CN114089234A - 一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法及测量装置。所述方法包括：获取初始条件下的状态值；所述初始条件时超导悬浮检验质量受到的悬浮力的方向沿地垂线方向；所述状态值包括：所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度和超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标；多次调整所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度得到每次调整后的状态值；基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定超导磁悬浮场的磁力梯度。本发明测量方法简单并且测量效率高。

Description

一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及磁力梯度测量技术领域，特别是涉及一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法及测量装置。

背景技术

基于零电阻特性和迈斯纳效应的超导磁悬浮技术可以实现长期稳定的无接触悬浮，这使得依托超导磁悬浮技术形成的超导磁悬浮重力测量系统(超导重力仪)在精密重力信号测量领域具有重要应用价值。如图2所示，与常规的重力测量仪器相比，超导磁悬浮重力测量系统7包括超导磁悬浮系统1和超导悬浮检验质量2，使用超导磁悬浮场代替常规的机械弹簧，在进行长期连续重力信号测量时，漂移大为减少，超导磁悬浮场的磁力梯度就相当于传统机械弹簧的弹性系数。对于同样的超导悬浮检验质量，磁力梯度越小，超导磁悬浮重力测量系统所能探测到的重力信号变化量就越小，灵敏度就越高。但是，如果超导磁悬浮场的磁力梯度过小，又会降低系统的抗扰动能力，不利于系统的稳定运行。因此，在超导磁悬浮场的建立过程中，需要合理调节磁力梯度的大小，这就要求对超导磁悬浮场的磁力梯度值进行必要的测量。

目前，磁力梯度测量方法主要有静电力法、磁脉冲力法、潮汐观测法和共振响应法等。静电力法、磁脉冲法和共振响应法都要依赖额外的专用设备，而且操作过程比较麻烦，而潮汐观测法需要记录较长时间的潮汐变化信号才能解算出磁力梯度值，比较耗时，效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法及测量装置，测量方法简单并且测量效率高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法，包括：

获取初始条件下的状态值；所述初始条件时超导悬浮检验质量受到的悬浮力的方向沿地垂线方向；所述状态值包括：所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度和超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标；

多次调整所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度得到每次调整后的状态值；

基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定超导磁悬浮场的磁力梯度。

可选的，所述基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定超导磁悬浮场的磁力梯度，具体包括：

基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定每次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度；

根据每次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度计算磁力梯度平均值；

将所述磁力梯度平均值确定为超导磁悬浮场的磁力梯度。

可选的，所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度的确定过程，具体包括：

分别获取所述超导磁悬浮重力测量系统在X轴方向上的倾斜角度和在Y轴方向上的倾斜角度；

根据所述X轴方向上的倾斜角度和所述Y轴方向上的倾斜角度计算所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度。

可选的，所述根据所述X轴方向上的倾斜角度和所述Y轴方向上的倾斜角度计算所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，具体为：

根据公式

计算所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，其中，θ表示超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，θ_x表示X轴方向上的倾斜角度，θ_y表示Y轴方向上的倾斜角度，0°≤θ且θ_x≤0.5°且θ_y≤0.5°。

可选的，所述基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定每次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度，具体为：

根据公式K_i＝mg·(1/cos(θ_i-θ₀)_-1)/(d_i-d₀)计算第i次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度，其中，K_i表示第i次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度，m表示超导悬浮检验质量的质量，g表示重力加速度，θ_i表示第i次调整后的超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，θ₀表示初始条件下超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，d_i表示第i次调整后的所述超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标，d₀表示初始条件下超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标。

一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量装置，应用于上述所述的超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法，所述装置包括：用于支撑超导磁悬浮重力测量系统的多个可调节高度的支脚。

可选的，所述超导磁悬浮场的磁力梯度测量装置，还包括：设置在所述超导磁悬浮重力测量系统上的倾斜仪，所述倾斜仪的X轴与多个所述支脚中的两个所述支脚的连线平行。

可选的，所述支脚的数量为三个，三个所述支脚组成一个等边三角形。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明在测量磁场梯度时获取初始条件下的状态值；多次调整超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度得到每次调整后的状态值；基于初始条件下的状态值和每次调整后的状态值确定超导磁悬浮场的磁力梯度，只要多次调整倾斜角度即可，不需要其他额外设备，而且测量方法简单测量效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法的流程图；

