CN111273203A - 一种具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置 - Google Patents

一种具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置 Download PDF

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CN111273203A CN202010098796.4A CN202010098796A CN111273203A CN 111273203 A CN111273203 A CN 111273203A CN 202010098796 A CN202010098796 A CN 202010098796A CN 111273203 A CN111273203 A CN 111273203A
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Abstract

本发明公开了属于反馈控制领域的一种悬浮超导球位置反馈控制装置及超导球位置反馈控制方法。该悬浮超导球位置反馈控制装置是一种根据磁场环境的不同可预先配置电路参数的静电反馈装置，包括：震荡源、超导磁悬浮系统、鉴相器、PID控制器、直流电压源、比例放大器和示波器，其中超导悬浮系统由悬浮超导球和超导球腔组成，超导球腔由上极板、中极板和下极板组成，悬浮超导球与上极板和下极板组成差动电容；震荡源由交流电压源、Ⅰ#震荡源连接Ⅱ#震荡源组成；鉴相器由乘法器连接低通滤波器组成。本发明保证反馈静电力是反馈电压的线性静电力，可以预先对悬浮超导球的动态进行仿真建模，此装置结构简单、控制精度高稳定性好。

Description

一种具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置
技术领域
本发明属于重力测试领域，特别涉及一种具有磁力梯度测量和磁悬浮超导球位置的反馈控制装置
背景技术
基于差动电容的非接触测微装置，把本体微小的位移变化Δx转化为电容量ΔC，再通过电容检测电路读出电容的变化。它较其他种类的电容测微装置有更高的精度，更好的温度稳定性。而且它的速度快，分辨率高，动态性能好，适用于低温长时间测量。
静电反馈技术，是把差动电容的中间极板的输出量转化为一个直流电压，然后施加在一上极板或者下极板上，此时中极板会受到施加电压极板的静电吸引力，以此来改变中间极板的位置。
磁力梯度测量技术，磁力梯度的计算较为复杂，而且计算过程中有很多参数具有不可控性，所以误差较大。基于差动电容的静电力测量法，把磁力梯度测量转化为静电力的运算，静电力计算简便，准确度高，故静电力测量法测磁力梯度较准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置，其特征在于，该反馈控制装置主要包括：震荡源、超导悬浮系统、鉴相器、电压源、反相器、压控开关、比例放大器、示波器、运算电路和单刀双掷开关；其中震荡源由交流电压源、Ⅰ#震荡器和Ⅱ#震荡器组成，Ⅰ#震荡器和Ⅱ#震荡器由交流电压源通过一个1：2的变压线圈形成，Ⅰ#震荡器和Ⅱ#震荡器等幅同相；鉴相器由乘法器和低通滤波器连接组成；电压源为直流可调电压源；压控电压源由放大器和电压跟随器组成；超导悬浮系统由悬浮超导球和超导球腔组成，超导球腔由上极板、中极板和下极板组成，悬浮超导球与上极板和下极板组成差动电容；
