CN114966494B - 基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置及其测量方法，涉及磁悬浮制动装置技术领域。本申请中，电机启动后第一行走机构工作使得第一滑块向下运动，并带动悬浮体向磁场发生装置靠近，悬浮体产生感应电流，进而使得悬浮体获得悬浮力，并通过所述悬浮体上设置的所述三维霍尔传感器、所述热传感器和所述三轴力传感器分别采集磁场矢量数据、温度数据和力学数据，将同一时刻下采集的磁场矢量数据、温度数据、导向力、悬浮力和磁阻力的数据进行耦合处理，得到悬浮体的基于磁、热、力多场耦合测试数据，不仅能减少因不同采集设备时间差而导致的实验误差，还能提高数据的可靠性与实验的便捷性。

Description

基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮制动装置技术领域，具体而言，涉及基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置及其测量方法。

背景技术

随着社会的发展，人们对更高速度的轨道交通系统的需求也日益增加，各种磁悬浮系统在运行过程中面临磁-热-力多物理场的环境。但是，现有的测量装置只能测试悬浮力和导向力，功能较为单一，不能进行磁-热-力多场耦合的测试。

发明内容

本发明的目的在于提供基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置及其测量方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

本申请提供一种基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置，包括支撑架、磁悬浮组件、第一行走机构，所述支撑架包括相互垂直设置的第一构架和第二构架，所述第一构架平行于地面设置；所述磁悬浮组件包括磁场发生装置和悬浮体，所述磁场发生装置设置于所述第一构架上，所述悬浮体设置于所述磁场发生装置的正上方且平行于地面，所述悬浮体上还设置有三维霍尔传感器、热传感器和三轴力传感器；所述第一行走机构设置于所述第二构架，所述第一行走机构与所述悬浮体固定相连，且所述悬浮体沿所述第一行走机构的延伸方向移动；其中，随着第一行走机构的移动，所述悬浮体在所述第一行走机构的带动下向所述磁场发生装置靠近，所述悬浮体在所述磁场发生装置产生的磁场作用下获得悬浮力，并通过所述悬浮体上设置的所述三维霍尔传感器、所述热传感器和所述三轴力传感器分别采集磁场矢量数据、温度数据和力学数据，处理后获得基于磁、热、力多场耦合测试数据。

在本申请的一些实施例中，所述磁场发生装置包括可拆卸相连的低温保温盒和永磁阵列，所述永磁阵列设置于所述第一构架上，所述低温保温盒位于所述永磁阵列的正上方；所述悬浮体包括相互平行且间隔设置的第一板和第二板，所述第一板靠近所述低温保温盒的一侧设置有容置腔，所述容置腔内具有超导体，所述超导体上设有所述三维霍尔传感器和所述热传感器；所述第二板设置有所述三轴力传感器，所述第二板远离所述低温保温盒设置，所述第二板与所述第一行走机构固定相连。

在本申请的一些实施例中，所述第一板设有开口，所述开口与所述容置腔相连通。

在本申请的一些实施例中，所述超导体设置有至少两个不同深度和/或至少两个不同位置的盲孔，所述热传感器和/或所述三维霍尔传感器设置于所述盲孔内。

在本申请的一些实施例中，所述三维霍尔传感器和所述热传感器分别通过聚酰亚胺胶带粘贴相连。

在本申请的一些实施例中，所述磁场发生装置还包括第二行走机构，所述第二行走机构包括相互垂直设置的第一轴和第二轴，所述第一轴包括两个平行设置于所述第一构架的子轴，所述第二轴设置于所述子轴的上方，所述第二轴沿所述子轴的延伸方向移动，所述磁场发生装置固定设置于所述第二轴的上方。

在本申请的一些实施例中，所述磁场发生装置为电磁铁组件，所述悬浮体为感应板，所述三维霍尔传感器和所述热传感器分别通过耐高温的聚酰亚胺胶带与所述感应板粘贴相连，所述感应板远离所述电磁铁组件的一侧与所述三轴力传感器相连，所述三轴力传感器与所述第一行走机构相连。

在本申请的一些实施例中，所述基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置还包括运动控制器和数据采集器，所述运动控制器用于记录所述第一行走机构和/或所述第二行走机构接受到的电脉冲信号；所述数据采集器用于记录与所述电脉冲信号对应的磁场矢量数据、温度数据和力学数据。

