CN113899441B - 一种六自由度超导位移探测器 - Google Patents

一种六自由度超导位移探测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种六自由度超导位移探测器，包括六自由度超导磁力弹簧振子、与六自由度超导磁力弹簧振子连接的超导回路、与超导回路连接的电流检测器、与电流检测器连接的可调增益放大器、与可调增益放大器连接的加减法器以及与加减法器连接的数据采集系统；六自由度超导磁力弹簧振子包括六块线圈基座、由六块线圈基座围成的腔体、位于腔体中的一个超导块以及设置在每个线圈基座的内表面上的至少两个超导线圈，每个超导回路由一个超导线圈与对应的一个电感La串联组成，通过超导线圈与超导块的相互作用，实现六自由度位移探测功能，结构简单，仅使用单个超导块实现六自由度位移探测的功能，大幅简化多自由度超导位移探测器的研制过程。

Description

一种六自由度超导位移探测器
技术领域
本发明涉及振动测量技术领域，尤其是涉及一种六自由度超导位移探测器。
背景技术
低温超导位移探测仪器是目前分辨率最高、稳定性最好的探测仪器，在微弱振动测量、地球时变重力测量等领域应用前景广阔。
当前的超导位移探测仪器和超导重力仪器多为单自由度信号探测，利用超导线圈和超导检验质量相互作用构建敏感自由度超导磁力弹簧振子，同时通过非敏感轴超导线圈和超导电路设计限制检验质量在非敏感轴向的运动。这种超导位移探测仪器的设计原理造就了其只能测量单一自由度的振动信号，无法同时实现多自由度振动信号测量。而多自由度的超导位移探测仪器则需要通过同时悬浮多个超导检验质量来实现，仪器设计和制作极为复杂繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、制作方便，只需利用单个超导检验质量就能完成六个自由度位移信号的探测的六自由度超导位移探测器。
本发明所采用的技术方案是，一种六自由度超导位移探测器，包括：六自由度超导磁力弹簧振子、与六自由度超导磁力弹簧振子连接的若干个超导回路、与超导回路连接的电流检测器、与电流检测器连接的可调增益放大器、与可调增益放大器连接的加减法器以及与加减法器连接的数据采集系统；
所述六自由度超导磁力弹簧振子包括六块线圈基座、由六块线圈基座围成的腔体、位于腔体中的一个超导块以及设置在每个线圈基座的内表面上的至少两个超导线圈，超导线圈与超导块之间的磁斥力能够抵消方形超导块的重力，所述磁斥力为超导块位移和转角的函数，超导块所受磁斥力和重力的合力具有恢复力的性质，所述六自由度超导磁力弹簧振子的六个自由度包括超导块在X轴方向、Y轴方向Z轴方向的三个平动自由度和三个转动自由度；
每个超导回路由所述的六自由度超导磁力弹簧振子中的一个超导线圈与对应的一个电感La串联组成，通过在每个超导回路中注入电流，产生磁斥力悬浮超导块；
超导块的位移和转角通过所述超导回路转为电流信号，所述电流检测器用于将每个超导回路中的电流信号进行放大并转换为输出电压信号；
所述可调增益放大器用于将所述电流检测器输出的每个输出电压信号对应放大，同时所述可调增益放大器还用于将由于所述超导线圈参数不同导致的所述超导回路对超导块位移和转角的探测标度因子调节到一致；
所述加减法器用来对所述可调增益放大器的输出信号进行加和减操作，分离出超导块的三个平动自由度和三个转动自由度；
所述数据采集系统记录所述加减法器分离得到的超导块的三个平动自由度和三个转动自由度。
本发明的有益效果是：本发明提出的一种六自由度超导位移探测器，通过X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向上的多对超导线圈与超导块的相互作用，形成六自由度超导磁力弹簧振子，通过超导回路将超导块在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向上的六个自由度位移和转角转换成超导回路的电流，利用电流检测器完成电流检测输出，并通过可调增益放大器和加减法器完成超导块X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向上的六个自由度位移和转角信号的分离，实现六自由度位移探测功能，本发明提出的六自由度超导位移探测器结构简单，制作简便，具有仅使用单个超导块实现六自由度位移探测的功能，大幅简化多自由度超导位移探测器的研制过程。
