CN1584622A - 基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公示了一种利用三维运动控制原理及传感器技术设计的可用来检测超导材料磁力及磁场分布，为计算机分析超导材料导磁性能提供准确分析数据的基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置，包括测试台架，测试台架上安装有二个纵向导轨，横向导轨跨置在二个纵向导轨上，并能沿纵向导轨前后移动，横向导轨上安装有能沿其左右移动的运动部件，运动部件上连接有能上下移动的悬臂，其特征是在测试台架的工作台面上固定有样品盒，样品盒中设有放置超导材料及充注液氮的空腔；悬臂的下端连接有测试头，测试头中连接有测试盒，测试盒内安装有磁体和传感器，传感器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导材料的导磁性能测试装置，具体地说是一种基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置。
背景技术
超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K(0K＝-273℃)。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，87年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体，很快又发现了14℃下存在超导迹象，高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。当前国际上超导技术发展迅速，高温超导电性作为一类有重大发展潜力的应用技术，已经进入实际应用开发与应用基础性研究相互推动，逐步发展为高技术产业的阶段。各主要国家的政府与企业界都投入较大力量，竞争十分激烈。在高温超导机理研究、超导物理研究和新材料探索上，国际上已取得深入的重要发展。中国超导研究已先后列入八六三计划和攀登计划，我们的研究水平一直处于国际前沿。近年来，随着研究工作的不断深入和研究方向的不断拓展，我国在高温超导材料、超导物性、超导电子器件、强电应用等方面取得了一系列重要成果。目前科学家们针对超导的研究工作正在向深度和广度方面开展，一是对高温超导现象的理解，机理的探讨；二是薄膜、线材、带材制备工艺改进和器件研制；三是进一步探索新材料、新体系，提高临界电流密度。这些表明，超导技术作为一门学科正渐臻成熟，市场前景极被看好。超导材料在工业方面的应用首先体现在超导滤波器的迅速普及。 随着无线通信、特别是移动电话的发展，频带的有效利用正在成为重要课题。自超导材料问世以来，就以其优良的性能和广阔的应用前景得到了世界各国的普遍关注，并作为高科技产业投入了大量的人力物力进行不断的研发，各种超导材料不断被开发，并成功地应用于工业、国防、航空航天领域。但作为超导材料主要特性之一的磁场特性的检测一直以来滞后于超导材料的研发(迈斯纳效应即理想抗磁性是超导体的另一个特征。磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零)。据发明人所知，现有的有关超导材料的导磁性能检测装置存在功能单一，结构复杂，操作复杂，精度低，价格昂贵等缺点，不能充分反应超导材料的导磁性能，特别是对其磁场分布的检测以及动态检测基本处于空白状态，难以满足研究和生产的需求。
发明内容
本发明的目的是利用三维空间运动控制原理及传感器技术设计一种可用来检测超导材料在空间磁场中磁力大小及磁场分布，为计算机分析超导材料磁场特性提供准确分析数据的基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置，以满足超导材料研发的需求。
本发明的技术方案是：
一种基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置，用于对超导材料的磁场特性参数的进行测量，包括测试台架，测试台架上安装有二个纵向导轨，横向导轨跨置在二个纵向导轨上，并能沿纵向导轨前后移动，横向导轨上安装有能沿其左右移动的运动部件，运动部件上连接有能上下移动的悬臂，悬臂上安装有YZ247S称重传感器，测试盒与YZ247S称重传感器相连接，YZ247S称重传感器和测试磁体盒可以在空间三个坐标上运动。其测试的特征是在测试台架的工作台面上固定有样品盒，样品盒中设有放置超导材料及充注液氮的空腔；悬臂的下端连接有测试头，测试头中连接有测试盒，测试盒内安装有磁体和传感器，传感器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。