图2为本发明提供的初始条件下超导悬浮检验质量的受力示意图；

图3为本发明提供的超导磁悬浮重力测量系统倾斜角度为θ_i时超导悬浮检验质量的受力示意图；

图4为本发明提供的三个支脚和倾斜仪X轴、Y轴的放置关系示意图。

符号说明：

1-超导磁悬浮系统、2-超导悬浮检验质量、3-倾斜仪、4-第一支脚、5-第二支脚、6-第三支脚、7-超导磁悬浮重力测量系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提出的超导磁悬浮场的磁力梯度测量原理为：通过改变超导磁悬浮重力测量系统的倾斜状态来打破超导悬浮检验质量的受力平衡状态，使得超导悬浮检验质量所受的超导磁悬浮力在重力方向上的分量产生变化，而用于重力测量的超导磁悬浮场是一个均匀的负磁力梯度场，具有自稳定特性，在这种情况下，超导悬浮检验质量的悬浮位置会发生改变，同时其所受的超导磁悬浮力也会产生相应改变，最终达到新的静力平衡状态。

在初始条件下改变倾斜状态到实现新的静力平衡状态，超导悬浮检验质量的受力分析为：

在初始条件下，超导悬浮检验质量所受的悬浮力的方向沿地垂线方向，记为F₀，如图2所示，力平衡状态时满足F₀＝mg。当倾斜状态由初始条件下的θ₀变为θ_i时的瞬间，超导悬浮检验质量所受的悬浮力在重力方向上的分量为F₀*cos(θ_i-θ₀)，小于mg，此时由于超导磁悬浮场为负磁力梯度场，超导悬浮检验质量会向下移动，其所受的悬浮力会增大，直到达到新的静力平衡状态，第i次倾斜调整达到静力平衡状态时超导悬浮检验质量所受的悬浮力记为F_i，如图3所示，F_i cos(θ_i-θ₀)＝mg。在倾斜状态改变到实现新的静力平衡状态，超导悬浮检验质量所受的悬浮力变化量为ΔF＝F_i-F₀＝mg(1/cos(θ_i-θ₀)-1)。需要指出的是，由于倾斜仪安装等误差存在，初始条件下倾斜角度值θ₀不一定为0。

在此过程中，相当于通过改变超导磁悬浮重力测量系统的倾斜状态给超导悬浮检验质量的力平衡状态引入了一个“变化的力”，根据倾斜角度的变化可以计算出相应超导磁悬浮力的变化量，再结合相应超导悬浮检验质量的悬浮位置变化量，就可以确定超导磁悬浮场的磁力梯度值大小，如图1所示，具体步骤如下：

步骤101：获取初始条件下的状态值；如图2所示，初始条件时超导悬浮检验质量受到的悬浮力的方向沿地垂线方向；所述状态值包括：所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度和超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标。

步骤102：多次调整所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度得到每次调整后的状态值，倾斜调整后超导悬浮检验质量的受力状态如图3所示。

步骤103：基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定超导磁悬浮场的磁力梯度。

在实际应用中，步骤103具体包括：

基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定每次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度。

根据每次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度计算磁力梯度平均值。

将所述磁力梯度平均值确定为超导磁悬浮场的磁力梯度。

在实际应用中，步骤101和步骤102中超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度的确定过程具体包括：

分别获取所述超导磁悬浮重力测量系统在X轴方向上的倾斜角度和在Y轴方向上的倾斜角度。

根据所述X轴方向上的倾斜角度和所述Y轴方向上的倾斜角度计算所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度。

在实际应用中，根据所述X轴方向上的倾斜角度和所述Y轴方向上的倾斜角度计算所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，具体为：

根据

公式1，计算超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，其中，θ表示超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，θ_x表示X轴方向上的倾斜角度，θ_y表示Y轴方向上的倾斜角度。

在实际应用中，基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定每次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度，具体为：

根据K_i＝mg·(1/cos(θ_i-θ₀)-1)/(d_i-d₀) 公式2，计算第i次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度，其中，K_i表示第i次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度，m表示超导悬浮检验质量的质量，g表示重力加速度，θ_i表示第i次调整后的超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，θ₀表示初始条件下超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，d_i表示第i次调整后的所述超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标，d₀表示初始条件下超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标。

本发明还提供了一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量装置，其特征在于，应用于上述实施例所述的超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法，所述装置包括：用于支撑超导磁悬浮重力测量系统7的多个可调节高度的支脚，所述支脚用于改变所述超导磁悬浮重力测量系统7的倾斜角度。

作为一种可选的实施方式，上述超导磁悬浮场的磁力梯度测量装置，还包括：设置在所述超导磁悬浮重力测量系统7上的倾斜仪3，所述倾斜仪3的X轴与多个所述支脚中的两个所述支脚的连线平行，倾斜仪3的Y轴和Y轴所形成的平面与支脚构成的平面平行。