该反馈控制装置具体结构为震荡源的Ⅰ#震荡器B端连接Ⅰ#电容，Ⅱ#震荡器D端连接Ⅱ#电容，Ⅰ#电容同时与超导悬浮系统的上极板和I#单刀双掷开关相连，Ⅱ#电容同时与超导悬浮系统的下极板和Ⅱ#单刀双掷开关相连；震荡源的交流电压源A端与鉴相器中乘法器的另一个输入端相连；鉴相器中低通滤波器的输入端与乘法器的输出端相连；反相器的输入端与低通滤波器的输出端相连接；Ⅰ#压控开关的d控制端与低通滤波器的输出端连接，Ⅰ#压控开关的a输入端同时与低通滤波器输出端、反相器的输入端、比例放大器输入端和Ⅱ#压控开关的d控制端连接；比例放大器输出端和示波器连接；Ⅰ#压控开关的b输入端与反相器的输出端相连；运算电路的c输入端与Ⅰ#压控开关的c输出端连接，运算电路的b输入端和Ⅱ#电压源的输出端连接；Ⅱ#压控开关的d控制端与低通滤波器输出端相连接，运算电路的a输出端和Ⅱ#压控开关c输入端连接后并通过压控电压源和超导球腔的中极板连接，中极板和Ⅲ#电容连接；Ⅲ#电容与乘法器的一个输入端连接；Ⅱ#压控开关的b输出端与Ⅱ#单刀双掷开关的一个触点连接；Ⅱ#单刀双掷开关另一个触点与地连接；Ⅱ#单刀双掷开关的定点分别与超导悬浮系统的下极板和Ⅱ#电容相连接；Ⅱ#压控开关的a输出端与与Ⅰ#单刀双掷开关的一个触点连接；Ⅰ#单刀双掷开关另一个触点与Ⅰ#电压源连接；Ⅰ#单刀双掷开关的定点分别与超导悬浮系统的上极板和Ⅰ#电容相连接。
所述I#单刀双掷开关一个触点与I#电压源连接，Ⅱ#单刀双掷开关另一个触点与地连接，同时I#电压源通过压控电压源与中极板相连，使反馈控制装置在进行梯度测量时，保证悬浮超导球的电势为0。
所述低通滤波器输出的信号大于0时，Ⅰ#压控开关的a输入端与低通滤波器接通，Ⅰ#压控开关的b输入端与反相器的输出端断开，即低通滤波器的输出信号直接接入运算电路；当低通滤波器输出的信号小于0时，Ⅰ#压控开关的a输入端与低通滤波器断开，Ⅰ#压控开关的b输入端与反相器的输出端接通，即低通滤波器的输出信号通过反相器接入运算电路。
所述I#单刀双掷开关一个触点与II#压控开关的a输出端连接，Ⅱ#单刀双掷开关另一个触点与II#压控开关的b输出端连接；所述运算电路为加法电路，通过调整Ⅱ#电压源的输出电压，能够使磁悬浮超导球在偏移0位置时，受到的回复力为一个恒力F。
所述反馈控制装置在进行反馈控制时，I#单刀双掷开关一个触点与II#压控开关的a输出端连接，Ⅱ#单刀双掷开关另一个触点与II#压控开关的b输出端连接，压控电压源的控制信号线与运算电路的输出相连，保证悬浮超导球的电势为0；当运算电路输出信号大于0，Ⅱ#压控开关的b输出端与Ⅱ#单刀双掷开关的地触点接通，a输出端与I#单刀双掷开关断开，即运算电路输出信号作用在下极板，当运算电路输出信号小于0，Ⅱ#压控开关a输出端与I#单刀双掷开关接通，b输出端与Ⅱ#单刀双掷开关的地触点断开，运算电路输出的电压信号作用在上极板上。
所述比例放大器的放大系数可调。
所述Ⅰ#电压源和Ⅱ#电压源均为直流电压源，且输入电压大小可调。
一种基于具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的磁力梯度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设置压控电压源的比例系数k1,k1的表达式：
Figure BDA0002386150080000041
式中：
C0是磁悬浮超导球位于中心位置时悬浮超导球与上极板形成的电容，C中是磁悬浮超导球位于中心位置时悬浮超导球与中极板形成的电容；比例系数K1是当压控电压源的控制电压信号为Vy，则压控电压源的输出信号是K1Vy；压控电压源的作用是输出信号接入中极板，使磁悬浮超导球的电势为0；
步骤2，转动Ⅰ#单刀双掷开关接至Ⅰ#电压源，转动Ⅱ#单刀双掷开关接至地线；压控电压源的控制信号线接至Ⅰ#电压源；
步骤3，Ⅰ#电压源1分别输出0V,1V,2V,3V,4V,5V,6V,7V,8V时，记录悬浮超导球稳定后示波器的输出电压Vx；
步骤4，根据Ⅰ#电压源每次的输出计算悬浮磁场的梯度，取8次激励算出的梯度的平均值。
所述步骤3中，在实验开始前不加反馈电路对装置测量电路进行仿真和实验确定超导球相对于超导球腔位置x与测量电路的输出Vx的比例系数K0，记录示波器输出的电压后，把输出电压Vx换算成悬浮超导球的位置x。