本发明的测试盒内安装的传感器包括用于测量垂直方向磁力的拉压式称重传感器、用于测量水平面上横向磁力的称重传感器、用于测量水平面上纵向磁力的称重传感器以及用于测量空间磁场分布的霍尔传感器。
测试盒内所设的传感器可采用下述方式设置：
在测试盒内侧面可对称设置二个用于测量水平面上横向磁力的称重传感器及二个用于测量水平面上纵向磁力的称重传感器。
在测试盒内侧的三个等距空间处设有三组用于测量空间磁场分布的霍尔传感器，每组传感器由三个分别用于测量三个方向(分别为X、Y、Z，即水平横向，水平纵向，垂直方向)的磁场分布的霍尔传感器组成。
本发明的有益效果：
1、可满足超导材料任意位置的磁力大小及磁场分布检测，并将检测到的数据自动传送到计算机中进行分析。
2、具有结构简单，制造方便，成本低，测试可靠准确的优点。
3、三维运动实现简单，可利用现有的三维运动控制装置加以实现，其控制部分均为成熟技术，且可实现闭环伺服控制。
4、可测试的磁力范围可高达3000N以上。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的样品盒及测试头相对位置结构示意图。
图3是本发明的测试原理框图。
图4是本发明的霍尔传感器的工作原理图。
图5是本发明的运动控制原理框图。
图6是本发明测试采用双端方式时16路模拟输入信号接线示意图。
图7是与图6所对应的模拟输入双端方式的引线定义示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置，用于对超导材料的导磁性能参数的测量，包括测试台架1，测试台架1上安装有二个纵向导轨2，横向导轨3跨置在二个纵向导轨2上，并能沿纵向导轨2前后移动，横向导轨3上安装有能沿其左右移动的运动部件4，运动部件4上连接有能上下移动的悬臂5，悬臂5上安装有YZ247S称重传感器(即测试头6)，测试盒8与YZ247S称重传感器相连接，YZ247S称重传感器和测试盒8可以在空间三个坐标上运动，在测试台架1的工作台面6上固定有样品盒7，样品盒7可采用导热差、又无磁性的夹布胶木棒材料制作，样品盒7中设有放置超导材料及充注液氮的空腔8；悬臂5的下端连接有测试头6，测试头6能随悬臂5上下移动，测试头6中连接有测试盒8，测试盒8内安装有磁体9和二个用于测量水平面上横向磁力的称重传感器及二个用于测量水平面上纵向磁力的称重传感器以及三组用于测量磁场分布的霍尔传感器，三组霍尔传感器中的每组霍尔传感器可由三个分别用于测量三个方向(分别为X、Y、Z，即水平横向，水平纵向，垂直方向)的磁场分布的霍尔传感器，磁体9可支承在支承架10上，所有传感器的输出均与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。
下面结合运动控制过程和各部分的工作过程及结构特点对本发明作进一步的说明。
本发明的测试头的三维运动包括：随悬臂沿运动部件作上下移动的垂直运动(Z方向)、运动部件沿横向导轨作水平横向移动(X方向)及横向导轨沿纵向导轨作水平纵向移动(Y方向)。其运动控制系统可以是基于网络的开放式结构运动控制技术基础上，其硬件配置包括PC机、DEC4DA伺服控制卡、交流伺服驱动器并配置伺服电机、滚轴丝杠和机械本体。可以通过执行T文件、NC代码或者G代码进行数控运动，同时配以EDITASC软件可以显示运动的轨迹和运动当前点X、Y、Z的坐标。用于对磁性材料的空间磁场分布和超导体在磁场中磁力的大小进行测试时，只需重新设计测试系统的软硬件，即可以对X-Y平面上磁场分布以及导体在空间磁场中磁力的测试。
测试系统基于微机控制的伺服运动平台，把接口、传感器(BLR-1型拉压式称重传感器、YZ247S称重传感器、HGT-2100型霍尔片)、数据采集卡(AMCPI9111)、数据采集应用软件有机地结合，形成一套三维空间磁力及磁场分布自动测试装置。该系统中运动控制卡(可采用德国MOVTEC公司的DEC4T型运动控制卡)插在PC机上的ISA插槽上，由运动控制卡内部做相应的信号处理和运算后，运动控制卡给伺服驱动器发出一定频率的脉冲和方向的指令。伺服驱动器对运动控制卡发来的位置指令信号经过PID等控制运算后输出电压信号，产生马达力矩使电动机按照指令运转，带动测试机构，测得X-Y-Z三个轴上的磁力。空间的磁场分布通过霍尔传感器测得。
