣率提升至10 kHz，確保高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子動態(tài)特性準確捕捉。在軟件層面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和存儲的一體化設(shè)計，提高系統(tǒng)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(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進步及應(yīng)用需求日益增長，計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計技術(shù)將繼續(xù)深化發(fā)展。在材料科學(xué)、精密制造、智能控制等領(lǐng)域的交叉融合中，進一步提升其測量精度、穩(wěn)定性和可靠性，拓寬其應(yīng)用范圍。計量級磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計技術(shù)需不斷吸收新型科技成果，優(yōu)化設(shè)計方案，提升性能指標(biāo)，以滿足各行業(yè)的實際需求，以推動技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，為科技進步及社會發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

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