所述基于具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的磁力梯度测量方法，其特征在于，所述步骤4中，在静电激励前后磁悬浮超导球受力G始终满足：G＝F磁力+F静电力；施加静电激励前磁悬浮超导球的平衡位置x,施加静电激励后磁悬浮超导球的平衡位置x+Δx,这两个位置悬浮超导球所受磁力的变化量等于静电力的变化量
ΔF磁力＝-ΔF静电，梯度磁力梯度gradF磁力＝-gradF静电力；根据所测参数和电容极板的静电力公式
Figure BDA0002386150080000051
d为磁悬浮超导球位于中心位置时，悬浮超导球表面与上极板表面的径向距离，A为超导球差动电容上极板和下极板的面积；然后利用公式就可以计算出每次激励磁悬浮超导球所受的静电力，即可计算出磁力梯度gradF磁力＝-F静电/Δx。
本发明的有益效果为：本装置同时具有磁力梯度测量和悬浮超导球位置反馈控制的功能，而且均通过对中级板施加电压对磁悬浮超导球进行了0电势处理，提高了磁力梯度测量的准确度和位置反馈控制的精度；装置能够快速适应不同的磁场环境，通过测量不同的磁场环境的磁力梯度，对运算电路的相关参数进行准确的调整。
附图说明
图1为具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的结构方框图；
图2为震荡源结构示意图图。
图3为具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的梯度测量电路原理图；
图4为具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的反馈控制电路图；
图5压控开关电路图；
图6压控电压源电路图。
图中：1-Ⅰ#电容、2-Ⅱ#电容、3-超导悬浮系统、4-Ⅲ#电容、5-鉴相器(包括乘法器6、低通滤波器7)、8-反相器、9-Ⅰ#压控开关、10-运算电路、11-Ⅱ#电压源、12-Ⅱ#压控开关、13-比例放大器、14-示波器、15-Ⅰ#单刀双掷开关、16-Ⅱ#单刀双掷开关、17-Ⅰ#电压源、18-地线、19-压控电压源、20-转换电路。
具体实施方式
本发明提供一种具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置，下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1、图3所示的具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的结构方框图；图中所示的反馈控制装置主要包括：震荡源、超导悬浮系统、鉴相器、电压源、反相器、压控开关、比例放大器、示波器、运算电路和单刀双掷开关；其中震荡源由交流电压源及Ⅰ#震荡器连接Ⅱ#震荡器组成，交流电压源、Ⅰ#震荡器和II振荡器同频、同相、等幅(如图2所示)；鉴相器5由乘法器6和低通滤波器7连接组成；电压源为直流可调电压源；压控电压源由U330放大器和U331电压跟随器组成(如图6所示)；超导悬浮系统3由悬浮超导球和超导球腔组成，超导球腔由上极板、中极板和下极板组成，悬浮超导球分别与上极板和下极板组成差动电容。
如图3所示，该反馈控制装置具体结构为震荡源中Ⅰ#震荡器连接Ⅰ#电容1，Ⅱ#震荡器连接Ⅱ#电容2，Ⅰ#电容1同时与超导悬浮系统3的上极板和Ⅰ#单刀双掷开关15相连，Ⅱ#电容2同时与超导悬浮系统3的下极板和Ⅱ#单刀双掷开关16相连；鉴相器5中低通滤波器7的输入端与乘法器6的输出端相连，反相器8的输入端与低通滤波器7的输出端相连接；Ⅰ#压控开关9的d控制端与低通滤波器7的输出端相连接，Ⅰ#压控开关9的a输入端同时与低通滤波器7输出端、反向器8的输入端、比例放大器13输入端和Ⅱ#压控开关12的d控制端连接；比例放大器13输出端和示波器14连接；Ⅰ#压控开