本发明的各工作部分的特色及性能优势如下所述：
一、控制部分：
1：伺服控制器自动判别伺服电机的容量，可与FA网络连接，更便于使用RS-232，RS-485和COMPOBUS/D通信，操作者通过电脑能执行使用参数设定(速度/转矩/位置)，采用高分辨率编码器(16，17bit)，编码器脉波数可任意分周，每次脉冲的转动角度可根据指令设置，制动连锁，模拟量，数字量输入输出。采用d-q轴转换，提高转矩控制精度，实现低转速平滑运转及定位时间缩短，谐波抑制且超调量减小。可进行分布式控制，可接PLC控制，具有浪涌电流预防回路，以更好地保护系统。通过设置软件可自动记录故障现象，可显示电机速度、监视转矩波形及I/O状态，负载制动情况，过载告警。
2：伺服电机规格可从10W～55kW之间任意选择，可点动运行，正反转控制，动态刹车，再生制动处理，缓冲启动，采用超小型低惯性伺服电机，尺寸多样。
3：电气部分；主回路与控制回路的电源完全分离，检修容易。
4：计算机系统：采用P4系列CPU，极大提高了系统的动态响应性能，非常适用于高速定位的场合，通过软件编程，可进行最佳调谐控制，可实现立体三维仿真和运动过程中的动态显示，具有软限位和硬限位的双重保护，仅需连接伺服系统就能自动对伺服电机防震，并能分析出机械系统的频率，整个分析过程只需30秒钟。机械分析器得到的结果，读入模拟调制解调器，从而可模拟用户机械系统的响应，在设备操作前，可将指令方式更改后的速度、电流、滞留脉冲量以模拟波形的方式表现出来并加以确认。计算机能在自动改变增益的同时，以最短的规定时间找出适当数值。
二、机械部分：
1：测试台架1的工作台面6可为整体铸造的高精度工作台面，加粗的高精度滚动导轨滚珠丝杆。
2：台面经精密研磨，不需特别润滑，线性移动磨擦小，采用精密波子螺丝从而使得系统能稳定高速地运作，不会振动，精度保持性好。
三、测试部分：
装置构成一个三维立体伺服控制系统采用高精度伺服控制，空间三维协调联动。通过微机编程，可进行三个自由度的协调控制，实现高速(1500r/min)、高精度(16394P/R)、低震动等伺服特性。操作台的行程：X轴：0～600mm，精度：0.01mm，Y轴：0～600mm，精度：0.01mm，Z轴：0～200mm，精度：0.01mm；可自动测试任一时刻的坐标(X，Y，Z)，可保证Z轴在受3000N力的情况下，X、Y轴仍能畅通自由运动；X、Y轴在受3000N力的情况下，Z轴仍能畅通自由运动；所有测试过程中X、Y、Z三方向的刚度不变。并对所有的数据进行连续记录，测试系统均用无磁性铝合金材料，同时不受低温(如液氮)的影响，放置试样的样品盒选用导热差、又无磁性的夹布胶木棒材料制作。
在测量超导体在空间磁场的磁力以及磁场分布并对数据进行采集和分析处理时，测试系统充分运用了高新技术，测试、分析都是由计算机控制，由计算机进行数据采集、显示、分析、存储、结果打印。
信号的采集通过AMPCI-9111通用数据采集控制板卡来实现。AMPCI-9111通用数据采集控制板卡是PCI总线通用采集控制板，该板可直接插入具备PCI插槽的工控机或个人微机，构成模拟量电压信号、数字量电压信号采集、监视输入和模拟量电压/电流信号输出、数字量信号输出及计数定时系统。本测试装置中采用双端16路模拟量数据采集输入通道，模拟量输入通道具有程控放大功能，对从传感器出来的信号采用B型程控放大增益倍数，放大器为PGA202，其中对垂直方向磁力的拉压式称重传感器、水平面上横向磁力的称重传感器、水平面上纵向磁力的称重传感器的信号放大1000倍，对测量磁场分布的霍尔传感器的信号放大100倍。
双端16路输入时信号加在CHn+和CHn-之间，模拟输入采用双端方式时，负输入端应与GND之间接一只几十KΩ～几百KΩ的电阻(信号源内阻小于100Ω时，该电阻应为信号源内阻的1000倍，当信号源内阻大于100Ω时，该电阻应为信号源内阻的2000倍)，从而为仪表放大器输入电路提供偏置，同时为了使信号稳定在在CHn+和CHn-之间并接一个合适的电容。见图6所示。