本申请还提供上述基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置的测量方法，所述测量方法包括：

电机启动后所述磁场发生装置制造磁场，所述第一行走机构的移动；

所述第一行走机构的移动带动与其固定相连的所述悬浮体朝所述磁场发生装置靠近，所述悬浮体在所述磁场的作用下而获得悬浮力；

获取特征参数，所述特征参数为悬浮体上的所述三维霍尔传感器、所述热传感器和所述三轴力传感器采集磁场矢量数据、温度数据和力学数据；

根据所述特征参数，将所述特征参数在同一时间序列下的所述磁场矢量数据、所述温度数据和所述力学数据进行耦合分析，得到同一测试点的基于磁、热、力多场耦合测试数据。

本发明的有益效果为：

电机启动后第一行走机构工作使得第一滑块向下运动，并带动悬浮体向磁场发生装置靠近，悬浮体产生感应电流，感应电流在磁场发生装置所制造的磁场的作用下产生洛伦磁力，进而使得悬浮体获得悬浮力，并通过所述悬浮体上设置的所述三维霍尔传感器、所述热传感器和所述三轴力传感器分别采集磁场矢量数据、温度数据和力学数据，将同一时刻下采集的磁场矢量数据、温度数据、导向力、悬浮力和磁阻力的数据进行耦合处理，得到悬浮体的基于磁、热、力多场耦合测试数据，不仅能减少因不同采集设备时间差而导致的实验误差，还能提高数据的可靠性与实验的便捷性。而且，在对悬浮体的准静态测试中充分考虑到其在现实的运行过程中面临磁-热-力多物理场环境的影响，磁悬浮系统的悬浮、导向、磁阻力会受到磁场与温度场的影响，因而得到的测试数据更为接近实际运行中悬浮体的各项运行参数。再者，可以通过对第一行走机构运动的控制，实现悬浮体在纵向上不同位置的实验数据的测试。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1所示为多磁浮制式测量装置的结构示意图；

图2所示为第一板的内部结构示意图；

图3所示为另一种多磁浮制式测量装置的结构示意图。

图中标记：100-多磁浮制式测量装置；101-第一构架；102-第二构架；2-磁场发生装置；21-永磁阵列；22-低温保温盒；23-电磁铁组件；24-感应板；251-三维霍尔传感器；252-热传感器；253-三轴力传感器；254-第一板；255-螺杆；256-第二板；257-容置腔；258-超导体；259-盲孔；3-第一行走机构；301-第一滑块；31-子轴；32-第二轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

请参见图1，图1所示为本实施例的多磁浮制式测量装置100的结构示意图。

本申请提供一种基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置100，包括支撑架、磁悬浮组件、第一行走机构3，所述支撑架包括相互垂直设置的第一构架101和第二构架102，所述第一构架101平行于地面设置；所述磁悬浮组件包括磁场发生装置2和悬浮体，所述磁场发生装置2设置于所述第一构架101上，所述悬浮体设置于所述磁场发生装置2的正上方且平行于地面，所述悬浮体上还设置有三维霍尔传感器251、热传感器252和三轴力传感器253；所述第一行走机构3设置于所述第二构架102，所述第一行走机构3与所述悬浮体固定相连，且所述悬浮体沿所述第一行走机构3的延伸方向移动；其中，随着第一行走机构3的移动，所述悬浮体在所述第一行走机构3的带动下向所述磁场发生装置2靠近，所述悬浮体在所述磁场发生装置2产生的磁场作用下获得悬浮力，并通过所述悬浮体上设置的所述三维霍尔传感器251、所述热传感器252和所述三轴力传感器253分别采集磁场矢量数据、温度数据和力学数据，处理后获得基于磁、热、力多场耦合测试数据。