关9的b输入端与反相器8的输出端相连接；运算电路10的c输入端与Ⅰ#压控开关9的c输出端连接，运算电路10的b输入端和Ⅱ#电压源11的输出端连接；Ⅱ#压控开关12的d控制端与低通滤波器7相连接，运算电路10的a输出端和Ⅱ#压控开关12的c输入端连接后并通过压控电压源19和超导球腔的中极板连接，中极板和Ⅲ#电容4连接；Ⅲ#电容4与乘法器6连接；Ⅱ#压控开关12的b输出端与Ⅱ#单刀双掷开关16的一个触点连接；Ⅱ#单刀双掷开关16另一个触点与地18连接；Ⅱ#单刀双掷开关16的定点分别与超导悬浮系统3的下极板和Ⅱ#电容2相连接；Ⅱ#压控开关12的a输出端与Ⅰ#单刀双掷开关15的一个触点连接；Ⅰ#单刀双掷开关15另一个触点与Ⅰ#电压源17连接；Ⅰ#单刀双掷开关15的定点分别与超导悬浮系统3的上极板和Ⅰ#电容1相连接。
实施例
如图4所示为具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的梯度测量模块电路图。其中转换电路20即本装置的测量电路模块，由鉴相器5和比例放大器13组成，并和示波器14连接。在进行超导悬浮系统的上极板激励测量梯度时，上极板、中极板、下极板的电荷会对磁悬浮超导球产生静电感应而使悬浮超导球的电势不为0，使上下极板对磁悬浮超导球都有静电力，这时不但静电力难以计算，而且极大的削弱了悬浮超导球对静电激励的响应。为了避免这种情况，我们采取了在中极板施加一个对应的电压信号，从而使磁悬浮超导球的电势为0。在实际工作中，Ⅰ#单刀双掷开关15与Ⅰ#电压源17相连接，Ⅱ#单刀双掷开关16接通地线18，Ⅱ#电压源11通过运算电路10、压控电压源19与中极板相连接，保证悬浮超导球的电势为0。
同理所述装置在进行反馈控制时(如图3所示)，所述I#单刀双掷开关一个触点与II#压控开关的输出端a连接，Ⅱ#单刀双掷开关另一个触点与II#压控开关的输出端b连接，压控电压源19的控制信号线与运算电路10的输出相连，保证悬浮超导球的电势为0。
所述压控开关包括Ⅰ#压控开关9和Ⅱ#压控开关12；如图5所示压控开关电路图；Ⅰ#压控开关和Ⅱ#压控开关的具体组成是控制信号(控制端)分别通过1mv/0mv的两个开关S3、S4连接0.1uf的电容c接地，在实际工作中，Ⅰ#压控开关9的c输出端接在了运算电路10的c输入端，Ⅰ#压控开关9的d控制端、a输入端与低通滤波器7的输出端相连接，低通滤波器输出的信号大于0时，Ⅰ#压控开关的a输入端与低通滤波器接通，Ⅰ#压控开关的b输入端与反向器的输出端断开，即低通滤波器的输出信号直接接入运算电路；当低通滤波器输出的信号小于0时，Ⅰ#压控开关的a输入端与低通滤波器断开，Ⅰ#压控开关的b输入端与反相器的输出端接通，即低通滤波器的输出信号通过反相器接入运算电路。同理，Ⅱ#压控开关12的c输入端与运算电路10的a输出端相连，Ⅱ#压控开关12的d控制端与低通滤波器7的输出端相连，在实际工作中，当运算电路10输出信号大于0，Ⅱ#压控开关12的b输出端与Ⅱ#单刀双掷开关16接通，a输出端与Ⅰ#单刀双掷开关15断开，即运算电路10的输出信号作用在下极板上；当运算电路10输出信号小于0，Ⅱ#压控开关12的a输出端与Ⅰ#单刀双掷开关15的Ⅰ#电压源17接通，b输出端与Ⅱ#单刀双掷开关16断开，运算电路输出的电压信号作用在上极板上。运算电路10的输出端a通过压控电压源19与中极板相连接，保证悬浮超导球的电势为0。
在本实施例中，通过对运算电路进行调整，可以在输出信号一定的情况下，得到不同的反馈电压。在实际工作中，运算电路10为加法电路，Ⅱ#电压源的输出电压为Vt＝K0d，使磁悬浮超导球偏离0位置x时，反馈电压V反＝-kt(Vt+K0x)，或V反＝-kt(Vt-K0x)，Kt是运算电路10的放大倍数，反馈电压公式中x的比例系数是+K0还是-K0由低通滤波器7的输出信号决定，从而使磁悬浮超导球所受到的回复力为一个恒力F。通过控制恒力F的大小，可以控制磁悬浮超导球的运动范围，从而达到磁悬浮超导球的位置反馈控制的目的；也可以把恒力F设置的足够大，从而为悬浮超导球提供一个支撑刚度足够强的支撑系统，使磁悬浮装置能够收到一个大的竖直方向的冲击后，仍然保持在原位置。
