旋轉(zhuǎn)型粘滯性規(guī)這類規(guī)中z*典型的結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)圓盤型粘滯規(guī)。下圖中，下圓盤A是一個(gè)由鎢軸H支撐的鋁的薄片，上圓盤C為25 μ m厚的云母片，由直徑為2 μ m、長(zhǎng)為15mm的石英絲懸吊起來，J是小鏡。小型永久磁鐵NS與H軸連成一體，用線圈G形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使圓盤A旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1000r/min～10000r/min。盤A通過氣體對(duì)盤C作用一個(gè)力偶矩，此力偶矩與壓力成正比。用光學(xué)方法測(cè)量小鏡J的扭轉(zhuǎn)角，就可計(jì)算出壓力，則有：
式中 θ——小鏡J的扭轉(zhuǎn)角;
K-與氣體性質(zhì)和動(dòng)量傳遞適應(yīng)系數(shù)有關(guān)的常數(shù);
τ ——振蕩周期;
r——旋轉(zhuǎn)圓盤A的半徑;
I-一圓盤C的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
w——旋轉(zhuǎn)角速率。
旋轉(zhuǎn)圓盤粘滯性規(guī)的量程為10Pa～l0-4 Pa。
衰減型粘滯性規(guī)在低壓氣體中，用細(xì)絲懸吊的圓盤作水平擺動(dòng)時(shí)，會(huì)因氣體的阻尼作用使圓盤擺動(dòng)的振幅逐漸衰減，其運(yùn)動(dòng)方程如下
式中 θ——擺動(dòng)角;
I一轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
Ra——氣體粘滯性產(chǎn)生的阻尼;
Ri——細(xì)絲本身引起的阻尼;
K-常數(shù)。
圓盤振幅衰減一半所需的時(shí)間tr 與壓力p的關(guān)系為
式中 A和B-常數(shù)。
石英絲粘滯規(guī)是此類規(guī)中z*簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式。上圖中，石英絲的直徑為0.13mm，長(zhǎng)為70mm，其一端固定在玻璃殼上，敲擊玻璃殼就可使石英絲振動(dòng)。用光學(xué)方法測(cè)量半衰期tl，在10-2 Pa時(shí)，t約為200s。石英絲粘滯性規(guī)的量程約為10Pa—10-4 Pa。特別適于測(cè)量蒸氣和腐蝕性氣體。但是此規(guī)操作不方便，半衰期過長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)脆羈，對(duì)外部振動(dòng)干擾敏感，故不適宜在工業(yè)上使用。
磁懸浮轉(zhuǎn)子粘滯性規(guī)是一種新型的衰減型粘滯性規(guī)。雖然它的原理早在1937年就由赫爾姆斯( Helmes)進(jìn)行了描述，但直到1973年Fremerey應(yīng)用一小尺寸永久磁體懸浮才真正完成了磁懸浮轉(zhuǎn)子粘滯性規(guī)的實(shí)用性，通過在轉(zhuǎn)子頻率信號(hào)測(cè)量方面的一些改進(jìn)，于1979年正式投入商業(yè)使用。磁懸浮轉(zhuǎn)子粘滯性規(guī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示，規(guī)管內(nèi)有一個(gè)懸浮在真空中自由旋轉(zhuǎn)的直徑約4.5mm的金屬小球(轉(zhuǎn)子)，規(guī)管外有一對(duì)永久磁體和三組電磁線圈。轉(zhuǎn)子受到的重力和永久磁體所施加的磁力相互抵消，但這種懸浮不穩(wěn)定，因此一組垂直布置的電磁線圈用以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的懸浮位置，使轉(zhuǎn)子懸浮在穩(wěn)定位置。另兩組水平對(duì)稱布置的正交電磁線圈采用相移900的雙相電源供電，以形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子加速到410Hz左右。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)停止后，轉(zhuǎn)子在真空中自由旋轉(zhuǎn)，在氣體分子的作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將衰減，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的衰減率通過一組旋轉(zhuǎn)電磁線圈來測(cè)量，磁懸浮轉(zhuǎn)子粘滯性規(guī)就是利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的相對(duì)衰減率與氣體壓力成正比的關(guān)系來測(cè)量壓力的。
磁懸浮轉(zhuǎn)子粘滯性規(guī)測(cè)量壓力的基本公式為
p-壓力
v-氣體分子的平均速度;
ρ-轉(zhuǎn)子材料的密度;
d-轉(zhuǎn)子的直徑;
σ ——切向動(dòng)量傳遞系數(shù);
——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的相對(duì)衰減率。
上式在分子流條件下成立，隨著氣體壓力的增大，氣體的性質(zhì)將從分子流向粘滯流過渡，本式不再適用，磁懸浮轉(zhuǎn)子粘滯性規(guī)的測(cè)量范圍約為1Pa—l0-4 Pa。
磁懸浮轉(zhuǎn)子粘滯性規(guī)在氣體分子存在的條件下工作時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將衰減，其原因有兩個(gè)，一是轉(zhuǎn)子的動(dòng)量傳遞給與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰撞的分子(分子阻尼)，二是轉(zhuǎn)子磁矩的旋轉(zhuǎn)分量產(chǎn)生的渦旋電流引起的損耗及雜散磁場(chǎng)產(chǎn)生的阻尼(殘余阻尼)?？紤]這兩種阻尼，上式應(yīng)修正為
