CN106679557A - 一种测量磁悬浮球微位移的装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量磁悬浮球微位移的装置和方法，所述装置包括球腔、上悬浮线圈、下悬浮线圈、上金属环、下金属环、中间金属环、磁悬浮球。所述方法利用上金属环、磁悬浮球、下金属环组成的电容传感器来测量磁悬浮球在z坐标轴方向上的微位移，利用x轴中间金属环和y轴金属环与磁悬浮球组成的电容传感器分别测量x轴、y轴方向上的微位移。此装置结构简单，方法简便，测量精度高，适合于在低温超导仪器中测量超导体微位移测量。

Description

一种测量磁悬浮球微位移的装置及测量方法
技术领域
本发明属于微位移测量技术领域，具体涉及一种测量磁悬浮球微位移的装置及测量方法。
背景技术
磁悬浮系统一般为非接触电磁力支承转子悬浮，具有无摩擦损耗，能耗小等优点，而超导磁悬浮系统更是具有长期稳定性，利用超导磁悬浮研制的测量仪器具有噪声低、稳定性好、漂移小、能耗小和灵敏度高等特点，其技术发展和应用将使大地测量精密测量仪器的精度达到一个新的高度。
超导精密仪器的结构特点决定它需要非接触式的高精度位移传感器，目前可用于低温下非接触式的超导球微位移测量方法主要有电感法，光纤法以及电容法。电感式位移传感器的原理是把被测位移的变化转换为线圈自感的变化，通常由固定线圈和可动铁芯组成，当铁芯在线圈内沿轴向运动时，通过线圈电感的变化达到检测位移的目的。但电感法普遍存在着测量范围窄，并且结构复杂，适用场合有限等问题,而且成本较高。而光纤位移传感器的典型结构则是由多模光纤构成的光强反射式结构，光投射到被测表面后反射，被收集并转换成电信号进行处理，其反射光的强度会随光纤探头到反射面的距离x的变化而变化。光纤位移传感器有光源漂移，测量电路漂移，以及光纤的微弯损耗的缺点，并且受温度变化影响大。差动电容法具有结构简单，灵敏度高，动态响应好等优点，更重要的是它极为适合球体的测量。利用电容法建立电容电桥测量超导球体的悬浮位移，非线性程度可以得到改善，同时灵敏度也得到提高，并且稳定性也较高，并且成本较低,容易实现。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种测量超导磁悬浮球微位移的装置及测量方法。本发明装置结构简单、方法简便，为监控超导磁悬浮球稳定悬浮提供有效保证。
本发明测量超导磁悬浮球微位移的装置包括球腔、上悬浮线圈、下悬浮线圈、上金属环、下金属环、中间金属环、磁悬浮球。
所述的上悬浮线圈和下悬浮线圈分别布置在球腔的上端和下端。通过上悬浮线圈和下悬浮线圈产生悬浮磁悬浮球的悬浮力，并通过调节上下悬浮线圈电流大小使磁悬浮球克服重力悬浮在球腔中心位置。
所述的上金属环、中间金属环和下金属环的内表面共同组成球腔，球腔内部装有磁悬浮球。
所述的上金属环、中间金属环和下金属环均封装在金属圆筒的密封腔中。
进一步，所述上金属环、中间金属环和下金属环之间有环氧树脂制成的上下绝缘层进行隔离。
进一步，所述的中间金属环分为第一x轴方向金属环，第二x轴方向金属环、中间绝缘层、第一y轴方向金属环，第二y轴方向金属环；第一x轴方向金属环，第二x轴方向金属环之间通过环氧树脂制成的中间绝缘层隔离，第一y轴方向金属环，第二y轴方向金属环之间通过环氧树脂制成的中间绝缘层隔离。
进一步，所述的x轴方向金属环为在x轴方向对称布置的一对第一x轴方向金属环和第二x轴方向金属环组成，与磁悬浮球一起组成在x轴方向测量悬浮球微位移的电容传感器。
所述的y轴方向金属环为在y轴方向对称布置的一对第一y轴方向金属环和第二y轴方向金属环组成，与磁悬浮球一起组成在y轴方向测量悬浮球微位移的电容传感器。
所述的上金属环、下金属环和磁悬浮球一起组成在z轴方向测量悬浮球微位移的电容传感器。
进一步，所述的磁悬浮球是由超导金属材料铌制成的空心薄壁球，顶部有极轴孔，通过极轴孔通气保证转子内外压力差相等。
本发明还提供一种测量超导磁悬浮球微位移的方法，所述方法使用上述装置，并包括以下步骤：
(1)将上下悬浮线圈通入适当电流，使线圈产生的磁场与磁悬浮球相互作用产生的磁悬浮力与磁悬浮球重力的合力大于零，磁悬浮球开始悬浮；
(2)测量z轴方向磁悬浮球位移时，将上金属环通入1MHz，10v的高频电压，将下金属环通入10KHz，-10v的反向高频电压，将中间金属环上感应电压信号输出进行放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与悬浮位移成线性变换的测量电压信号，通过标定悬浮位移与测量电压信号关系，省略非线性项可得到：
