CN102305872B - 超导转子旋转轴偏移角速度的测量装置 - Google Patents

Abstract

超导转子旋转轴偏移角速度测量装置，其方位旋转平台(2)安放在基座(1)上，方位旋转平台(2)上安放旋转轴支架(3)，在旋转轴支架(3)上固定一个旋转轴(4)，低温容器(5)固定在旋转轴(4)上。在不同方位坐标下，通过控制随动调节线圈的电流，使在低温容器(5)内超导转子旋转轴保持竖直。记录调节线圈电流Ix和Iy数据，通过测试数学模型建立方程组，解出角速度调节标度系数Kx，Ky，最终通过公式计算得到偏移角速度的大小。

Description

超导转子旋转轴偏移角速度的测量装置

技术领域

本发明涉及一种角速度测试装置，特别涉及用于超导转子旋转轴偏移角速度测试装置。

背景技术

随着新型材料和低温技术的不断发展加快了超导技术的应用，超导体独特的物理特性能有着其它材料不可比拟的应用优势，如无阻载流能力、完全抗磁性以及量子相干效应等等。基于超导体各种特性研发的高精度超导仪器设备在能源、信息、环境探测、轨道交通、医疗诊断和科学仪器等方面有着重要的应用。具有一定角动量的转子，其旋转轴的偏移由外界干扰力矩决定。由于各种原因产生的干扰力矩使得转子旋转轴有微小的偏移，这些干扰力矩中一部分是有规律的，一部分是随机性的，在测量时需要对数据进行数学分析，从而得出准确度较高的测量结果。测试装置放在地球表面，受到重力加速度的影响，而除加速度外所有其它影响均可通过采取适当的措施来消除。要使装置具有指向功能，必须对转子旋转轴偏移的角速度进行评估，偏移角速度的大小是衡量装置精度的重要指标，因此对它的测量也非常关键，测量精度直接影响着系统的精度和性能优劣。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，实现超导转子旋转轴偏移角速度的测量，本发明提出了一种超导转子旋转轴偏移角速度的测量装置。本发明装置具有结构简便、测量精度高、成本低等特点。

本发明测量装置包括基座、方位旋转平台、旋转轴支架、旋转轴、低温容器、制冷机、防辐射屏、液氦容器、转子腔、超导转子、悬浮线圈、驱动线圈、光电传感器和随动调节线圈。

所述的方位旋转平台安放在基座上，方位旋转平台以地垂线为旋转轴360度旋转。方位旋转平台上安放旋转轴支架，在旋转轴支架上固定一个旋转轴，低温容器固定在旋转轴上，低温容器可在旋转轴上围绕旋转轴360度旋转。

所述的制冷机安装在低温容器的上端，低温容器内部通过拉杆固定卷筒形状的防辐射屏，在防辐射屏筒内布置液氦容器，液氦容器通过螺钉固定在制冷机的二级冷头下端。在液氦容器内部通过拉杆固定转子腔。超导转子位于转子腔内，转子腔上下端布置有悬浮线圈，通过所述的的悬浮线圈使超导转子悬浮。驱动线圈和随动调节线圈包括x轴调节线圈和y轴调节线圈布置在超导转子内孔中，驱动线圈布置在超导转子内孔中心附近位置，随动调节线圈布置在超导转子内孔中轴线方向上驱动线圈的两侧，随动调节线圈，x轴调节线圈布置在YOZ坐标平面内，y轴调节线圈布置在XOZ坐标平面内，通过驱动线圈使超导转子旋转，利用转子顶部上方安装的光电传感器检测超导转子旋转轴偏移信息，并将检测超导转子旋转轴偏移信息信号反馈给程控电源，通过程控电源控制随动调节线圈包括x轴调节线圈和y轴调节线圈通电产生电磁力矩，使转子旋转轴保持竖直，即：使转子旋转轴与当地水平面垂直。

所述的随动调节线圈包括x轴调节线圈和y轴调节线圈。x轴调节线圈用来矫正超导转子在x轴方向的偏移，y轴调节线圈用来矫正超导转子在y轴方向的偏移。

所述的超导转子的球心为坐标原点建立三维坐标系，所述方位旋转平台和旋转轴通过不同的转动，可使超导转子的x、z坐标轴指向东、西、南、北方向以及沿地垂线指向天及地；可使超导转子的y坐标轴指向东、西、南、北方向。