本实施例所使用的测量磁力梯度的方法是：
步骤1)设置压控电压源19的比例系数k1,k1的表达式：
Figure BDA0002386150080000091
式中：
C0是磁悬浮超导球位于中心位置时悬浮超导球与上极板形成的差动电容，C中是磁悬浮超导球位于中心位置时悬浮超导球与中极板形成的差动电容。
在步骤1中，比例系数K1的功能是当压控电压源19的控制电压信号是Vy，则压控电压源的输出信号是K1Vy；压控电压源19的作用是输出信号接入中极板，调整中极板的带电量，使磁悬浮超导球的电势为0。
步骤2)转动单刀双掷开关15接至电压源1-17，转动单刀双掷开关15接至地线18；压控电压源19的控制信号线接至电压源1-17。
步骤3)电压源1-17分别输出0V,1V,2V,3V,4V,5V,6V,7V,8V时，记录悬浮超导球稳定后示波器14的输出电压Vx。
在步骤3中，记录示波器(14)输出的电压后，把输出电压Vx换算成悬浮超导球的位置x。
步骤4)根据电压源1-17每次的输出计算悬浮磁场的梯度，取8次激励算出的梯度的平均值。
在步骤4中，在静电激励前后磁悬浮超导球受力始终满足：G＝F磁力+F静电力；施加静电激励前磁悬浮超导球的平衡位置x0,施加静电激励后磁悬浮超导球的平衡位置x0+Δx,这两个位置悬浮超导球所受磁力的变化量等于静电力的变化量ΔF磁力＝-ΔF静电，梯度磁力梯度gradF磁力＝-gradF静电力；根据所测参数和电容极板的静电力公式
Figure BDA0002386150080000101
d为磁悬浮超导球位于中心位置时，悬浮超导球表面与上极板表面的径向距离，A为超导球差动电容上极板和下极板的面积；然后利用公式就可以计算出每次激励磁悬浮超导球所受的静电力，即可计算出磁力梯度gradF磁力＝-F静电/Δx。
通过采用上述具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制的多功能装置，由于对磁悬浮超导球进行了0电势处理，最终能够更快速更准确的测量不同磁场环境的磁力梯度，能更加精确的反馈控制悬浮超导球的位置或者提供一个大刚度的静电支撑系统。
基于具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的磁力梯度测量；包括以下步骤：
步骤1，通过调整压控电压源中放大器的倍数，设置压控电压源的比例系数k1,k1的表达式：
Figure BDA0002386150080000111
式中：
C0是磁悬浮超导球位于中心位置时悬浮超导球与上极板形成的差动电容，C中是磁悬浮超导球位于中心位置时悬浮超导球与中极板形成的差动电容；
所述比例系数K1是当压控电压源的控制电压信号为Vy，则压控电压源的输出信号是K1Vy；压控电压源的作用是输出信号接入中极板，使磁悬浮超导球的电势为0。
步骤2，转动Ⅰ#单刀双掷开关接至Ⅰ#电压源，转动Ⅱ#单刀双掷开关接至地线；压控电压源的控制信号线接至Ⅰ#电压源；
步骤3，Ⅰ#电压源1分别输出0V,1V,2V,3V,4V,5V,6V,7V,8V时，记录悬浮超导球稳定后示波器的输出电压Vx；在实验开始前不加反馈电路对装置测量电路进行仿真和实验确定小球相对于超导球腔位置x与测量电路的输出Vx的比例系数K0。记录示波器输出的电压后，把输出电压Vx换算成悬浮超导球的位置x。
步骤4，根据Ⅰ#电压源每次的输出计算悬浮磁场的梯度，取8次激励算出的梯度的平均值。在静电激励前后磁悬浮超导球受力始终满足：G＝F磁力+F静电力；施加静电激励前磁悬浮超导球的平衡位置x0,施加静电激励后磁悬浮超导球的平衡位置x0+Δx,这两个位置悬浮超导球所受磁力的变化量等于静电力的变化量ΔF磁力＝-ΔF静电，梯度磁力梯度gradF磁力＝-gradF静电力；根据所测参数和电容极板的静电力公式