作为优选，所述六自由度超导磁力弹簧振子的平动刚度和转动刚度表示为：其中，L0、I0分别表示在平衡位置处超导线圈的电感值和超导回路中的恒定电流大小，λ表示超导线圈电感对超导块位移的一阶导数，La表示超导回路串联的电感，l表示超导线圈推动超导块定轴转动的力臂长度。
作为优选，位于超导块同一侧的超导线圈分别连接成的超导回路中的电流和超导块在这一方向的平动位移和转动角度的表达式为：其中x,θ是超导块的平动位移和转动角度，K1和K2是所述超导回路对超导块位移和转角的探测标度因子，其由所述超导线圈、超导回路串联的电感以及超导回路中的恒定电流大小决定。
作为优选，超导线圈与超导块之间磁斥力为超导块位移和转角的函数的表达式为其中，等号右边第一项表示超导线圈与超导块之间的静态磁斥力，第二项为与超导块位移成比例、方向相反的作用力，其具有恢复力的性质。
作为优选，所述超导块为方形超导块，所述超导线圈为平面超导线圈，采用该结构，使得超导线圈的表面形状与方形超导块的表面平行。
作为优选，电流检测器为超导量子干涉仪，或者高精度电流放大器和压流转换器的组合设备。
附图说明
图1为本发明一种六自由度超导位移探测器的结构示意图；
图2为本发明中一个超导线圈串联一个电感La组成的超导回路的电路示意图；
如图所示：1、线圈基座；2、超导线圈；3、超导块；4、数据采集系统；5、电流检测器；6、可调增益放大器；7、加减法器；8、电感La。
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
本发明涉及一种六自由度超导位移探测器，如图1所示，六自由度超导磁力弹簧振子、与六自由度超导磁力弹簧振子连接的若干个超导回路、与若干个超导回路连接的电流检测器、与电流检测器连接的若干个可调增益放大器、与可调增益放大器连接的若干个加减法器以及与加减法器连接的数据采集系统；
图1中示意出了六自由度超导磁力弹簧振子的平面图，六自由度超导磁力弹簧振子包括六块线圈基座、由六块线圈基座从上下前后左右六个方向围成的腔体、位于腔体中的一个方形超导块以及设置在每个线圈基座的内表面上的至少两个平面超导线圈，图1中示意出设置了两个平面超导线圈，本发明不仅限于两个，还可以是两个以上，根据实际情况设定，平面超导线圈与方形超导块之间的磁斥力能够抵消方形超导块的重力，所述磁斥力为方形超导块位移和转角的函数，方形超导块所受磁斥力和重力的合力具有恢复力的性质，所述六自由度超导磁力弹簧振子的六个自由度包括方形超导块在X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的三个平动自由度和三个转动自由度。
图1中示意出了超导块为方形超导块，对应的超导线圈为平面超导线圈，本发明不仅限于方形超导块和对应的平面超导线圈，还可以采用球形超导块和对应的曲面超导线圈。
每个超导回路均通过所述的六自由度超导磁力弹簧振子中的一个超导线圈串联一个电感La与组成，如图2所示，示意出了一个超导回路是由一个电感La与六自由度超导磁力弹簧振子中的一个超导线圈串联组成，六自由度超导磁力弹簧振子中每一个超导线圈都有一个对应的超导回路，尽管图1和图2示意出了一个超导线圈连接一个电感La来组成一个超导回路，但是本发明不仅限于一个超导回路对应只有一个超导线圈，还可以连接六自由度超导磁力弹簧振子中的两个超导线圈及以上，即一个电感连接六自由度超导磁力弹簧振子中的两个及以上超导线圈来组成一个超导回路，根据实际需要来限定；通过在每个超导回路中注入电流，产生磁斥力悬浮方形超导块。
平面超导线圈的电感是方形超导质量块的位移和转角的函数，平面超导线圈连接成超导回路后，根据磁通守恒性质，方形超导块的位移和转角通过所述超导回路转为电流信号；所述电流检测器用于将每个超导回路中的电流信号进行放大并转换为输出电压信号。