所述的旋转轴带有锁紧装置，锁紧装置套在旋转轴的两端，当所述的低温容器位置调整到所需方位后，可通过锁紧装置固定旋转轴来固定低温容器的坐标方位。

本发明测量超导转子旋转轴偏移角速度的方法是：

1、首先，建立超导转子旋转轴偏移角速度ω_d测试数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dx}}=\mathrm{KxIx}=D_1+D_2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ex}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dy}}=\mathrm{KyIy}=D_1+D_2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ey}}\\ {\mathrm{\ω}}_d=\sqrt{{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dx}}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dy}}\right)}^2}\end{array}\right.$

式中ω_dx为超导转子旋转轴在x轴上的偏移角速度，ω_dy为超导转子旋转轴在y轴上的偏移角速度，Ix为x轴调节线圈电流，Iy为y轴调节线圈电流，Ky为y轴角速度调节标度系数，Kx为x轴角速度调节标度系数，D₁为与比力无关的偏移误差系数，D₂为与比力相关的偏移误差系数。ω_e为地球自转角速度，ω_ex为地球自转角速度在x轴上的分量，ω_ey为地球自转角速度在y轴上的分量。

2、调整方位旋转平台和旋转轴，使超导转子的x、y、z坐标轴分别指向地理坐标的北、西方向和沿地垂线指向天顶。当超导转子高速旋转发生旋转轴偏移后，通过光电传感器测量超导转子旋转轴偏移角度和方向，将旋转轴偏移信息反馈给程控电源，由程控电源控制随动调节线圈的电流，即x轴调节线圈和y轴调节线圈的电流，在随动调节线圈产生的力矩作用下，使超导转子旋转轴保持竖直。每隔t时间分别记录下x轴调节线圈电流Ix₁和y轴调节线圈电流Iy₁，记录若干次，求出Ix₁和Iy₁的平均值。此时转子在x、y轴上的偏移角速度为

式中ω_e为地球自转角速度，为测试装置所在的当地地理纬度。

3、调整方位旋转平台和旋转轴使超导转子的x、y、z坐标轴分别指向地理坐标的东、北方向和沿地垂线指向天顶。当超导转子高速旋转发生旋转轴偏移后，通过程控电源控制随动调节线圈的电流，，即x轴调节线圈和y轴调节线圈的电流，使超导转子旋转轴保持竖直。每隔t时间分别记录下x轴调节线圈电流Ix₂和y轴调节线圈电流Iy₂，记录若干次，求出Ix₂和Iy₂的平均值。此时超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度为

4、调整方位旋转平台和旋转轴使超导转子的x、y、z坐标轴分别指向地理坐标的西、南方向和沿地垂线指向天顶。当超导转子高速旋转发生旋转轴偏移后，通过程控电源控制随动调节线圈的电流，，即x轴调节线圈和y轴调节线圈的电流，使超导转子旋转轴保持竖直。每隔t时间分别记录下x轴调节线圈电流Ix₃和y轴调节线圈电流Iy₃，记录若干次，求出Ix₃和Iy₃的平均值。此时超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度为

5、将步骤1、2、3、4中的超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度公式联立建立方程组，得到

6、将Ix₁和Iy₁，Ix₂和Iy₂，Ix₃和Iy₃数据代入步骤5中的方程组，求解出Kx，Ky等固定参数后，可重新设定测量方位和测量时间，通过记录得到x、y轴调节线圈电流Ix和Iy的大小，通过公式

计算得到超导转子旋转轴偏移角速度。

本发明测量装置系统测量过程时间越长，测量系统稳定度越高，测量结果越精确。

附图说明

图1超导转子旋转轴偏移角速度测量装置示意图，图中：1基座、2方位旋转平台、3旋转轴支架、4旋转轴、5低温容器、6制冷机、16锁紧装置；

图2低温容器内部结构示意图。7防辐射屏，8液氦容器，9转子腔，10超导转子，11x轴调节线圈，12y轴调节线圈，13悬浮线圈，14驱动线圈，15光电传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明测量装置包括基座1、方位旋转平台2、旋转轴支架3、旋转轴4、低温容器5和制冷机6。方位旋转平台2安放在基座1上，方位旋转平台2以地垂线为轴360度旋转。方位旋转平台2上安放旋转轴支架3，在旋转轴支架3上固定一个旋转轴4，低温容器5固定在旋转轴4上，低温容器5可在旋转轴上围绕旋转轴360度旋转。制冷机6安装在低温容器5的上端，通过制冷机6制冷保持低温容器5内部产生所需的低温环境。旋转轴4带有锁紧装置16，锁紧装置16套在旋转轴4的两端，当低温容器5位置调整到所需方位后，可通过锁紧装置16固定旋转轴4来固定低温容器5的坐标方位。

