CN1275027C - 块状高温超导体磁悬浮力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种块状高温超导样品磁悬浮力测量装置，该装置包括一机架、一低温容器、磁体、移动机构、力与位移的测量元件及输出信号显示单元、驱动及控制单元，垂直移动机构与磁体联接，低温容器置于其下方。所述磁体的高度应大于直径。所述的磁体采用圆柱状且充磁方向沿磁体的高度方向为佳。本发明测量方便，且可以保证测量过程的准确性及连续性。
Description
技术领域
本发明涉及一种块状高温超导体磁悬浮力测量装置。
背景技术
磁浮力与俘获磁场是表征块状超导材料特性的重要参数。虽然后者更能全面地反映材料的本征特性，但由于测试条件要求复杂，费用昂贵而不能作为材料地常规检测手段。相比之下，磁浮力地测量简单易行，而且对于使用者来讲，磁浮力数据是一个必不可少的设计依据，因而这种测量被人们广泛地用于在不破坏样品的情况下对块材的质量进行判别。
完全抗磁性和零电阻效应是超导材料的主要特征。当一个超导处于外界磁场中时，由于抗磁性和磁通钉扎效应的作用，在超导体内部将感应出屏蔽电流，又由于零电阻效应所致，屏蔽电流几乎不随时间衰减。在超导样品内持续流动的屏蔽电流产生的磁场与外磁场发生相互作用，从而产生超导磁悬浮现象。以超导磁悬浮现象为基础的超导磁悬浮技术在能源(飞轮储能)、交通(磁浮车)、机械工业(无摩擦轴承)等诸多领域具有潜在的应用价值。
磁悬浮力是超导材料在磁悬浮技术上应用的重要参数。磁悬浮力随悬浮间隙的变化一方面取决于超导材料自身的性质，另一方面取决于包括磁场强度和分布、温度等测量条件。
当一个块状超导体处于一个永久磁体(PM)产生的磁场H中时，磁通线密度以从外至内连续减小的方式分布在超导体中。这是由于超导体中存在大量的磁通钉扎中心阻止磁通线的进入，形成磁通线得到的不均匀分布，从而感生出一个永久电流Jc＝dH/dx，从表观上看来就是超导体被磁化了。磁化强度M(H)＝A·Jc·d，式中Jc为超导体的临界电流密度，d是与超导环流回路大小有关的一个特征长度，等于超导体中晶粒的尺寸。
通常作为磁浮力测量用的永久磁体(PM)的磁场H仅为4000Oe左右，不足以穿透超导样品，此时，M＝-H+H2/Jc·d，M不只是Jc和d的简单函数。
磁浮力不仅于磁化强度有关，还与磁场梯度有关。在一维的情况下，Z方向的磁浮力可以由下式表达，Fz＝Mz·dH/dz。
综上所述，磁浮力的大小除了与超导体的性能(如Jc及其晶粒大小)有关外，还与测试条件如磁场强度H及磁场梯度dH/dz有关。
发明内容
本发明的目的是提供一种块状高温超导体磁悬浮力测量装置，利用本发明的装置可实现测量高温超导块材的磁浮力并对样品进行比较；本发明给出的磁悬浮力测量装置可以定量地给出在加磁场冷却(简称场冷)和零磁场冷却(简称零场冷)条件下超导材料的磁浮力与悬浮间隙之间的关系，是材料研究和应用设计单位不可缺少的测量工具。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：一种块状高温超导体磁悬浮力测量装置，包括一用于支撑、固定各功能部件的机架，所述的功能部件包括：
一置放被测超导样品的低温容器；
测量用磁体；
移动机构，该移动机构至少包括一垂直移动机构；
一力测量元件和一位移测量元件；
输出信号显示单元；
一驱动及控制单元；
所述的垂直移动机构与磁体联接，低温容器置于其下方。
所述磁体的高度应大于直径。
所述的磁体采用圆柱状且充磁方向沿磁体的高度方向为佳。
本发明的优点是：测量方便，且可以保证测量过程的准确性及连续性。
附图说明
图1为本发明超导材料磁浮力测量装置一实施例结构示意图
图2为本发明超导材料磁浮力测量装置另一实施例结构示意图
图3为本发明垂直移动机构结构示意图
图4为本发明水平移动机构结构示意图
图5为本发明容器和样品固定架的结构示意图
图6为本发明驱动控制电原理图
图7为一典型的悬浮力与悬浮间隙的关系曲线图
图8为测试的吸引力与悬浮间隙的关系曲线图