第一種阻尼是測(cè)量壓力的依據(jù)，第二種阻尼與氣體的壓力無關(guān)，測(cè)量時(shí)應(yīng)扣除。中第一項(xiàng)代表兩種阻尼的總和，第二項(xiàng)代表與壓力無關(guān)的殘余阻尼，二者抵消后就是氣體分子引起的阻尼。因此實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)采用式，這就要求在壓力測(cè)量前準(zhǔn)確確定殘余阻尼。測(cè)量殘余阻尼要在足夠高的真空條件下進(jìn)行，這時(shí)殘余阻尼相對(duì)于分子阻尼成為主要的，分子阻尼可以忽略。
磁懸浮轉(zhuǎn)子粘滯性規(guī)的轉(zhuǎn)子無需機(jī)械懸吊，內(nèi)部沒有電子、離子、熱和輻射產(chǎn)生，測(cè)量時(shí)不改變氣體成分和壓力，規(guī)殼體積小(僅幾毫升)，吸放氣現(xiàn)象可以忽略，無抽氣效應(yīng)，這些顯著優(yōu)點(diǎn)使磁懸浮轉(zhuǎn)子粘滯性規(guī)獲得越來越多的應(yīng)用。該規(guī)還具有很好的穩(wěn)定性，是目前中高真空范圍內(nèi)性能z*為優(yōu)良的一種真空規(guī)，經(jīng)常作為參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其它真空規(guī)進(jìn)行校準(zhǔn)或作為真空標(biāo)準(zhǔn)之間比對(duì)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)。
諧振型粘滯性規(guī)此類規(guī)的早期結(jié)構(gòu)是在規(guī)管的垂直方向安置一根張緊的細(xì)絲，當(dāng)細(xì)絲在諧振頻率下振動(dòng)時(shí)，氣體的阻尼效應(yīng)會(huì)使細(xì)絲的振幅衰減，如采用一驅(qū)動(dòng)信號(hào)使細(xì)絲維持等幅振蕩，則通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小就可以求得氣體壓力。
下圖是一種稱為“Reva”型的粘滯性規(guī)。把放置在永久磁鐵2的縫隙間的金屬絲3通以交流電，并使絲振動(dòng)，隨著壓力的增減，要維持絲的振幅不變，絲中電流需隨之增減，借此來測(cè)量真空度。此規(guī)量程為10^5Pa—10^ -1Pa。但z*常用的測(cè)量范圍是10Pa—l0^ -1Pa。在壓力區(qū)間內(nèi)，規(guī)的輸出信號(hào)與壓力p間呈線性關(guān)系。
另一種諧振型粘滯性規(guī)是一個(gè)由石英晶體組成的振蕩系統(tǒng)。借助電子學(xué)反饋技術(shù)，當(dāng)壓力改變時(shí)，要維持晶體在等幅諧振下工作，則必須改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小，借此達(dá)到測(cè)量的目的。
振動(dòng)薄膜規(guī)是一種更先進(jìn)的諧振型粘滯性規(guī)。
振動(dòng)薄膜規(guī)的外殼直徑為25.5mm，兩個(gè)對(duì)稱電極的直徑均為15mm，薄膜厚度為3μ m，兩側(cè)的電極與薄膜之間距離為70μ m左右，在兩電極上同時(shí)加有直流偏置電壓Vs (薄膜接地)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電極上疊加一個(gè)頻率與薄膜的固有頻率相同的交流電壓時(shí)，在靜電力作用下薄膜會(huì)產(chǎn)生諧振。因氣體的阻尼效應(yīng)，薄膜振幅會(huì)隨壓力而變化，并引起振膜與測(cè)量電極之間的電容的變化，從而導(dǎo)致測(cè)量電極輸出一個(gè)隨壓力而變化的交流電壓，借以指示壓力。
此外，還可以用改變驅(qū)動(dòng)電壓大小，維持振膜振幅不變的方法，來測(cè)量氣體壓力。驅(qū)動(dòng)電壓與氣體壓力的關(guān)系如下：
在低壓力時(shí)
在高壓力時(shí)
式中 v 1——交流驅(qū)動(dòng)電壓幅值
rp-電極半徑;
Xp-薄膜與電極間距;
a0-振膜平均振幅;
e-介電常數(shù);
β-一氣體動(dòng)量傳輸系數(shù);
w——振動(dòng)的角頻率;
η ——氣體粘滯系數(shù)。
當(dāng)維持振膜的振幅不變時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓幅值V1可用來指示氣體壓力。在低壓力時(shí)，vl與壓力p成正比;在高壓力時(shí)，VI與p成正比(n≈1.4)。
在更高壓力時(shí)，由于規(guī)中存在聲學(xué)諧振和薄膜振蕩模式的跳變，甚至由于氣體粘滯性過大而使薄膜不能起振，從而限制了振膜規(guī)測(cè)量更高的壓力。另一方面由于薄膜自身的內(nèi)摩擦損耗和電子線路的靜電損耗，限制了振膜規(guī)測(cè)量更低的壓力。振膜規(guī)的量程約為3.3×10^4Pa—l0^-2Pa。
振動(dòng)薄膜規(guī)閉環(huán)電路方塊圖
振動(dòng)薄膜規(guī)具有量程寬、精度高(≤±2%)、反應(yīng)快、結(jié)構(gòu)牢固等特點(diǎn)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作工藝?yán)щy等原因，各規(guī)管特性之間零散性較大。因此要求每個(gè)規(guī)管與電子線路配套，逐臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)，這給成批生產(chǎn)和在工業(yè)上大量使用帶來一定困難。