如图2所示，制冷机6安装在低温容器5的上端，低温容器5内部通过拉杆固定卷筒形状的防辐射屏7，在防辐射屏7筒内布置液氦容器8，液氦容器8通过螺钉固定在制冷机6的二级冷头的下端。在液氦容器8内部通过拉杆固定转子腔9。超导转子10位于转子腔9内，通过在转子腔9上下端布置的一对悬浮线圈13使超导转子10悬浮，驱动线圈14和随动调节线圈即x轴调节线圈11和y轴调节线圈12布置在超导转子10内孔中，驱动线圈14布置在超导转子10内孔中心附近位置，随动调节线圈布置在超导转子10内孔中轴线方向上驱动线圈14的两侧，x轴调节线圈11布置在YOZ坐标平面内，y轴调节线圈12布置在XOZ坐标平面内，通过驱动线圈14使超导转子10旋转，超导转子10顶部上方安装的光电传感器15用于检测超导转子10的旋转轴偏移信息，将旋转轴偏移信息反馈给程控电源，由程控电源控制随动调节线圈包括x轴调节线圈11和y轴调节线圈12的电流，使超导转子10的旋转轴保持竖直，即使转子旋转轴与当地水平面垂直。随动调节线圈安装在超导转子10内孔中。随动调节线圈包括x轴调节线圈11和y轴调节线圈12。x轴调节线圈11用来矫正超导转子10在x轴方向的偏移，y轴调节线圈12用来矫正超导转子10在y轴方向的偏移。

本发明测量超导转子旋转轴偏移角速度的方法是：

1、首先，建立超导转子旋转轴偏移角速度ω_d测试数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dx}}=\mathrm{KxIx}=D_1+D_2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ex}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dy}}=\mathrm{KyIy}=D_1+D_2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ey}}\\ {\mathrm{\ω}}_d=\sqrt{{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dx}}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dy}}\right)}^2}\end{array}\right.$

式中ω_dx为在x轴上的偏移角速度，ω_dy为在y轴上的偏移角速度，Ix为x轴调节线圈电流，Iy为y轴调节线圈电流，Ky为y轴角速度调节标度系数，Kx为x轴角速度调节标度系数，D₁为与比力无关的偏移误差系数，D₂为与比力相关的偏移误差系数。

2、调整方位旋转平台2和旋转轴4使超导转子的x、y、z坐标轴分别指向地理坐标的北、西方向和沿地垂线指向天顶。当超导转子10旋转轴发生偏移后，通过光电传感器15测量超导转子旋转轴偏移角度和方向，将旋转轴偏移信息反馈给程控电源控制随动调节线圈的电流，即x轴调节线圈11和y轴调节线圈12的电流，在随动调节线圈产生的力矩作用下，使超导转子旋转轴保持竖直。每隔15分钟分别记录下x轴调节线圈电流Ix₁和y轴调节线圈电流Iy₁，记录多次，求出Ix₁和Iy₁的平均值。此时超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度为

式中ω_e为地球自转角速度，为测试装置所在的当地地理纬度。

3、调整方位旋转平台2和旋转轴4使超导转子10的x、y、z坐标轴分别指向地理坐标的东、北方向和沿地垂线指向天顶。当超导转子10高速旋转发生旋转轴偏移后，通过程控电源控制随动调节线圈的电流，即x轴调节线圈11和y轴调节线圈12的电流，使超导转子旋转轴保持竖直。每隔15分钟分别记录下x轴调节线圈电流Ix₂和y轴调节线圈电流Iy₂，记录多次，求出Ix₂和Iy₂的平均值。此时超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度为

4、调整方位旋转平台2和旋转轴4使超导转子10的x、y、z坐标轴分别指向地理坐标的西、南方向和沿地垂线指向天顶。当超导转子旋转轴发生偏移后，通过程控电源控制随动调节线圈的电流，即x轴调节线圈11和y轴调节线圈12的电流使超导转子旋转轴保持竖直。每隔15分钟分别记录下x轴调节线圈电流Ix₃和y轴调节线圈电流Iy₃，记录多次，求出Ix₃和Iy₃的平均值。此时超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度为