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明超导材料磁浮力测量装置包括一用于支撑、固定各功能部件的机架7，一置放被测超导样品的低温容器1，测量用磁体2，一垂直移动机构3及一水平移动机构(图中未示出，应用于图2所示的实施例中)，力与位移的测量元件4、5及输出信号显示单元6和整体装置的驱动及控制单元；所述的垂直移动机构3与低温容器1或磁体2相联接。
所述的机架7由碳钢制成的立柱和上下面板构成。上下面板分别固定垂直、水平移动机构的电机及传动机构、力与位移测量元件(即力和位移传感器)4、5以及用来固定和冷却超导样品的低温容器1。应保证在测量过程机架与电机不产生共振。
所述的垂直移动机构3由可连续调速的直流电机301、丝杠302、带有滑动导向槽的丝母303、丝杠外套304和丝母导向销钉305组成(参见图3)，转动的丝杠带动与丝母相连接的部分上下移动。电机功率和转速的选择与所测超导体的力的大小及移动速度范围有关。该垂直移动机构既可以与供测量用的磁体(多采用永久磁铁)2连接，也可与用来固定并冷却超导样品的容器1连接。
垂直移动机构与磁体连接时，丝母304的下方可以是一个铁制的圆柱，磁体2吸附在铁制的圆柱下方与移动机构相连做垂直方向的移动(参见图1)。磁体在铁块上的位置可以随意调整，以使其与被测超导超导样品同轴。
当磁体2尺寸和重量比较大时，移动低温容器1比较方便。垂直移动机构3与低温容器1连接时，其丝母303的下方带有与容器连接的结构，通过可拆卸螺栓实现与低温容器的连接(参见图2)。
圆筒形低温容器与丝杠同轴。
本发明的磁浮力测量装置也可以用来测量在固定悬浮间隙时，超导样品和磁体之间横向运动时的作用力，又称为恢复力或刚度，是超导磁悬浮机构稳定工作的重要参数。在这种情况下，首先利用垂直移动机构固定一个悬浮间隙，然后利用安装在下面板上的水平移动机构推动磁体2或是容器1做水平移动。图4示出了水平移动机构示意图。图中301’为直流电机，302’是丝杠，303’是丝母，4是力传感器，磁铁2或低温容器1经由力传感器4与横向移动机构3连接，在滑轨上前后滑动，以减小摩擦力。恢复力等于测量到的总力减去摩擦力。
所述的低温容器1必须使用保温性能好的材料制做：因为放在容器中的超导体是用液氮来冷却的，而液氮的温度是77K(零下196℃)，很容易因蒸发而消耗。为了减少液氮的蒸发，低温容器通常是带有真空夹层的金属容器，可以长时间的保持液氮。由于磁浮力的测量时间比较短，也可使用非金属材料制成(如夹布胶木或尼龙)，为进一步减少液氮的蒸发，容器的内侧附以约2cm厚的聚乙烯泡沫板101进行热绝缘。
图5给出了容器1和样品固定架8的结构示意图。容器1的下面与测力传感器4串接固定在机架7的下面板上(参见图1)，超导样品9固定在样品架8上。本实施例示意图中的低温容器1由夹布胶木加工而成，为了进一步减少液氮的蒸发，容器内衬有一层聚乙烯发泡材料101，两者间用低温胶粘接。
样品固定架8使用非铁磁性材料(如黄铜)制成，与低温容器的底部以丝扣连接，并可以通过旋转丝扣调节试样架的高度以适应对不同厚度样品的测量。在测量过程中超导样品被紧紧地固定在支架上，以免在电磁力的作用下发生移动。样品的固定采用螺丝从侧面固定或用在低温下可以硬化的油脂粘接到样品架上(如真空硅脂)。
在图2所示的固定磁体、移动超导样品的情况下，容器1与垂直移动机构3连接，用螺丝通过样品固定架8将超导样品9压紧在容器底部的中心位置上。
磁浮力的大小与测试用磁体的性能和形状有很大关系，显然磁体产生的磁场越高，则超导样品的磁浮力就越大。磁学性质相当的磁体的尺寸对测量结果也会产生影响，采用与样品相对面的尺寸一样或略小的永久磁体较好。在测量过程中要特别注意保持磁体的温度不变，即磁体不要浸入液氮之中，因为在低温下磁体(如NdFeB)的磁化强度会变小(在77K时，约下降20％)。另外，磁体进入液氮会导致液氮的迅速蒸发，从而使样品的温度上升，也会对试验结果产生不利影响。