具体地，所述第一行走机构3包括啮合传动的第一丝杠和第一滑块301，第一滑块301与悬浮体固定相连。电机启动后第一行走机构3工作使得第一滑块301向下运动，并带动悬浮体向磁场发生装置2靠近，悬浮体产生感应电流，感应电流在磁场发生装置2所制造的磁场的作用下产生洛伦磁力，进而使得悬浮体获得悬浮力。悬浮体上的三维霍尔传感器251采集悬浮体所在的磁场矢量数据，在本实施例中，考虑到永磁轨道磁悬浮磁感应强度在1T以内，而传统的霍尔传感器最大量程为300mT，因此传感器选择为GaAs类型的霍尔传感器，GaAs类型的霍尔传感器可以达到-3T到3T的量程，并确定了在同一霍尔系列上响应比较灵敏的型号为AKM Hg 176A的三维霍尔传感器251，以获得高灵敏度响应，通过可设定恒定磁场的超导磁体进行传感器标定以确保其测量的准确性，然后通过恒定电流源制成的变送器设置5mA恒定电流输入到霍尔传感器，霍尔传感器即可输出和磁场相对应的差分模拟信号，获得悬浮体的磁场矢量数据。热传感器252采用四线制PT-100，热变送器采用美捷仪表的智能温度变送器，其精度可达0.1％F.S，可自定义热传感器252类别和温度采集范围，输出线性0-5V信号，获得悬浮体的温度数据。三轴力传感器253采集同一位置处悬浮体的导向力、悬浮力和磁阻力的数据。将同一时刻下采集的磁场矢量数据、温度数据、导向力、悬浮力和磁阻力的数据进行耦合处理，得到悬浮体的基于磁、热、力多场耦合测试数据，不仅能减少因不同采集设备时间差而导致的实验误差，还能提高数据的可靠性与实验的便捷性。而且，在对悬浮体的准静态测试中充分考虑到其在现实的运行过程中面临磁-热-力多物理场环境的影响，磁悬浮系统的悬浮、导向、磁阻力会受到磁场与温度场的影响，因而得到的测试数据更为接近实际运行中悬浮体的各项运行参数。再者，可以通过对第一行走机构3运动的控制，实现悬浮体在纵向上不同位置的实验数据的测试。

本实施例中，所述磁场发生装置2包括可拆卸相连的低温保温盒22和永磁阵列21，所述永磁阵列21设置于所述第一构架101上，所述低温保温盒22位于所述永磁阵列21的正上方；所述悬浮体包括相互平行且间隔设置的第一板254和第二板256，所述第一板254靠近所述低温保温盒22的一侧设置有容置腔257，所述容置腔257内具有超导体258，所述超导体258上设有所述三维霍尔传感器251和所述热传感器252；所述第二板256设置有所述三轴力传感器253，所述第二板256远离所述低温保温盒22设置，所述第二板256与所述第一行走机构3固定相连。使用时，将液氮注入低温保温盒22中，启动电机使得第一滑块301向下移动，第一板254在第一滑块301的带动下进入低温保温盒22内，并使得第一容纳腔内的超导体258浸在液氮中，且超导体258在永磁阵列21提供的梯度磁场的作用下产生感应电流，进而获得悬浮力。将三维霍尔传感器251和所述热传感器252设置在超导体258上，而将三轴力传感器253设置于第二板256上以提高其测量数据的精准度。进一步地，所述第一板254设有开口，所述开口与所述容置腔257相连通，如此超导体258可以浸渍在液氮中，快速使得超导体258降温而达到超导态，进而获得悬浮力。

在本实施例中，所述三维霍尔传感器251和所述热传感器252分别通过聚酰亚胺胶带粘贴相连，可以避免对磁场产生影响进而提高测量数据的精准度，且撕、贴较为方便，便于更换待测试原材料。详细地，所述超导体258设置有至少两个不同深度和/或至少两个不同位置的盲孔259，所述热传感器252和/或所述三维霍尔传感器251设置于所述盲孔259内。可根据实际需求，可布置多个不同的位置、深度的测量点，以检测超导体258不同位置的数据。

详细地，所述磁场发生装置2还包括第二行走机构，所述第二行走机构包括相互垂直设置的第一轴和第二轴32，所述第一轴包括两个平行设置于所述第一构架101的子轴31，所述第二轴32设置于所述子轴31的上方，所述第二轴32沿所述子轴31的延伸方向移动，所述磁场发生装置2固定设置于所述第二轴32的上方。通过第一行走机构3和第二行走机构之间的相互移动来模拟悬浮体与磁轨之间的运动状态，实现悬浮体与磁轨之间不同位置的磁、热、力等多场耦合的数据，且还具备空间扫描磁场、热场功能等。本实施例中的第一轴采用150mm的宽双线轨重型子轴31，稳定性高，其最大载重能力可达150kg，且第一轴和第二轴32均为丝杠结构。在测试模拟磁轨多场耦合测试中，只需将低温保温盒22撤掉即可完成，可以一物多用，测试功能较为丰富。

