CN203037384U - 大晶粒块状高温超导体及其组合磁浮力测量装置 - Google Patents

Abstract

大晶粒块状高温超导体及其组合磁浮力测量装置，包括机架、移动及转动机构、控制及数据采集单元，低温样品容器，磁体，力信号测试采集元件；磁体和力信号测试采集元件固定于垂直移动机构上；水平移动机构位于垂直移动机构的下方；转动机构固定于水平移动机构上，低温样品容器固定于转动机构上。通过驱动垂直移动机构确定磁场扫描测量元件与超导样品之间的距离；控制水平移动机转动机构，使样品相对与力信号测试采集元件做水平运动和转动；采集水平方向的坐标值及轴向力和径向力的测量数据；由此测量大晶粒块状高温超导体俘获磁场。

Description

大晶粒块状高温超导体及其组合磁浮力测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种异形大晶粒块状高温超导体磁浮力及块状超导体组合后与磁体多方向的作用力。 

背景技术

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。 

磁浮力是超导材料在磁悬浮技术上应用的重要参数。不仅可以判断超导块材是否单畴，也可以对超导块材的内部缺陷的程度进行简单推断，甚至可推算工程应用价值，对组合超导材料的力场均匀性扫描及数据测量对实际应用更加具有参考价值。以往的超导块材磁浮力测量装置一般只针对单块规则形状(如圆柱、方块、六棱柱等)样品与磁体之间的单方向作用力，随着各项研究的深入开展，对超导材料提供的测试数据要求越来越高，设计单位需要更多的数据来为轴承、飞轮等的设计提供参考，圆柱形超导块与其他具有规则形状(正方体、长方体、正六棱柱等)超导块的磁浮力数据已不能完全满足设计需求。轴承、飞轮等更加需要环状组合超导材料的承载力及导向力的数据来为设计提供支撑，建立这方面组合超导体的测试方法及标准是这些课题迫切需要的，制做规范的简易精确的测量一定间距下磁体与单块超导体及组合超导材料之间的轴向承载力及非轴向的作用力的装置，可以为磁浮轴承、飞轮储能系统等项目的设计提供测试依据。从而对块材的质量或工程应用性能进行评价。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种大晶粒块状高温超导体及组合超导体多方向磁浮力测量装置。 

为实现上述目的，本实用新型包括如下技术方案： 

大晶粒块状高温超导体及其组合磁浮力测量装置，该装置包括机架1，垂直移动机构2，水平移动机构3，控制及数据采集单元4，低温样品容器5，磁体6，力信号测试采集元件71、72和转动机构8； 

该垂直移动机构2固定在机架1上，磁体6和力信号测试采集元件71固定于该垂直移动机构2上； 

该水平移动机构3固定在机架1上，并位于垂直移动机构2的下方；转动机构8固定于该水平移动机构3上，低温样品容器5固定于该转动机构8上；水平移动机构3上固定力信号测试采集元件72； 

该垂直移动机构2、水平移动机构3、转动机构8和力信号测试采集元件(71、72)分别与控制及数据采集单元4连接。 

如上所述的装置，优选地，所述垂直移动机构2由步进电机21、精密滚珠丝杠22和具有滑动导向槽的导柱23构成；该精密滚珠丝杠22一端连接步进电机21，另一端连接该磁体6和力信号测试采集元件71；该步进电机21和精密滚珠丝杠22分别与所述控制及数据采集单元4连接。 

如上所述的装置，优选地，所述转动机构8由控制旋转步进电机81、精密滚珠丝杠和转轴83构成；精密滚珠丝杠将控制旋转步进电机81和转轴83相连接；该转轴83下部安装在控制旋转步进电机81上，其上部与低温样品容器5固定连接；该控制旋转步进电机81和精密滚珠丝杠分别与所述控制及数据采集单元4连接。 

如上所述的装置，优选地，所述水平移动机构3由具有滑动导向槽的导柱36，沿导向槽滑动的滑块37，导柱36上设置的精密滚珠丝杠34和步进电机32组成；该精密滚珠丝杠34的一端连接滑块37，另一端连接步进电机32；力信号测试采集元件72固定于滑块37上，控制旋转步进电机81位于力信号测试采集元件72的一侧，两者固定连接；步进电机32驱动精密滚珠丝杠34，牵引固定连接在滑块37上的力信号测试采集元件72、控制旋转步进电机81及其上的低温样品容器5沿该导柱36的导向槽作水平移动。 