超导样品应在远离PM的条件下冷却至液氮温度，以免磁体的磁场穿入超导样品。磁体用可调速的直流电机驱动缓慢而连续地移动。实验证明，磁体的移动速度在0.1～1.0mm/秒之间对测得的力(F)值影响不大；移动速度进一步减慢或中间停留会使F下降，这是因为磁通流动和磁通蠕动造成的衰减。
在采用图1方式移动磁铁进行测量时，所述的磁体采用圆柱形、环形、四方体形或正多边体形的NdFeB或SmCo永磁材料，其充磁方向如图中箭头所示，沿磁体的高度方向，具体形状依据被测超导样品的形状确定。通常，磁体的高度大于直径，以获得较大的磁感应强度。
磁体表面的磁感应强度一般为0.4特斯拉左右，当磁体吸附在铁块上时，磁体的表0.5特斯拉左右。
为了进一步增加磁场强度，可以采用组合磁体的方式。如图2中箭头所示，磁体采用横向充磁，通过夹在两个磁铁之间的纯铁的聚磁作用，可将表面磁感应强度提高到1特斯拉左右，并在磁体上方得到一个近似垂直方向的磁场。由于组合磁体的体积和重量都比较大，不便于作为垂直移动部件。在这种情况下改为固定磁体，移动超导样品进行测量。
所述的磁体与被测超导样品之间的相互作用力通过电阻应变片式拉压力传感器4测量，根据被测样品的力的大小选择传感器的量程。在每次测量前后用标准砝码对拉压力传感器进行标定。
悬浮间隙的测量可以使用电阻式位移传感器或数字式深度尺和卡尺5等实现。由于垂直移动机构3的丝母是由直流电机带动做匀速直线运动，同时超导样品与磁体之间的初始距离可以精确测量，因而每一时刻的悬浮间隙也可通过移动速度得到，并与那一时刻的力F相对应。
图1所示的实施例中，用一个S型的拉压力传感器4与低温容器1的底部相连并固定在机架7的下面板上，用以测量磁体与超导样品之间的作用力。用一种数字式的游标深度尺测量磁体与超导样品之间的间隙。拉压力传感器4输出的电压信号经直流放大器放大后输出到数字电压表显示或直接输出到X-Y记录仪或绘图仪6，记录下样品的磁浮力与间隙之间的关系曲线并绘出，包括磁体2移近和远离超导样品9过程中的变化(排斥力和吸引力)，也可通过数字电压表的接口用计算机采集输出信号做图。
本装置的驱动和控制单元包括提供对垂直移动和水平移动电机的电力驱动、传感器的直流供电以及输出信号的显示。参见图6，本装置中的电路部分是由直流放大器A1、信号比较器A2及电机速度调节装置等组成；电路的特点是1)磁体与超导样品接触时有电机自动反转的功能；2)电机速度可调；3)工作过程中出现异常时有强制电机反转的按钮和紧急停机的开关；4)输出信号可外接计算机，由计算机对电机的启动、停止和正反转进行控制。运行过程如下：首先通过调节电机电压确定适当的移动速度，然后按下启动开关，电机A(即图1中垂直移动机构的电机301)带动磁体移动架下降。随着磁体与超导样品之间距离的缩小，力的信号(即拉压传感器的电压信号)越来越大。磁体与超导样品接触的瞬间，电压信号超过比较器A2中预先设定的基准电压值，触发器A3开始工作，输出一高电平，使继电器J动作，令电机A反转，使磁体由朝向样品移动自动转变为远离样品移动，直到触及限位开关JK时电机自动停止转动，恢复到初始状态。上述电路设计即可以保护电机和超导样品，又可以保证测量过程的准确性及连续性。
本发明的工作实验过程：
用螺丝紧固或用低温下可凝固的粘接剂粘接将被测样品被固定在支架上，将适合的磁体吸附在移动杆上，然后启动电机驱动磁体向下移动。磁体与超导样品接触时停机，调整磁体位置使其与超导样品对中，深度尺数值归零，然后令电机反转使磁体远离样品移动至限位开关处停机，记录下磁体与样品之间距离的数值。向低温容器中注入液氮，使超导样品在零磁场下冷却至77K温度。同时启动电机和记录装置，使磁体向下移动，同时记录力与距离的数据。随超导样品与磁体间的间隙变小，两者间的排斥力逐渐增大，至磁体与样品接触时达到最大值。该值超过基准电压值，触发器和继电器先后动作，使电机自动反转，令磁体远离样品移动。此时，超导样品与磁体间的排斥力迅速减小，达到零，直至出现负值(吸引力)，在达到一个最大吸引力之后逐渐减小为零。
以上测量还可以在场冷的情况下进行，即在磁体与超导样品保持一个确定的距离下，使样品在有磁场的状况下被冷却，其它测试过程与零场冷却大致相同。