Figure BDA0002386150080000121
d为磁悬浮超导球位于中心位置时，悬浮超导球表面与上极板表面的径向距离，A为超导球差动电容上极板和下极板的面积。然后利用公式就可以计算出每次激励磁悬浮超导球所受的静电力，即可计算出磁力梯度gradF磁力＝-F静电/Δx。

Claims (10)

1.一种具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置，其特征在于，该反馈控制装置主要包括：震荡源、超导悬浮系统、鉴相器、电压源、反相器、压控开关、比例放大器、示波器、运算电路和单刀双掷开关；其中震荡源由交流电压源、Ⅰ#震荡器和Ⅱ#震荡器组成，Ⅰ#震荡器和Ⅱ#震荡器由交流电压源通过一个1：2的变压线圈形成，Ⅰ#震荡器和Ⅱ#震荡器等幅同相；鉴相器由乘法器和低通滤波器连接组成；电压源为直流可调电压源；压控电压源由放大器和电压跟随器组成；超导悬浮系统由悬浮超导球和超导球腔组成，超导球腔由上极板、中极板和下极板组成，悬浮超导球与上极板和下极板组成差动电容；
该反馈控制装置具体结构为震荡源的Ⅰ#震荡器B端连接Ⅰ#电容，Ⅱ#震荡器D端连接Ⅱ#电容，Ⅰ#电容同时与超导悬浮系统的上极板和I#单刀双掷开关相连，Ⅱ#电容同时与超导悬浮系统的下极板和Ⅱ#单刀双掷开关相连；震荡源的交流电压源A端与鉴相器中乘法器的另一个输入端相连；鉴相器中低通滤波器的输入端与乘法器的输出端相连；反相器的输入端与低通滤波器的输出端相连接；Ⅰ#压控开关的d控制端与低通滤波器的输出端连接，Ⅰ#压控开关的a输入端同时与低通滤波器输出端、反相器的输入端、比例放大器输入端和Ⅱ#压控开关的d控制端连接；比例放大器输出端和示波器连接；Ⅰ#压控开关的b输入端与反相器的输出端相连；运算电路的c输入端与Ⅰ#压控开关的c输出端连接，运算电路的b输入端和Ⅱ#电压源的输出端连接；Ⅱ#压控开关的d控制端与低通滤波器输出端相连接，运算电路的a输出端和Ⅱ#压控开关c输入端连接后并通过压控电压源和超导球腔的中极板连接，中极板和Ⅲ#电容连接；Ⅲ#电容与乘法器的一个输入端连接；Ⅱ#压控开关的b输出端与Ⅱ#单刀双掷开关的一个触点连接；Ⅱ#单刀双掷开关另一个触点与地连接；Ⅱ#单刀双掷开关的定点分别与超导悬浮系统的下极板和Ⅱ#电容相连接；Ⅱ#压控开关的a输出端与与Ⅰ#单刀双掷开关的一个触点连接；Ⅰ#单刀双掷开关另一个触点与Ⅰ#电压源连接；Ⅰ#单刀双掷开关的定点分别与超导悬浮系统的上极板和Ⅰ#电容相连接。
2.根据权利要求1所述具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置，其特征在于，所述I#单刀双掷开关一个触点与I#电压源连接，Ⅱ#单刀双掷开关另一个触点与地连接，同时I#电压源通过压控电压源与中极板相连，使反馈控制装置在进行梯度测量时，保证悬浮超导球的电势为0。
3.根据权利要求1所述具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置，其特征在于，所述低通滤波器输出的信号大于0时，Ⅰ#压控开关的a输入端与低通滤波器接通，Ⅰ#压控开关的b输入端与反相器的输出端断开，即低通滤波器的输出信号直接接入运算电路；当低通滤波器输出的信号小于0时，Ⅰ#压控开关的a输入端与低通滤波器断开，Ⅰ#压控开关的b输入端与反相器的输出端接通，即低通滤波器的输出信号通过反相器接入运算电路。
4.根据权利要求1所述具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置，其特征在于，I#单刀双掷开关一个触点与II#压控开关的a输出端连接，Ⅱ#单刀双掷开关另一个触点与II#压控开关的b输出端连接；所述运算电路为加法电路，通过调整Ⅱ#电压源的输出电压，能够使磁悬浮超导球在偏移0位置时，受到的回复力为一个恒力F。
