4. 真空压力测量与信号链

真空压力控制系统的闭环精度，首先取决于“测得准不准、传得稳不稳”。从 10⁵ Pa 大气到 10^-7 Pa 高真空，没有任何单一规管能覆盖全程，因此工程上通常采用多规组合、分段接力，再通过信号调理与控制器完成量程切换和闭环反馈。理解各规的物理原理、量程边界与信号特性，是选型、校准和系统集成的起点。

一、四类规管的原理与量程分工

电容薄膜规（CDG）属于直接测量绝对压力的力学式规管。其核心是一张极薄的金属膜片，一侧接被测真空、另一侧为密封参考真空（或参考腔）。压力差使膜片产生微小位移，改变膜片与固定电极间的电容，经解调电路输出与压力成正比的直流信号。CDG 的优点是读数与气体种类无关（真正绝对压力），在 10⁵～10^-1 Pa 范围内线性度好、重复性高，常作为过程控制的主反馈和校准基准。缺点是量程下限受膜片刚度与分辨率限制，通常单只规管覆盖 3～4 个数量级。

皮拉尼规（Pirani）是热传导式规管，利用气体导热随压力变化的规律：低压时气体稀薄、散热弱、灯丝温度升高、电阻增大。通过恒温或恒流电桥把电阻变化转为电压输出。它覆盖约 10⁵～10^-1 Pa，结构简单、成本低、耐污染，适合作为低真空段的监测与联锁。但其读数强烈依赖气体种类（对 He、H₂ 的灵敏度与 N₂ 差异可达数倍），且在高真空端趋于“饱和”，不能用于精确闭环。

电离规（热阴极电离规，Bayard-Alpert 型）通过热阴极发射电子，电子在栅极加速并与气体分子碰撞电离，收集极收集离子流。离子流与压力在较宽范围内成正比，覆盖约 10^-1～10^-8 Pa，是高真空与超高真空的主力规管。缺点是灯丝易烧断、易受污染，且同样依赖气体种类。

冷阴极规（反磁控规）在高压电场与磁场中产生潘宁放电，放电电流与压力相关，覆盖约 10^-2～10^-9 Pa。它无灯丝、抗振动、寿命长，适合恶劣工况；但启动存在延迟（点火时间），低真空端易熄弧，读数非线性且气体依赖性更强，通常用于监测而非精密控制。

二、信号链结构与量程接力

四类规管并非简单并联，而是按量程分段接入同一信号链。下图给出典型的多规信号链结构：各规管输出经前置放大、线性化、量程判别后，由控制器选择有效通道，最终形成统一的压力反馈信号。

图中可见，CDG 与 Pirani 在 10⁵～10^-1 Pa 存在大量程重叠，电离规与冷阴极规在 10^-2～10^-8 Pa 也存在重叠。重叠区正是量程切换的“交接带”，必须设置滞回阈值，否则压力在交叉点附近波动时会出现通道反复跳变，导致反馈信号抖动。

三、选型要点与工程判断

选型不是“越贵越好”，而是按控制目标、气体环境、洁净度和维护条件综合判断。以下给出典型场景的选型逻辑：

• 需要精确闭环控制（如镀膜、刻蚀）：主反馈优先选 CDG，量程覆盖工艺压力点，精度取读数的 0.2%～0.5%。若工艺压力低于 10^-1 Pa，则需 CDG 与电离规组合，CDG 负责 10^-1 Pa 以上，电离规负责以下。
• 仅需监测与联锁（如粗抽、预真空）：Pirani 足够，成本低、耐污染，但需按实际气体修正读数。
• 高真空监测、无精密控制要求：冷阴极规可替代电离规，避免灯丝烧断，但需接受点火延迟和较低精度。
• 腐蚀性气体或易污染工艺：优先 CDG（膜片可隔离）或冷阴极规；热阴极电离规灯丝易被腐蚀，需加保护或选用耐腐蚀涂层灯丝。

四、校准方法与实操要点

校准分为“零点校准”和“跨度校准”。CDG 的零点校准必须在已知高真空（优于 10^-3 Pa）下进行，此时膜片两侧压差可忽略，输出应归零；跨度校准则用标准压力源（如活塞式压力计或高精度 CDG 传递标准）在满量程 50%～100% 点比对。Pirani 的校准通常用干燥氮气在 10³、10¹、10⁰ Pa 三个点比对，记录输出偏差并写入修正曲线。电离规的校准需用校准过的 CDG 或标准电离规在 10^-2～10^-5 Pa 范围内逐点比对，同时记录发射电流和栅极电压，确保工作参数稳定。

五、信号调理的关键参数与配置示例

信号调理的核心任务是把不同规管的非线性、气体相关输出，统一为控制器可用的线性压力信号。典型调理链包括：前置放大 → 线性化 → 温度补偿 → 滤波 → 量程判别 → 输出。以下给出一个以 CDG + Pirani + 电离规三规组合的配置示例，供参考：

【三规组合信号调理配置示例】
规管1：CDG，量程 1000 Pa，输出 0–10 V（线性），精度 0.2% FS
规管2：Pirani，量程 10⁵–10⁻¹ Pa，输出 0–10 V（对数），气体 N₂
规管3：电离规，量程 10⁻¹–10⁻⁸ Pa，输出 0–10 V（对数），发射电流 0.1 mA

量程切换阈值（滞回 10%）：
  CDG → Pirani：P < 10 Pa 时切至 Pirani
  Pirani → CDG：P > 11 Pa 时切回 CDG
  Pirani → 电离规：P < 0.1 Pa 时切至电离规
  电离规 → Pirani：P > 0.11 Pa 时切回 Pirani

滤波：一阶低通，截止频率 2 Hz（兼顾响应与噪声）
输出：0–10 V 线性对应 10⁻⁸–10⁵ Pa（对数映射）
通信：RS-485，Modbus RTU，波特率 19200

该配置中，CDG 负责 10～1000 Pa 的精确控制段，Pirani 负责 0.1～10 Pa 的过渡段，电离规负责 10^-8～0.1 Pa 的高真空段。滞回设置避免了在 10 Pa 和 0.1 Pa 附近频繁切换。滤波截止频率 2 Hz 是折中值：过低会拖慢闭环响应，过高则引入机械泵和阀门动作的噪声。

六、常见问题与判断依据

实际调试中，压力读数异常往往不是规管本身故障，而是信号链某环节失配。例如：CDG 读数偏高但 Pirani 正常，可能是 CDG 零点漂移或参考腔泄漏；电离规读数偏低且发射电流不足，通常是灯丝老化或栅极污染；冷阴极规在 10^-1 Pa 附近无法点火，属于正常现象，应切换至 Pirani 或电离规。判断时先核对各规管在重叠区的读数一致性，若偏差超过 20%，再逐段排查调理电路和校准参数。

综上，真空压力测量信号链的设计，本质上是“量程接力 + 信号统一 + 校准溯源”三件事。选型时先明确控制精度和气体环境，再确定规管组合与重叠区滞回策略；校准必须覆盖实际工作压力段并记录修正曲线；信号调理则要兼顾线性化、滤波和量程判别，最终为控制器提供稳定、可信的压力反馈。