5、将步骤1、2、3、4中的超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度公式联立建立方程组，得到

6、将Ix₁和Iy₁，Ix₂和Iy₂，Ix₃和Iy₃数据代入步骤5中的方程组，求解出Kx，Ky等固定参数后，重新将超导转子(10)的x、y、z轴坐标指向地理坐标的北、西方向和沿地垂线指向天顶。每隔15分钟分别记录下x轴调节线圈电流Ix和y轴调节线圈电流Iy，记录多次，求出Ix和Iy的平均值。根据已经得到的Kx，ky数值后，通过公式

计算得到超导转子旋转轴偏移角速度。

Claims (4)

1.一种超导转子旋转轴偏移角速度的测量装置，其特征在于所述的装置包括基座（1）、方位旋转平台（2）、旋转轴支架（3）、旋转轴（4）、低温容器（5）、制冷机（6），防辐射屏（7），液氦容器（8），转子腔（9），超导转子（10），x轴调节线圈（11），y轴调节线圈（12），悬浮线圈（13），驱动线圈（14）和光电传感器（15）；所述的方位旋转平台（2）安放在基座（1）上，所述的方位旋转平台（2）以地垂线为旋转轴360度旋转；所述的方位旋转平台（2）上安放旋转轴支架（3），在旋转轴支架（3）上固定有旋转轴（4）；低温容器（5）固定在所述的旋转轴（4）上，低温容器（5）能够围绕旋转轴（4）360度旋转；制冷机（6）安装在低温容器（5）的上端，低温容器（5）内部通过拉杆固定卷筒形状的防辐射屏（7），在防辐射屏（7）筒内布置液氦容器（8），液氦容器（8）固定在制冷机（6）的二级冷头的下端；在液氦容器（8）内部通过拉杆固定转子腔（9）；超导转子（10）位于转子腔（9）内，通过在转子腔（9）上下端布置的悬浮线圈（13）使超导转子（10）悬浮；驱动线圈（14）和随动调节线圈布置在超导转子（10）内孔中，驱动线圈(14)布置在超导转子（10）内孔中心附近位置，随动调节线圈布置在超导转子（10）内孔中轴线方向上驱动线圈（14）的两侧，所述的随动调节线圈包括x轴调节线圈（11）和y轴调节线圈（12），所述的x轴调节线圈（11）布置在YOZ坐标平面内，y轴调节线圈（12）布置在XOZ坐标平面内；通过超导转子（10）内孔中安装的驱动线圈（14）使超导转子（10）旋转，利用超导转子（10）顶部上方安装的光电传感器（15）检测超导转子（10）的旋转轴偏移信息，将检测超导转子旋转轴偏移信息反馈给程控电源控制x轴调节线圈（11）和y轴调节线圈（12）通电产生电磁力矩，使超导转子旋转轴保持竖直，即：使转子旋转轴与当地水平面垂直。

2.按照权利要求1所述的超导转子旋转轴偏移角速度的测量装置，其特征在于,以超导转子（10）的球心为坐标原点建立三维坐标系，通过所述方位旋转平台（2）和旋转轴（4）的转动使超导转子（10）的x坐标轴指向东、西、南、北方向，z坐标轴沿地垂线指向天顶和地；使超导转子（10）的y坐标轴指向东、西、南、北方向。

3.按照权利要求1所述的超导转子旋转轴偏移角速度的测量装置，其特征在于,所述的旋转轴（4）带有锁紧装置（16），当低温容器（5）位置调整到所需方位后，通过锁紧装置（16）固定旋转轴（4）来固定低温容器（5）的坐标方位。

4.应用权利要求1所述的测量装置测量超导转子旋转轴偏移角速度的方法，其特征在于所述的测量方法步骤如下：

1）首先，建立超导转子旋转轴偏移角速度ω_d测试数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dx}}=\mathrm{KxIx}=D_1+D_2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ex}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dy}}=\mathrm{KyIy}=D_1+D_2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ey}}\\ {\mathrm{\ω}}_d=\sqrt{{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dx}}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dy}}\right)}^2}\end{array}\right.,$