如上所述的装置，优选地，所述控制及数据采集单元4包括位移测量单元、输出信号采集及显示单元和整体装置的驱动及控制单元。 

如上所述的装置，优选地，所述力信号测试采集元件71、72为应变片、应变规和/或精密拉压传感器。 

如上所述的方法，优选地，所述装置的最大水平扫描范围为50mm×50mm，垂直移动距离为100mm，最小步进距离为12.5微米，最小转动角度为0.028度。 

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的磁浮力测量装置可以定量地测出外加磁场与超导块材及组合超导材料的多项力学数据，不仅可以判断超导块材是否单畴，也可以对超导块材的内部缺陷的程度进行简单推断，甚至可推算工程应用价值，更可以对组合超导材料的各方向作用力进行测试，对力场均匀性进行评价，数据测量结果对实际应用具有参考价值。该装置结构简单，操作方便，且可以保证测量过程的准确性及连续性。 

附图说明

图1是实施例1中俘获磁场测量装置的主视图。 

图2是组合磁体的结构示意图。 

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例子对本实用新型作进一步说明。 

实施例1大晶粒块状高温超导体及其组合磁浮力测量装置 

如图1所示，该装置包括机架1，垂直移动机构2，水平移动机构3，控制及数据采集单元4，低温样品容器5，磁体6，力信号测试采集元件71、71和转动机构8。 

垂直移动机构2固定在机架1上，磁体6和力信号测试采集元件71固定于该垂直移动机构2上。水平移动机构3固定在机架1上，并位于垂直移动机构2的下方。转动机构8固定于水平移动机构3上，低温样品容器5固定于该转动机构8上。数据采集单元4包括位移测量单元、输出信号采集及显示单元和整体装置的驱动及控制单元。 

垂直移动机构2由步进电机21、精密滚珠丝杠22和具有滑动导向槽的导柱23构成。精密滚珠丝杠22一端连接步进电机21，另一端连接该磁体6或力信号测试采集元件71。力信号测试采集元件71可以是应变片、应变规和/或精密拉压传感器，本实施例中使用应变片，应变片连接输出信号采集及显示单元。步进电机21连接整体装置的驱动及控制单元，精密滚珠丝杠22连接位移测量单元。 

转动机构8由控制旋转步进电机81、精密滚珠丝杠和转轴83构成。控制旋转步进电机81固定在水平移动机构3上。精密滚珠丝杠将控制旋转步进电机81和转轴83相连接。转轴83下部安装在控制旋转步进电机81上，其上部与低温样品容器5固定连接。低温样品容器5采用带有真空夹层的金属容器或非金属材料制成(如夹布胶木或尼龙)，可以长时间的保持液氮。本实施例的低温容器由夹布胶木 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，两者间用低温胶粘接。待测超导样品固定于容器内部。控制旋转步进电机81连接整体装置的驱动及控制单元，精密滚珠丝杠连接位移测量单元。 

水平移动机构3由具有滑动导向槽的导柱36，沿导向槽滑动的滑块37，导柱36上设置的精密滚珠丝杠34和步进电机32组成。精密滚珠丝杠34的一端连接滑块37，另一端连接步进电机32。力信号测试采集元件72固定于滑块37上，控制旋转步进电机81位于力信号测试采集元件72的一侧，两者固定连接。步进电机32驱动精密滚珠丝杠34，牵引固定连接在滑块37上的力信号测试采集元件72、控制旋转步进电机81及其上的低温样品容器5沿该导柱36的导向槽作水平移动。 

该装置中的位移测量不使用位移传感器，但可以使用精密的位移传感器对位移数据进行校准。两个方向的位移测量均通过步进电机及精密的滚珠丝杆配合，样品的转动角度亦通过步进电机进行控制，根据步进电机的转动角度及丝杆的导程可以确定磁体或霍尔元件与被测样品之间的距离(步进电机每动作一步的距离＝丝杆导程乘以电机步进角除以360度)。经过数据的处理及反馈准确推断样品与霍尔元件的相对位置。 

装置的最大水平扫描范围为50mm×50mm，垂直移动距离为100mm，最小步进距离为12.5微米，最小转动角度为0.028度。 

力信号测试采集元件(应变片、应变规或精密拉压传感器)，可以实现多方向力信号的同时采集，利用传感器将力信号转换为电信号。由于测量过程中采集到的信号非常微弱，一般是直流mV级，且会受到其它干扰。为了将该信号进行后续的处理，首先应对将其放大1000倍左右。放大电路要求有比较高的精度和灵敏度，这样才能真实地反映力信号的变化。本实用新型设计了具有差分输入和相对参考端的单端输出的闭环增益放大电路，输入阻抗＞1000MΩ，输入电流＜50nA，同时具有较好的共模抑制能力，能有效处理直流放大电路中存在的信号漂移。后续经16位的A/D转换电路将信号采集到处理器，利用相应的算法进行数字滤波，这样保证系统有较高的灵敏度和分辨率。 