进一步地，所述基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置100还包括运动控制器和数据采集器，所述运动控制器用于记录所述第一行走机构3和/或所述第二行走机构接受到的电脉冲信号；所述数据采集器用于记录与所述电脉冲信号对应的磁场矢量数据、温度数据和力学数据。本实施例中，电机末端配置有旋转式编码器，可通过脉冲信号实时反馈第一行走机构3和/或第二行走机构的运动的位置，并将其几率至运动控制器及电机驱动器中，从而实现对其实时位置进行精准地记录或调控。而数据采集器用于记录与所述电脉冲信号对应的磁场矢量数据、温度数据和力学数据，从而实现时空上的连续测试。

实施例2

在本申请的一些实施例中，所述磁场发生装置2为电磁铁组件23，所述悬浮体为感应板24，所述三维霍尔传感器251和所述热传感器252分别通过耐高温的聚酰亚胺胶带与所述感应板24粘贴相连，所述感应板24远离所述电磁铁组件23的一侧与所述三轴力传感器253相连，所述三轴力传感器253与所述第一行走机构3相连。

电源开启后，电磁铁组件23通电后产生磁场，且第一行走机构3在电机的驱动下运动，第一滑块301带动三轴力传感器253向下运动，且在三轴力传感器253的传动下，感应板24靠近电磁铁组件23而产生感应电流，感应电流在磁场作用下使得感应板24获得悬浮力，并基于三维霍尔传感器251、所述热传感器252和三轴力传感器253而获得悬浮体基于磁、热、力多场耦合测试数据。

上述基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置100的通用性高，通过第一行走机构3和第二行走机构之间的相互运动可模拟真实的磁悬浮列车三维振动环境下的工况，并且适用于各种磁悬浮系统，包含超导-永磁混合悬浮、电磁-永磁混合悬浮等磁悬浮测试环境，可以一物多用，实用性较强。

实施例3

本申请还提供上述基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置100的测量方法，所述测量方法包括：

电机启动后所述磁场发生装置2制造磁场，所述第一行走机构3的移动；所述第一行走机构3的移动带动与其固定相连的所述悬浮体朝所述磁场发生装置2靠近，所述悬浮体在所述磁场的作用下而获得悬浮力；获取特征参数，所述特征参数为悬浮体上的所述三维霍尔传感器251、所述热传感器252和所述三轴力传感器253采集磁场矢量数据、温度数据和力学数据；根据所述特征参数，将所述特征参数在同一时间序列下的所述磁场矢量数据、所述温度数据和所述力学数据进行耦合分析，得到同一测试点的基于磁、热、力多场耦合测试数据。不仅能减少因不同采集设备时间差而导致的实验误差，还能提高数据的可靠性与实验的便捷性。

在模拟磁悬浮列车高速运行时，需要施加一定的等效磁场激励后对实时输入的激励波形与磁-热-力多物理场进行实时同步测试，因此本测量方法还包括：

获取第一信息和第二信息，所述第一信息为模数转换器输入的模拟电量信号；所述第二信息为将输出电流通入电磁线圈的请求；基于第一信息按照预设比例进行放大处理，得到放大后的所述第一信息；基于放大后的所述第一信息，得到输出电流；响应于所述第二信息，得到预设磁场强度的交变磁场。

本方法中，第一信息为自定义的电量的数字新型号，数据采集卡根据输入的数字信号，通过数据采集卡的AD和DA两个功能将输入的数字信号转变为特定波形的信号输出，然后将特定波形的信号输入带功率放大功能的逆变器可编程交流电源(如艾德克斯7805-350-30U)中，实现50倍电压或50倍电流放大，得到放大后的所述第一信息。根据放大后的所述第一信息，计算出对应的输出电流。控制器接收到第二信息后，将输出电流通入电磁线圈内，线圈受到交变电流因此产生交变磁场。同时，由于线圈具有一定的感抗，为准确获得实时波形，因此通过在线圈中加入0.1欧姆的采样电阻，通过数据采集卡采集采样电阻电压差，即可计算得到线圈实时的电流情况。

上述磁场激励的方法中，通过数据采集卡的AD和DA两个功能构成控制-采集的闭环，可以模拟磁悬浮列车在运行过程中受到磁轨不平顺、多物理场叠加作用等外界激扰的实际状况，便于测试结果更加接近磁悬浮列车实际运行时所产生的各项测试数据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置，其特征在于，包括：