调整方位旋转平台（2）和旋转轴（4），使超导转子（10）的x、y、z坐标轴分别指向地理坐标的北、西方向和沿地垂线指向天顶；当超导转子（10）高速旋转发生旋转轴偏移后，通过光电传感器（15）测量超导转子（10）旋转轴偏移角度和方向，将旋转轴偏移信息反馈给程控电源控制随动调节线圈，即x轴调节线圈（11）和y轴调节线圈（12）的电流，在随动调节线圈产生的力矩作用下，使超导转子（10）旋转轴保持竖直，即：使转子旋转轴与当地水平面垂直；每隔t时间分别记录x轴调节线圈（11）的电流Ix₁和y轴调节线圈（12）的电流Iy₁，记录若干次，求出x轴调节线圈（11）的电流Ix₁和y轴调节线圈（12）的电流Iy₁的平均值；此时转子在x、y轴上的偏移角速度公式为

式中ω_e为地球自转角速度，

为测量装置所在的当地地理纬度，ω_dx为超导转子旋转轴在x轴上的偏移角速度，ω_dy为超导转子旋转轴在y轴上的偏移角速度，Ky为y轴角速度调节标度系数，Kx为x轴角速度调节标度系数，D₁为与比力无关的偏移误差系数，D₂为与比力相关的偏移误差系数，ω_ex为地球自转角速度在x轴上的分量， ω_ey为地球自转角速度在y轴上的分量；

2）调整方位旋转平台（2）和旋转轴（4），使超导转子（10）的x、y、z坐标轴分别指向地理坐标的东、北方向和沿地垂线指向天顶；当超导转子的旋转轴发生偏移后，通过控制随动调节线圈，即x轴调节线圈（11）和y轴调节线圈（12）的电流，使超导转子旋转轴保持竖直，即：使转子旋转轴与当地水平面垂直；每隔t时间分别记录下x轴调节线圈（11）电流Ix₂和y轴调节线圈（12）电流Iy₂，记录若干次，求出x轴调节线圈（11）的电流Ix₂和y轴调节线圈（12）的电流Iy₂的平均值；此时超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度公式为

式中ω_e为地球自转角速度，

为测量装置所在的当地地理纬度，ω_dx为超导转子旋转轴在x轴上的偏移角速度，ω_dy为超导转子旋转轴在y轴上的偏移角速度，Ky为y轴角速度调节标度系数，Kx为x轴角速度调节标度系数，D₁为与比力无关的偏移误差系数，D₂为与比力相关的偏移误差系数；

3）调整方位旋转平台（2）和旋转轴（4），使超导转子（10）的x、y、z坐标轴分别指向地理坐标的西、南方向和沿地垂线指向天顶；当超导转子旋转轴发生偏移后，通过控制随动调节线圈，即x轴调节线圈（11）和y轴调节线圈（12）的电流，使超导转子旋转轴保持竖直，即：使转子旋转轴与当地水平面垂直；每隔t时间分别记录下x轴调节线圈（11）电流Ix₃和y轴调节线圈（12）电流Iy₃，记录若干次，求出Ix₃和Iy₃的平均值；此时超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度公式为

式中ω_e为地球自转角速度，

为测量装置所在的当地地理纬度，ω_dx为超导转子旋转轴在x轴上的偏移角速度，ω_dy为超导转子旋转轴在y轴上的偏移角速度，Ky为y轴角速度调节标度系数，Kx为x轴角速度调节标度系数，D₁为与比力无关的偏移误差系数，D₂为与比力相关的偏移误差系数；

4）将步骤1）、2）、3）中的超导转子旋转轴在x、y轴上的偏移角速度公式联立建立方程组，得到

式中ω_e为地球自转角速度，

为测量装置所在的当地地理纬度，Ky为y轴角速度调节标度系数，Kx为x轴角速度调节标度系数，D₁为与比力无关的偏移误差系数，D₂为与比力相关的偏移误差系数；Ix₁、Ix₂、Ix₃为x轴调节线圈（11）的3组电流值，Iy₁、Iy₂、Iy₃为y轴调节线圈（12）的3组电流值；

5）将Ix₁和Iy₁，Ix₂和Iy₂，Ix₃和Iy₃数据代入步骤4）中的方程组，并求解方程组，解出Kx，Ky参数后，重新设定测量方位和测量时间，记录x轴调节线圈电流Ix和y轴调节线圈电流Iy，并通过公式

计算得到超导转子旋转轴偏移角速度。

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