图7示出了由本发明测量装置绘出的一个典型的悬浮力与悬浮间隙的关系曲线。图中上部曲线是在悬浮间隙从36mm变到零时测量的，随着间隙的减小排斥力呈单调上升的趋势，间隙越小力的增加幅度越大，两者接触(间隙为零)时具有最大值。接触后立即反向移动，随着间隙的增大力急剧下降在大约6mm时降为零。继续增大间隙，力出现负值(吸引力)，达到最大值后又逐渐减小，最终趋于零，得到下部的曲线。这种磁浮力与悬浮间隙的关系可以用于磁悬浮工程应用的设计参考。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明
实施例1：
使用图1所示的装置，以一个直径26mm、高25mm的NdFeB永久磁体2作为磁场源吸附在移动机构丝母303下方的铁块上，此时磁体下表面测得的磁感应强度大约为0.5特斯拉。一个直径30mm、高18mm的YBaCuO超导块9被固定在铜制的样品架8的中心，并安装在一个用加布胶木加工而成内衬聚乙烯发泡材料的容器1中。该容器与固定在下面板上的拉压力传感器4刚性连接。磁体和超导样品的安装应保持磁体的下表面和超导样品的上表面平行。启动电源总开关，调节电机转速使丝母的移动速度为30mm/分钟。启动电机下行开关，使丝母带动磁体向下朝超导样品移动，至磁体的下表面与超导样品的上表面相接触时，关闭电机开关。调整磁体的位置，使其与超导样品同轴。同时，设定数字式深度尺上的位移为零。启动电机上行开关，让丝母带动磁体上移至行程开关设定的位置自动停机，此时深度尺的位移显示为超导样品与磁体之间的距离。根据被测样品的尺寸和基本性能，设定电源中输出信号比较电路的电压值大于被测样品的最大排斥力的估计值。完成上述操作后，向容器中注入液氮，使超导样品冷却到液氮温度(77K)，并保持超导样品完全浸没在液氮中。传感器的输出信号连接到X-Y记录仪，同时经由接口连接到计算机。启动电机下行开关，磁体朝超导样品移动，力的输出信号逐渐增大，间隙达到零后输出信号超过了比较电路的设置电压，电机自动反向，上移至行程开关位置后停机。在此过程中，计算机采集到整个移动过程中传感器的输出信号，做出图7的关系曲线。取计算机绘出的力与间隙曲线中斜率发生突变点的力为零距离下的悬浮力，也即材料的最大磁浮力。同时X-Y记录仪也全程记录下了传感器的输出，同样可以给出图3的关系曲线。图7中上部的曲线是被测量超导体的排斥力与悬浮间隙的关系，是工程设计的基础数据。上下曲线合成的回滞环的大小也是工程设计必须了解的数据。
实施例2：
使用图1所示的装置，用同样的超导样品和磁体，在完成超导样品和磁体的固定与位置调整、比较电压的设置、位移传感器的零位设定等前期操作后，将磁体移到距离超导样品2mm处停机，向容器中注入液氮(场冷)。超导样品冷却到液氮温度后，启动电机上行开关，使磁体远离超导样品移动至行程开关位置后停机。力的输出信号始终为负，在增大到最大值后逐渐减小并趋近于零。在此过程中，计算机采集到整个移动过程中传感器的输出，做出图8的吸引力与悬浮间隙的关系曲线；同时X-Y记录仪也全程记录下了传感器的输出，同样可以给出图8的关系曲线。这一吸引力曲线也是工程设计的基础数据。
实施例3：
使用图2所示的装置，将一个外径100mm、内径70mm、高80mm的不锈钢真空夹层容器1装卡在连接于丝母下方的拉压力传感器4的卡具上，容器底部厚4mm。直径30mm厚18mm的YBaCuO超导样品9被倒置固定在容器底部中心。安装在下台面上的组合磁体2的10mm宽的纯铁表面的磁感应强度大约为1特斯拉。磁体2和容器1的安装应保持容器中超导样品的下表面与磁体的上表面平行。该容器与固定在下台面上的拉压力传感器4刚性连接。在第一次使用该装置前应仔细调整组合磁体的位置，使位于其中心的纯铁条宽度上的中心线垂面与过超导样品直径的垂面相重合，以使超导样品处于高磁场区。经一次调整后磁体位置固定，以后无需再做调整。启动电源总开关，调节电机转速使丝母的移动速度为30mm/分钟。