作为一种可选的实施方式，所述支脚的数量为三个，三个所述支脚组成一个等边三角形。

使用本装置实现上述测量方法的具体步骤为：

(1)如图4所示，倾斜仪3的X轴沿着磁悬浮重力测量系统的第二支脚5和第三支脚6连线方向，X轴正方向由第二支脚5指向第三支脚6；倾斜仪3的Y轴沿着第二支脚5和第三支脚6连线中垂线方向。

(2)调节支脚高度，改变超导磁悬浮重力测量系统7的倾斜状态，观察超导悬浮检验质量2的悬浮位置坐标，使超导悬浮检验质量2的悬浮力沿着地垂线方向，记录下此时倾斜仪3的X轴的数值θ_x和Y轴的数值θ_y，根据公式1计算出此时超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度θ₀，作为超导磁悬浮重力测量系统倾斜状态的零点，记录下此时超导悬浮检验质量2的悬浮位置坐标d₀。

(3)多次调节支脚高度，保持倾斜仪3的X轴倾斜角度不变，按照确定的调节方向和步长改变Y轴倾斜角度或者控制Y轴倾斜角度不变单独改变X轴的倾斜角度或者同时改变X轴和Y轴的倾斜角度值，调整后超导悬浮检验质量2的受力情况如图3所示，采用公式1同样的原理计算出相应的调整后的超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度θ_i，同时记录调整后的超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标d_i。

(4)基于θ₀、d₀、θ_i、d_i和公式2计算每次调整后的磁力梯度。

(5)对计算得到的每次调整后的磁力梯度{K₁,K₂,...,K_n}根据公式K_均＝(K₁+K₂+...+K_n)/n(0≤n≤10)求磁力梯度平均值K_均，作为超导磁悬浮场磁力梯度值的测量结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明依靠超导磁悬浮重力测量系统自身必备的倾斜仪，通过改变超导磁悬浮重力测量系统的倾斜状态，再通过解算，即可实现对超导磁悬浮场微弱磁力梯度的测量，操作简单，不用依赖额外的专用设备，成本低，测量效率高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法，其特征在于，包括：

获取初始条件下的状态值；所述初始条件时超导悬浮检验质量受到的悬浮力的方向沿地垂线方向；所述状态值包括：所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度和超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标；

多次调整所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度得到每次调整后的状态值；

基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定超导磁悬浮场的磁力梯度。

2.根据权利要求1所述的一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法，其特征在于，所述基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定超导磁悬浮场的磁力梯度，具体包括：

基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定每次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度；

根据每次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度计算磁力梯度平均值；

将所述磁力梯度平均值确定为超导磁悬浮场的磁力梯度。

3.根据权利要求1所述的一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法，其特征在于，所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度的确定过程，具体包括：

分别获取所述超导磁悬浮重力测量系统在X轴方向上的倾斜角度和在Y轴方向上的倾斜角度；

根据所述X轴方向上的倾斜角度和所述Y轴方向上的倾斜角度计算所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度。

4.根据权利要求3所述的一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法，其特征在于，所述根据所述X轴方向上的倾斜角度和所述Y轴方向上的倾斜角度计算所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，具体为：

根据公式

计算所述超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，其中，θ表示超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，θ_x表示X轴方向上的倾斜角度，θ_y表示Y轴方向上的倾斜角度，0°≤θ且θ_x≤0.5°且θ_y≤0.5°。

5.根据权利要求2所述的一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法，其特征在于，所述基于所述初始条件下的状态值和每次调整后的所述状态值确定每次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度，具体为：

根据公式K_i＝mg·(1/cos(θ_i-θ₀)-1)/(d_i-d₀)计算第i次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度，其中，K_i表示第i次调整后的超导磁悬浮场的磁力梯度，m表示超导悬浮检验质量的质量，g表示重力加速度，θ_i表示第i次调整后的超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，θ₀表示初始条件下超导磁悬浮重力测量系统的倾斜角度，d_i表示第i次调整后的所述超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标，d₀表示初始条件下超导悬浮检验质量的悬浮位置坐标。

6.一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量装置，其特征在于，应用于上述权利要求1-5中任意一项所述的超导磁悬浮场的磁力梯度测量方法，所述装置包括：用于支撑超导磁悬浮重力测量系统的多个可调节高度的支脚。

7.根据权利要求6所述的一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量装置，其特征在于，还包括：设置在所述超导磁悬浮重力测量系统上的倾斜仪，所述倾斜仪的X轴与多个所述支脚中的两个所述支脚的连线平行。

8.根据权利要求7所述的一种超导磁悬浮场的磁力梯度测量装置，其特征在于，所述支脚的数量为三个，三个所述支脚组成一个等边三角形。

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