每个可调增益放大器通过电流检测器与每个超导回路连接，在图1中，位于同一块线圈基座上的超导线圈所连接的可调增益放大器连接在同一个加减法器上，以图1中位于图上右侧的线圈基座为例，该线圈基座上的两个超导线圈分别与一个电感La连接组成各自的超导回路，两个超导回路通过电流检测器分别与两个可调增益放大器连接，那么这两个可调增益放大器需连接在同一个加减法器上；
所述可调增益放大器用于将所述电流检测器输出的每个输出电压信号对应放大，同时所述可调增益放大器用于将由于所述超导线圈参数不同导致的所述超导回路对超导块位移和转角的探测标度因子调节到一致；
所述加减法器用来对所述可调增益放大器的输出信号进行加和减操作，分离出超导块的三个平动自由度和三个转动自由度；
所述数据采集系统记录所述加减法器分离得到的超导块的三个平动自由度和三个转动自由度。
所述六自由度超导磁力弹簧振子的平动刚度和转动刚度表示为：
其中，L0、I0分别表示在平衡位置处超导线圈的电感值和超导回路中的恒定电流大小，λ表示超导线圈电感对超导块位移的一阶导数，La表示超导回路串联的电感，l表示超导线圈推动超导块定轴转动的力臂长度。
位于超导块同一侧的超导线圈分别连接成的超导回路中的电流和超导块在这一方向的平动位移和转动角度的表达式为：其中x,θ是超导块的平动位移和转动角度，K1和K2是所述超导回路对超导块位移和转角的探测标度因子，其由所述超导线圈、超导回路串联的电感以及超导回路中的恒定电流大小决定。
电流检测器为超导量子干涉仪，或者高精度电流放大器和压流转换器的组合设备。
方形超导块选用的是超导材料，每个平面超导线圈按图2所示的方式连接成超导回路，每个超导回路中通入电流后，平面超导线圈和方形超导块间产生磁作用力，抵消超导块的重力，悬浮超导块。根据电磁学原理，平面超导线圈和方形超导块间的磁作用力可表示为：
其中，L为平面超导线圈与方形超导块位移x相关的电感值，I为流经平面超导线圈的电流。
根据超导体的迈斯纳效应，在方形超导块存在微小位移和角度变化时，平面超导线圈的电感与超导块位移之间的关系式表示为：
L(x)＝L0(1+λ(x+lθ)) (2)
其中，L0是超导块处于平衡位置时，平面超导线圈的电感，λ是平面超导线圈电感对超导块位移的一阶导数。
根据超导体的零电阻特性，超导回路具有磁通守恒性质，那么超导回路磁通守恒方程表示为：
(L(x)+La)I＝(L0+La)I0 (3)
其中，La是超导回路串联的电感，I0是通入超导回路的恒定电流。
由式(2)和式(3)可求得超导回路中的电流和超导块位移的关系，在一阶近似情况下表示为：
结合式(1)，(2)和(4)可以求得平面超导线圈与方形超导块之间的磁斥力，忽略高阶小项后，可表示为：
式(5)右边第一项表示超导线圈与超导块之间的静态磁斥力，第二项为与超导块位移成比例、方向相反的作用力，其具有恢复力的性质，可构建超导磁力弹簧振子。以Z轴方向为例，在Z轴方向上，超导块所受的总的磁斥力为在Z轴方向上的每个平面超导线圈磁斥力之和：
Ft＝∑Fi＝F0+K(x+lθ) (6)
其中，F0为总的静态磁斥力，用来抵消超导块的重力，K则为超导磁力弹簧振子刚度；在Z轴方向上可构建两自由度超导磁力弹簧振子，在X轴方向和Y轴方向上均与之一致。
按图1所示的平面超导线圈的布局，以Z轴方向为例进行说明。假设方形超导块存在向上的位移x和绕水平轴向左的转动角度θ时，选择一块线圈基座的同侧或者对角的两个平面超导线圈连成的超导回路为例，两个平面超导线圈和方形超导块的间距可分别表示为：
两个平面超导线圈中的电流为：
其中，I10，I20分别为通入两平面超导线圈的恒定电流；L10和L20为平衡位置处两平面超导线圈的电感，λ1和λ2为两平面超导线圈电感对超导块位移的一阶导数；La1和La2为两超导回路串联的电感。
本发明所述的电流检测器将所述超导回路电流成比例的转换成输出电压信号：
其中，K是电流检测器的增益系数。
由于加工制作误差等因素，两个平面超导线圈和两个超导回路串联的电感参数存在差别，导致两个超导回路探测超导块平动位移和转动角度的标度因子不一致，无法从所述两超导回路电流中求解得到超导块的平动位移和转动角度。