支撑架，所述支撑架包括相互垂直设置的第一构架(101)和第二构架(102)，所述第一构架(101)平行于地面设置；

磁悬浮组件，所述磁悬浮组件包括磁场发生装置(2)和悬浮体，所述磁场发生装置(2)设置于所述第一构架(101)上，所述悬浮体设置于所述磁场发生装置(2)的正上方且平行于地面，所述悬浮体上还设置有三维霍尔传感器(251)、热传感器(252)和三轴力传感器(253)；

第一行走机构(3)，所述第一行走机构(3)设置于所述第二构架(102)，所述第一行走机构(3)与所述悬浮体固定相连，且所述悬浮体沿所述第一行走机构(3)的延伸方向移动；

其中，随着第一行走机构(3)的移动，所述悬浮体在所述第一行走机构(3)的带动下向所述磁场发生装置(2)靠近，所述悬浮体在所述磁场发生装置(2)产生的磁场作用下获得悬浮力，并通过所述悬浮体上设置的所述三维霍尔传感器(251)、所述热传感器(252)和所述三轴力传感器(253)分别采集磁场矢量数据、温度数据和力学数据，处理后获得基于磁、热、力多场耦合测试数据；

所述磁场发生装置(2)包括可拆卸相连的低温保温盒(22)和永磁阵列(21)，所述永磁阵列(21)设置于所述第一构架(101)上，所述低温保温盒(22)位于所述永磁阵列(21)的正上方；所述悬浮体包括相互平行且间隔设置的第一板(254)和第二板(256)，所述第一板(254)靠近所述低温保温盒(22)的一侧设置有容置腔(257)，所述容置腔(257)内具有超导体(258)，所述超导体(258)上设有所述三维霍尔传感器(251)和所述热传感器(252)；所述第二板(256)设置有所述三轴力传感器(253)，所述第二板(256)远离所述低温保温盒(22)设置，所述第二板(256)与所述第一行走机构(3)固定相连；

所述永磁阵列(21)提供梯度磁场。

2.根据权利要求1所述的基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置，其特征在于，所述第一板(254)设有开口，所述开口与所述容置腔(257)相连通。

3.根据权利要求1所述的基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置，其特征在于，所述超导体(258)设置有至少两个不同深度和/或至少两个不同位置的盲孔(259)，所述热传感器(252)和/或所述三维霍尔传感器(251)设置于所述盲孔(259)内。

4.根据权利要求1所述的基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置，其特征在于，所述三维霍尔传感器(251)和所述热传感器(252)分别通过聚酰亚胺胶带粘贴相连。

5.根据权利要求1所述的基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置，其特征在于，所述磁场发生装置(2)还包括第二行走机构，所述第二行走机构包括相互垂直设置的第一轴和第二轴(32)，所述第一轴包括两个平行设置于所述第一构架(101)的子轴(31)，所述第二轴(32)设置于所述子轴(31)的上方，所述第二轴(32)沿所述子轴(31)的延伸方向移动，所述磁场发生装置(2)固定设置于所述第二轴(32)的上方。

6.根据权利要求5所述的基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置，其特征在于，所述基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置还包括运动控制器和数据采集器，所述运动控制器用于记录所述第一行走机构(3)和/或所述第二行走机构接受到的电脉冲信号；所述数据采集器用于记录与所述电脉冲信号对应的磁场矢量数据、温度数据和力学数据。

7.基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置的测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述基于磁热力多场耦合的多磁浮制式测量装置进行测量，所述测量方法包括：

电机启动后所述磁场发生装置(2)制造磁场，所述第一行走机构(3)移动；

所述第一行走机构(3)的移动带动与其固定相连的所述悬浮体朝所述磁场发生装置(2)靠近，所述悬浮体在所述磁场的作用下而获得悬浮力；

获取特征参数，所述特征参数为悬浮体上的所述三维霍尔传感器(251)、所述热传感器(252)和所述三轴力传感器(253)采集磁场矢量数据、温度数据和力学数据；

根据所述特征参数，将所述特征参数在同一时间序列下的所述磁场矢量数据、所述温度数据和所述力学数据进行耦合分析，得到同一测试点的基于磁、热、力多场耦合测试数据。

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