实施例2测量大晶粒块状组合高温超导体的磁浮力 

A.场冷测量 

a.应用实施例1中的装置，首先将磁体6固定于垂直移动机构2上，通过驱动垂直移动机构的电机确定磁体6与待测超导样品之间的距离。磁体6为纯铁和钕铁硼组合磁体，如图2所示，上、下两层钕铁硼磁体I之间夹一层纯铁II，两层 钕铁硼磁体的N极相对设置。待测超导样品为YBaCuO材料，由八块弧形超导块材组合成超导体环，磁体的外径62mm，内径40mm，高度16mm。 

b.将待测超导样品固定在盛有液氮的低温样品容器5中，冷却至液氮温度后进行充磁。充磁操作通过垂直移动机构2带动磁体6与超导材料接近，步进电机21带动丝杠使充磁磁体6上下移动，根据步进电机的转动角度及丝杆的导程可以确定充磁磁体与被测样品之间的距离。超导材料充磁后驱动水平移动机构3将超导材料运动至所需位置。测试过程中一直保持液氮温度，如果温度升高会对测量结果产生影响。 

c.控制垂直移动机构2、水平移动机构3及转动机构8使待测超导样品相对于磁体6做相对运动。 

d.安装在垂直移动机构2和水平移动机构3上的力信号测试采集元件71、72分别采集垂直方向和水平方向的力信号。轴向力传感元件的最大测量范围为±50Kg，径向力传感元件的最大测量范围为±10Kg，工作温度1.5-350K，测量精度±3‰。 

e.以采集到的数据作图即可得到待测超导样品的磁浮力与距离关系图； 

B.零场冷测量 

除了步骤b中省略充磁操作，采用与步骤A场冷测量相同的步骤进行测量。 

本实用新型的装置也适合于磁性材料之间多方向作用力的测量。 

对低温容器做相应的改进，使之可以保持更低的温度(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测试。 

Claims (6)

1.大晶粒块状高温超导体及其组合磁浮力测量装置，其特征在于，该装置包括机架(1)，垂直移动机构(2)，水平移动机构(3)，控制及数据采集单元(4)，低温样品容器(5)，磁体(6)，力信号测试采集元件(71、72)和转动机构(8)； 

该垂直移动机构(2)固定在机架(1)上，磁体(6)和力信号测试采集元件(71)固定于该垂直移动机构(2)上； 

该水平移动机构(3)固定在机架(1)上，并位于垂直移动机构(2)的下方；转动机构(8)固定于该水平移动机构(3)上，低温样品容器(5)固定于该转动机构(8)上；水平移动机构(3)上固定力信号测试采集元件(72)； 

该垂直移动机构(2)、水平移动机构(3)、转动机构(8)和力信号测试采集元件(71、72)分别与控制及数据采集单元(4)连接。 

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述垂直移动机构(2)由步进电机(21)、精密滚珠丝杠(22)和具有滑动导向槽的导柱(23)构成；该精密滚珠丝杠(22)一端连接步进电机(21)，另一端连接该磁体(6)和力信号测试采集元件(71)；该步进电机(21)和精密滚珠丝杠(22)分别与所述控制及数据采集单元(4)连接。 

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转动机构(8)由控制旋转步进电机(81)、精密滚珠丝杠和转轴(83)构成；精密滚珠丝杠将控制旋转步进电机(81)和转轴(83)相连接；该转轴(83)下部安装在控制旋转步进电机(81)上，其上部与低温样品容器(5)固定连接；该控制旋转步进电机(81)和精密滚珠丝杠分别与所述控制及数据采集单元(4)连接。 

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水平移动机构(3)由具有滑动导向槽的导柱(36)，沿导向槽滑动的滑块(37)，导柱(36)上设置的精密滚珠丝杠(34)和步进电机(32)组成；该精密滚珠丝杠(34)的一端连接滑块(37)，另一端连接步进电机(32)；力信号测试采集元件(72)固定于滑块(37)上，控制旋转步进电机(81)位于力信号测试采集元件(72)的一侧，两者固定连接；步进电机(32)驱动精密滚珠丝杠(34)，牵引固定连接在滑块(37)上的力信号测试采集元件(72)、控制旋转步进电机(81)及其上的低温样品容器(5)沿该导柱(36)的导向槽作水平移动。 

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制及数据采集单元(4)包括位移测量单元、输出信号采集及显示单元和整体装置的驱动及控制单元。 

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力信号测试采集元件(71、72)为应变片、应变规和/或精密拉压传感器。 

Images