另有
其中，Kz表示电容传感器的灵敏度，磁悬浮球与上、下金属环的标称电容及标称间隙分别为C0、d0，z表示磁悬浮球的位移，ΔCz是电容变化量，通过测量电压得到ΔCz，并已知ΔCz与位移z之间成正比关系，得到即可从获得的测量电压信号得到z轴方向上磁悬浮球位移大小。
同理，测量磁悬浮球在x轴方向上的位移时，将第一x轴方向金属环通入1MHz，+20v的高频电压，将第二x轴方向金属环12通入1MHz，-20v的高频电压，将第一y轴金属环和第二y轴金属环上感应电压信号输出进行放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与悬浮位移成线性变换的测量电压信号，通过标定悬浮位移与测量电压信号关系，省略非线性项可得到：
另有
其中，Kx表示电容传感器的灵敏度，磁悬浮球与第一x轴方向金属环和第二x轴方向金属环的标称电容及标称间隙分别为C1、d1，x表示磁悬浮球的位移，ΔCx是电容变化量，通过测量电压得到ΔCx，并已知ΔCx与位移x之间成正比关系，即可从获得的测量电压信号得到x轴方向上磁悬浮球位移大小。
测量磁悬浮球在y轴方向上的位移时，将第一y轴金属环通入1MHz，+20v的高频电压，将第二y轴金属环通入1MHz，-20v的高频电压，将第一x轴方向金属环和第二x轴方向金属环上感应电压信号输出进行放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与悬浮位移成线性变换的测量电压信号，通过标定悬浮位移与测量电压信号关系，省略非线性项可得到：
另有
其中，Ky表示电容传感器的灵敏度，磁悬浮球与第一y轴金属环、第二y轴金属环的标称电容及标称间隙分别为C2、d2，y表示磁悬浮球的位移，ΔCy是电容变化量，通过测量电压得到ΔCy，并已知ΔCy与位移y之间成正比关系，即可从获得的测量电压信号得到y轴方向上磁悬浮球位移大小。
本发明装置结构简单、方法简便，可进行x、y、z正交三轴坐标方向上的位移测量，为监控超导磁悬浮球稳定悬浮提供有效保证。
附图说明
图1是本发明测量磁悬浮球微位移装置的结构示意图，图中：1球腔、2上悬浮线圈、3下悬浮线圈、4磁悬浮球、5极轴孔、6上金属环、7下金属环、8中间金属环、9上下绝缘层、10密封腔。
图2是图1中的中间金属环结构俯视示意图，图中：11第一x轴方向金属环，12第二x轴方向金属环、13中间绝缘层、14第一y轴方向金属环，15第二y轴方向金属环。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明装置包括球腔1、上悬浮线圈2、下悬浮线圈3、磁悬浮球4、极轴孔5、上金属环6、下金属环7、中间金属环8、上下绝缘层9、密封腔10。
所述的上悬浮线圈2和下悬浮线圈3分别布置在球腔1的上端和下端。通过上悬浮线圈2和下悬浮线圈3产生悬浮磁悬浮球4的悬浮力，并通过调节上悬浮线圈2、下悬浮线圈3电流大小使磁悬浮球4克服重力悬浮在球腔1中心位置。
所述的上金属环6、中间金属环8和下金属环7的内表面共同组成球腔1，球腔1内部装有磁悬浮球4。所述的上金属环6、中间金属环8和下金属环7均封装在金属圆筒的密封腔10中。所述上金属环6、中间金属环8和下金属环7之间有环氧树脂制成的上下绝缘层9隔离。
所述的中间金属环8包括第一x轴方向金属环11，第二x轴方向金属环12、中间绝缘层13、第一y轴方向金属环14和第二y轴方向金属环15；第一x轴方向金属环11、第二x轴方向金属环12之间通过环氧树脂制成的中间绝缘层13隔离，第一y轴方向金属环14与第二y轴方向金属环15之间通过环氧树脂制成的中间绝缘层13隔离。
所述的x轴方向金属环为在x轴方向对称布置的一对第一x轴方向金属环11和第二x轴方向金属环12组成，与磁悬浮球4一起组成在x轴方向测量悬浮球4微位移的电容传感器。
所述的y轴方向金属环为在y轴方向对称布置的一对金属环第一y轴方向金属环14和第二y轴方向金属环15组成，与磁悬浮球4一起组成在y轴方向测量悬浮球4微位移的电容传感器。
所述的上金属环6、下金属环7和磁悬浮球4一起组成在z轴方向测量悬浮球4微位移的电容传感器。