5.根据权利要求1所述具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置，其特征在于，所述反馈控制装置在进行反馈控制时，I#单刀双掷开关一个触点与II#压控开关的a输出端连接，Ⅱ#单刀双掷开关另一个触点与II#压控开关的b输出端连接，压控电压源的控制信号线与运算电路的输出相连，保证悬浮超导球的电势为0；当运算电路输出信号大于0，Ⅱ#压控开关的b输出端与Ⅱ#单刀双掷开关的地触点接通，a输出端与I#单刀双掷开关断开，即运算电路输出信号作用在下极板，当运算电路输出信号小于0，Ⅱ#压控开关a输出端与I#单刀双掷开关接通，b输出端与Ⅱ#单刀双掷开关的地触点断开，运算电路输出的电压信号作用在上极板上。
6.根据权利要求1所述具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置，其特征在于，所述比例放大器的放大系数可调。
7.根据权利要求1所述具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置，其特征在于，Ⅰ#电压源和Ⅱ#电压源均为直流电压源，且输入电压大小可调。
8.一种基于具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的磁力梯度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设置压控电压源的比例系数k1,k1的表达式：
Figure FDA0002386150070000031
式中：
C0是磁悬浮超导球位于中心位置时悬浮超导球与上极板形成的电容，C中是磁悬浮超导球位于中心位置时悬浮超导球与中极板形成的电容；比例系数K1是当压控电压源的控制电压信号为Vy，则压控电压源的输出信号是K1Vy；压控电压源的作用是输出信号接入中极板，使磁悬浮超导球的电势为0；
步骤2，转动Ⅰ#单刀双掷开关接至Ⅰ#电压源，转动Ⅱ#单刀双掷开关接至地线；压控电压源的控制信号线接至Ⅰ#电压源；
步骤3，Ⅰ#电压源1分别输出0V,1V,2V,3V,4V,5V,6V,7V,8V时，记录悬浮超导球稳定后示波器的输出电压Vx；
步骤4，根据Ⅰ#电压源每次的输出计算悬浮磁场的梯度，取8次激励算出的梯度的平均值。
9.根据权利要求8所述基于具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的磁力梯度测量方法，其特征在于，所述步骤3中，在实验开始前不加反馈电路对装置测量电路进行仿真和实验确定超导球相对于超导球腔位置x与测量电路的输出Vx的比例系数K0，记录示波器输出的电压后，把输出电压Vx换算成悬浮超导球的位置x。
10.根据权利要求8所述基于具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置反馈控制装置的磁力梯度测量方法，其特征在于，所述步骤4中，在静电激励前后磁悬浮超导球受力G始终满足：G＝F磁力+F静电力；施加静电激励前磁悬浮超导球的平衡位置x,施加静电激励后磁悬浮超导球的平衡位置x+Δx,这两个位置悬浮超导球所受磁力的变化量等于静电力的变化量
ΔF磁力＝-ΔF静电，梯度磁力梯度gradF磁力＝-gradF静电力；根据所测参数和电容极板的静电力公式
Figure FDA0002386150070000041
d为磁悬浮超导球位于中心位置时，悬浮超导球表面与上极板表面的径向距离，A为超导球差动电容上极板和下极板的面积；然后利用公式就可以计算出每次激励磁悬浮超导球所受的静电力，即可计算出磁力梯度gradF磁力＝-F静电/Δx。
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