模拟输入双端方式引线定义：采用双端方式输入信号，脚36接+12V直流电压，脚37、19为GND脚(如图7所示)。传感器接通道号设计方案如下表：
| 通道号 | 引脚号 | 输入信号 |
| 通道1 | +脚1-脚20- | 磁场 X1 HGT-2100 |
| 通道2 | +脚2-脚21- | 磁场 Y1 HGT-2100 |
| 通道3 | +脚3-脚22- | 磁场 Z1 HGT-2100 |
| 通道4 | +脚4-脚23- | 磁场 X2 HGT-2100 |
| 通道5 | +脚5-脚24- | 磁场 Y2 HGT-2100 |
| 通道6 | +脚6-脚25- | 磁场 Z2 HGT-2100 |
| 通道7 | +脚7-脚26- | 磁场 X3 HGT-2100 |
| 通道8 | +脚8-脚27- | 磁场 Y3 HGT-2100 |
| 通道9 | +脚9-脚28- | 磁场 Z3 HGT-2100 |
| 通道10 | +脚10-脚29- | 拉压力1# BLR-1 |
| 通道11 | +脚11-脚30- | 拉压力2# BLR-1 |
| 通道12 | +脚12-脚31- | 拉压力3# BLR-1 |
| 通道13 | +脚13-脚32- | 拉压力4# BLR-1 |
| 通道14 | +脚14-脚33- | 主压力5# YZ247S |
| 通道15 | +脚15-脚34- | |
| 通道16 | +脚16-脚35- |
数据采集应用软件：数据采集应用软件运行在Windows环境下，利用AMPCI-9111通用数据采集控制板卡生产商提供的库函数利用VisualBasic6.0环境进行二次开发，以满足数据采集要求。
本发明的工作原理及过程为：
测试部分的工作原理：根据霍尔效应法测量磁性材料的空间磁场。任何材料通以电流时，若同时存在垂直于电流方向的磁场，则产生与电流和磁通方向垂直的电场，这个现象叫做霍尔效应。霍尔电压与半导体薄片的几何尺寸有关，霍尔效应公式为：
式中
为半导体的几何形状系数，霍尔电压与磁感应强度成正比。霍尔传感器就是利用了霍尔元件输出的霍尔电压。可以测量恒定磁场和交变磁场，测量时是直读式，不必移动检测元件。利用霍尔效应测磁场装置可以在低温(77K)和高温(400K)下有效的工作。
测试过程：把磁体9固定在测试盒8的支承架10上，将测试样品(超导体)放入样品盒7内，在计算机上执行运动控制软件中相应的文件或者通过手动使测试部件动作。每动作一个位置相对应有这个位置的坐标值输出，同时传感器输出该点的磁场分布情况和磁力的大小。通过数据采集卡采集传感器输出的信号。应用软件显示、存储并打印采集信号的结果。
Claims (4)
1、一种基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置，用于对超导材料的导磁性能参数的测量，包括测试台架，测试台架上安装有二个纵向导轨，横向导轨跨置在二个纵向导轨上，并能沿纵向导轨前后移动，横向导轨上安装有能沿其左右移动的运动部件，运动部件上连接有能上下移动的悬臂，其特征是在测试台架的工作台面上固定有样品盒，样品盒中设有放置超导材料及充注液氮的空腔；悬臂的下端连接有测试头，测试头中连接有测试盒，测试盒内安装有磁体和传感器，传感器与数据采集卡相连，数据采集卡与计算机相连。
2、根据权利要求1所述的基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置，其特征是所述的传感器包括用于测量垂直方向磁力的拉压式称重传感器、用于测量水平面上横向磁力的称重传感器、用于测量水平面上纵向磁力的称重传感器以及用于测量磁场分布的霍尔传感器。
3、根据权利要求1或2所述的基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置，其特征是在测试盒内对称设有二个用于测量水平面上横向磁力的称重传感器及二个用于测量水平面上纵向磁力的称重传感器。
4、根据权利要求1或2所述的基于运动控制的三维空间磁力及磁场分布测试装置，其特征是在测试盒内设有三组用于测量磁场分布的霍尔传感器，每组传感器由三个分别用于测量三个方向的磁场分布的霍尔传感器组成。
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