所述的磁悬浮球4是由超导金属材料铌制成的空心薄壁球，顶部有极轴孔5，通过极轴孔5通气保证转子内外压力差相等。
所述的测量磁悬浮球4微位移的测量方法是：
将上悬浮线圈2、下悬浮线圈3通入适当电流，使线圈产生的磁场与磁悬浮球4相互作用产生的磁悬浮力和磁悬浮球4重力的合力大于零，磁悬浮球4开始悬浮；
当测量磁悬浮球4在z轴方向上的位移时，将上金属环6通入1MHz，10v的高频电压，将下金属环7通入10KHz，-10v的反向高频电压，将中间金属环8上感应电压信号输出进行放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与悬浮位移成线性变换的测量电压信号，通过标定悬浮位移与测量电压信号关系，省略非线性项可得到：
另有
其中，Kz表示电容传感器的灵敏度，磁悬浮球4与上金属环6、下金属环7的标称电容及标称间隙分别为C0、d0，z表示磁悬浮球4的位移，ΔCz是电容变化量，通过测量电压得到ΔCz，并已知ΔCz与位移z之间成正比关系，即可从获得的测量电压信号得到z轴方向上磁悬浮球4位移大小。
同理，测量磁悬浮球4在x轴方向上的位移时，将第一x轴方向金属环11通入1MHz，+20v的高频电压，将第二x轴方向金属环12通入1MHz，-20v的高频电压，将第一y轴金属环14和第二y轴金属环15上感应电压信号输出进行放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与悬浮位移成线性变换的测量电压信号，通过标定悬浮位移与测量电压信号关系，省略非线性项可得到：
另有
其中：KX表示电容传感器的灵敏度，磁悬浮球4与第一x轴方向金属环11和第二x轴方向金属环12的标称电容及标称间隙分别为C1、d1，x表示磁悬浮球4的位移，ΔCx是电容变化量，通过测量电压得到ΔCx，并已知ΔCx与位移x之间成正比关系，即可从获得的测量电压信号得到x轴方向上磁悬浮球4位移大小。
测量磁悬浮球4在y轴方向上的位移时，将第一y轴金属环14通入1MHz，+20v的高频电压，将第二y轴金属环15通入1MHz，-20v的高频电压，将第一x轴方向金属环11和第二x轴方向金属环12上感应电压信号输出进行放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与悬浮位移成线性变换的测量电压信号，通过标定悬浮位移与测量电压信号关系，省略非线性项可得到：
另有
其中：Ky表示电容传感器的灵敏度，磁悬浮球4与第一y轴金属环14、第二y轴金属环15的标称电容及标称间隙分别为C2、d2，y表示磁悬浮球4的位移，ΔCy是电容变化量，通过测量电压得到ΔCy，并已知ΔCy与位移y之间成正比关系，即可从获得的测量电压信号得到y轴方向上磁悬浮球4位移大小。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种测量磁悬浮球微位移的装置，其特征在于，包括球腔(1)、上悬浮线圈(2)、下悬浮线圈(3)、上金属环(6)、下金属环(7)、中间金属环(8)、磁悬浮球(4)；
所述的上悬浮线圈(2)和下悬浮线圈(3)分别布置在球腔(1)的上端和下端；
所述的上金属环(6)、中间金属环(8)和下金属环(7)的内表面共同组成球腔，球腔(1)内部装有磁悬浮球(4)。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述上金属环(6)、中间金属环(8)和下金属环(7)之间分别有环氧树脂制成的上下绝缘层(9)进行隔离。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述的中间金属环(8)分为第一x轴方向金属环(11)，第二x轴方向金属环(12)、第一y轴方向金属环(14)，第二y轴方向金属环(15)；第一x轴方向金属环(11)，第二x轴方向金属环(12)之间通过环氧树脂制成的中间绝缘层(13)隔离，第一y轴方向金属环(14)，第二y轴方向金属环(15)之间通过环氧树脂制成的中间绝缘层(13)隔离。
4.根据权利要求3所述装置，其特征在于，所述的x轴方向金属环为在x轴方向对称布置的一对金属环:第一x轴方向金属环(11)和第二x轴方向金属环(12)组成，与磁悬浮球(4)一起组成在x轴方向测量悬浮球(4)微位移的电容传感器；