启动电机下行开关，使丝母带动容器朝下方的磁体移动，至两者接触时关闭电机开关。同时，设定数字式深度尺上的位移为零。启动电机上行开关，让丝杠带动容器上移至行程开关设定的位置自动停机，此时深度尺的位移显示为容器底部与磁体之间的距离。根据被测样品的尺寸和基本性能，设定电源中输出信号比较电路的电压值大于被测样品的最大排斥力的估计值。完成上述操作后，向容器中注入液氮，使超导样品冷却到液氮温度，并保持超导样品完全浸没在液氮中。传感器的输出信号连接到X-Y记录仪，同时经由接口连接到计算机。启动电机下行开关，使容器朝下方的磁体移动，力的输出信号逐渐增大，两者相接触后输出信号超过了比较电路的设置电压，电机自动反向，上移至行程开关位置后停机。在此过程中，计算机采集到整个移动过程中传感器的输出，经处理做出类似图7的关系曲线；
同时X-Y记录仪也全程记录下了传感器的输出，同样可以做出力与间隙的关系曲线。与图7中曲线不同的是测量中给出的零间隙是指容器底部与磁体上表面的距离。由于真空容器的底部有夹层厚度，实际上超导样品与磁体之间的距离应当在测量到的间隙上加上容器底部的厚度。在本实施例中使用的容器底厚为4mm，故测量的超导样品与磁体之间的最小间隙为4mm。由于组合磁体的磁场大大高于单一块状磁体，本实施例中在相同间隙下测得的排斥力值大大高于实施例1。
实施例4：
使用与实施例3中同样的装置、超导样品和磁体。在容器底部距磁体上表面3mm的位置向容器中注入液氮，使超导样品冷却到液氮温度后，启动电机上行开关，使容器远离磁体移动至行程开关位置后停机。力的输出信号始终为负，在增大到最大值后逐渐减小并趋近于零。在此过程中，计算机采集到整个移动过程中传感器的输出，得到类似图7的吸引力与悬浮间隙的关系曲线；同时X-Y记录仪也全程记录下了传感器的输出，可以给出同样的关系曲线。
实施例5：
本实施例是采用手动装置测量磁悬浮力与悬浮间隙之间的关系，适合于学生进行试验用。装置结构与图1相似，将驱动丝母上下移动的直流电机换成带刻度的手摇柄，其余部分相同。使用与实施例1中相同的超导样品和磁体。实验过程与实施例1基本相同，只是将电机的驱动变换成旋转摇柄，可以按一定速度连续旋转摇柄至磁体与超导样品接触，然后反方向旋转摇柄使磁体上升。在此过程中记录传感器的输出。也可以按一定的间隔距离移动磁体(本实施例中间隔为2mm)，停留10秒钟从数字电压表上取一个力的数据点，绘出力与间隙的图。
实施例6：
使用图2所示的装置，超导样品和磁体与实施例3相同。将容器底部设置在距离磁体上表面的固定位置上(在本实施例中定为3mm)，向容器中注入液氮，使超导样品冷却到液氮温度。
启动固定在下台面上的电机带动相应的丝杠推动磁体垂直于纯铁条的长度方向横向运动，测量悬浮力的刚度。磁体也可以使用单一磁体块。在此过程中，计算机采集到整个移动过程中传感器的输出，经处理做出力与超导样品横向位置的关系曲线；记录仪也可以给出同样的关系曲线。
本发明的测试装置适合于各类在液氮温度下使用的氧化物超导样品的磁悬浮力测量，包括烧结的REBaCuO(RE＝Nd，Sin，Gd，Eu，Dy，Y等)、BiSrCaCuO、TlBaCaCuO和HgBaCuO，熔融织构的REBaCuO块、以及各种氧化物超导样品的厚膜和薄膜。根据被测超导样品的磁浮力的信号范围，选择相应灵敏度的测力传感器。
本发明的装置也适合于测量磁性材料与磁性材料之间的磁浮力。
对低温容器做相应的改进，使之可以达到更低的温度(如液氢或液氦)，则本装置也适合于测量MgB2、NbTi和Nb3Sn等其它低温超导材料的磁浮力。
Claims (3)
1、一种超导材料磁浮力测量装置，包括一用于支撑、固定各功能部件的机架，所述的功能部件包括有：一置放被测超导材料的低温容器、测量用磁体、至少含一垂直移动机构的移动机构、力与位移的测量元件及输出信号显示单元和整体装置的驱动及控制单元；其特征在于：所述的垂直移动机构与磁体联接，低温容器置于其下方。
2、根据权利要求1所述的超导材料磁浮力测量装置，其特征在于：所述磁体的高度大于直径。
3、根据权利要求2所述的超导材料磁浮力测量装置，其特征在于：所述的磁体采用圆柱状且充磁方向沿磁体的高度方向。
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