本发明所述的可调增益放大器用来补偿所述两个超导回路探测超导块平动位移和转动角度的标度因子的不一致，假设可调增益放大器的增益分别为Ka和Kb，只需调节Ka或者Kb使其满足：
所述加减法器将可调增益放大器补偿后的输出电压信号进行加和减操作，分离出超导块平动位移和转动角度，最终超导块平动位移和转动角度可表示为：
另外，X轴方向和Y轴方向的超导块平动位移和转动角度的推导过程与X轴方向一致，本发明提出的一种六自由度超导位移探测器，具有利用单个超导块实现三个自由度平动位移和三个自由度转动角度，共计六自由度的探测能力。
本发明针对现有多自由度超导位移探测器研制须使用多个超导质量块的情况，提出了一种仅使用单个超导块构建六自由度超导位移探测器，其核心是通过X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向上多对平面超导线圈与方形超导块相互作用，形成六自由度超导磁力弹簧振子，通过超导回路将方形超导块三个方向上的六个自由度位移和转角转换成超导回路的电流，利用电流检测器完成电流检测输出，并通过可调增益放大器和加减法器完成方形超导块三个方向上的六个自由度位移和转角信号的分离，实现六自由度位移探测功能。

Claims (5)

1.一种六自由度超导位移探测器，其特征在于：包括六自由度超导磁力弹簧振子、与六自由度超导磁力弹簧振子连接的超导回路、与超导回路连接的电流检测器、与电流检测器连接的可调增益放大器、与可调增益放大器连接的加减法器以及与加减法器连接的数据采集系统；
所述六自由度超导磁力弹簧振子包括六块线圈基座、由六块线圈基座围成的腔体、位于腔体中的一个超导块以及设置在每个线圈基座的内表面上的至少两个超导线圈，超导线圈与超导块之间的磁斥力能够抵消超导块的重力，所述磁斥力为超导块位移和转角的函数，超导块所受磁斥力和重力的合力具有恢复力的性质，所述六自由度超导磁力弹簧振子的六个自由度包括超导块在X轴方向、Y轴方向Z轴方向的三个平动自由度和三个转动自由度；
每个超导回路由所述的六自由度超导磁力弹簧振子中的一个超导线圈与对应的一个电感La串联组成，通过在每个超导回路中注入电流，产生磁斥力悬浮超导块；
超导块的位移和转角通过所述超导回路转为电流信号，所述电流检测器用于将每个超导回路中的电流信号进行放大并转换为输出电压信号；
所述可调增益放大器用于将所述电流检测器输出的每个输出电压信号对应放大，同时所述可调增益放大器还用于将由于超导线圈之间参数不同导致的所述超导回路对超导块位移和转角的探测标度因子调节到一致；
所述加减法器用来对所述可调增益放大器的输出信号进行加和减操作，分离出超导块的三个平动自由度和三个转动自由度；
所述数据采集系统记录所述加减法器分离得到的超导块的三个平动自由度和三个转动自由度。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度超导位移探测器，其特征在于：所述六自由度超导磁力弹簧振子的平动刚度和转动刚度表示为：其中，L0、I0分别表示在平衡位置处超导线圈的电感值和超导回路中的恒定电流大小，λ表示超导线圈电感对超导块位移的一阶导数，La表示超导回路串联的电感，l表示超导线圈推动超导块定轴转动的力臂长度。
3.根据权利要求2所述的一种六自由度超导位移探测器，其特征在于：位于超导块同一侧的超导线圈分别连接成的超导回路中的电流和超导块在这一方向的平动位移和转动角度的表达式为：其中x,θ是超导块的平动位移和转动角度，K1和K2是所述超导回路对超导块位移和转角的探测标度因子。
4.根据权利要求1所述的一种六自由度超导位移探测器，其特征在于：所述超导块为方形超导块，所述超导线圈为平面超导线圈。
5.根据权利要求1所述的一种六自由度超导位移探测器，其特征在于：电流检测器为超导量子干涉仪，或者高精度电流放大器和压流转换器的组合设备。
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