所述的y轴方向金属环为在y轴方向对称布置的一对金属环:第一y轴方向金属环(14)和第二y轴方向金属环(15)组成，与磁悬浮球(4)一起组成在y轴方向测量悬浮球(4)微位移的电容传感器；
所述的上金属环(6)、下金属环(7)和磁悬浮球(4)一起组成在z轴方向测量悬浮球(4)微位移的电容传感器。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述的磁悬浮球(4)是由超导金属材料铌制成的空心薄壁球，顶部有极轴孔(5)，通过极轴孔(5)通气保证转子内外压力差相等。
6.一种测量磁悬浮球微位移的方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-5任一项所述的测量磁悬浮球微位移的装置，并包括以下步骤：
(1)将上悬浮线圈(2)、下悬浮线圈(3)通入适当电流，使线圈产生的磁场与磁悬浮球(4)相互作用产生的磁悬浮力与磁悬浮球(4)重力的合力大于零，磁悬浮球(4)开始悬浮；
(2)测量z轴方向磁悬浮球(4)位移，将上金属环(6)通入1MHz，10v的高频电压，将下金属环(7)通入10KHz，-10v的反向高频电压，将中间金属环(8)上感应电压信号输出进行放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与悬浮位移成线性变换的测量电压信号，通过标定悬浮位移与测量电压信号关系，省略非线性项得到：
另有
其中，KZ表示电容传感器的灵敏度，磁悬浮球(4)与上金属环(6)、下金属环(7)的标称电容及标称间隙分别为C0、d0，z表示磁悬浮球(4)的位移，ΔCz是电容变化量，通过测量电压得到ΔCz，并已知ΔCz与位移x之间成正比关系，即可从获得的测量电压信号得到z轴方向上磁悬浮球(4)位移大小。
7.一种测量磁悬浮球微位移的方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-5任一项所述的测量磁悬浮球微位移的装置，并包括以下步骤：
(1)将上悬浮线圈(2)、下悬浮线圈(3)通入适当电流，使线圈产生的磁场与磁悬浮球(4)相互作用产生的磁悬浮力与磁悬浮球(4)重力的合力大于零，磁悬浮球(4)开始悬浮；
(2)将第一x轴方向金属环(11)通入1MHz，+20v的高频电压，将第二x轴方向金属环(12)通入1MHz，-20v的高频电压，将第一y轴金属环(14)和第二y轴金属环(15)上感应电压信号输出进行放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与悬浮位移成线性变换的测量电压信号，通过标定悬浮位移与测量电压信号关系，省略非线性项可得到：另有
其中，Kx表示电容传感器的灵敏度，磁悬浮球(4)与第一x轴方向金属环(11)和第二x轴方向金属环(12)的标称电容及标称间隙分别为C1、d1，x表示磁悬浮球(4)的位移，ΔCx是电容变化量，通过测量电压得到ΔCx，并已知ΔCx与位移x之间成正比关系，即可从获得的测量电压信号得到x轴方向上磁悬浮球(4)位移大小。
8.一种测量磁悬浮球微位移的方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-5任一项所述的测量磁悬浮球微位移的装置，并包括以下步骤：
(1)将上悬浮线圈(2)、下悬浮线圈(3)通入适当电流，使线圈产生的磁场与磁悬浮球(4)相互作用产生的磁悬浮力与磁悬浮球(4)重力的合力大于零，磁悬浮球(4)开始悬浮；
(2)将第一y轴金属环(14)通入1MHz，+20v的高频电压，将第二y轴金属环(15)通入1MHz，-20v的高频电压，将第一x轴方向金属环(11)和第二x轴方向金属环(12)上感应电压信号输出进行放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与悬浮位移成线性变换的测量电压信号，通过标定悬浮位移与测量电压信号关系，省略非线性项可得到：另有
其中，Ky表示电容传感器的灵敏度，磁悬浮球(4)与第一y轴金属环(14)、第二y轴金属环(15)的标称电容及标称间隙分别为C2、d2，y表示磁悬浮球(4)的位移，ΔCy是电容变化量，通过测量电压得到ΔCy，并已知ΔCy与位移y之间成正比关系，即可从获得的测量电压信号得到y轴方向上磁悬浮球(4)位移大小。
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