本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)試驗(yàn)專用設(shè)備，尤其是一種溫度可變條件下高溫超導(dǎo)塊材懸浮與導(dǎo)向特性的測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

高溫超導(dǎo)塊材與永磁體組成的懸浮系統(tǒng)，因其體積小、懸浮力大、自穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，有望廣泛的應(yīng)用到超導(dǎo)軸承、超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和高溫超導(dǎo)磁懸浮車等諸多領(lǐng)域。

然而，一方面高溫超導(dǎo)及永磁體材料在生產(chǎn)制備中，材料本征缺陷難以準(zhǔn)確控制，導(dǎo)致其性能會(huì)無(wú)可避免的達(dá)到甚至超過(guò)10％以上的偏差；此外，超導(dǎo)材料形狀尺寸及其排布方式、永磁體不同組合方式帶來(lái)空間磁場(chǎng)分布的變化，都將對(duì)高溫超導(dǎo)-永磁懸浮系統(tǒng)的懸浮特性帶來(lái)顯著的影響。因此，目前還不能僅從理論上準(zhǔn)確計(jì)算評(píng)估一個(gè)已知高溫超導(dǎo)-永磁浮系統(tǒng)的懸浮特性。

另一方面，高溫超導(dǎo)材料懸浮性能還取決于工作溫度。通常工作溫度的降低導(dǎo)致高溫超導(dǎo)材料懸浮性能升高。同時(shí)，從已有資料來(lái)看，當(dāng)工作溫度低于53K時(shí)，溫度的進(jìn)一步降低不再明顯提升高溫超導(dǎo)材料的懸浮性能。

因此，從以上兩方面來(lái)看，建立測(cè)試裝置以評(píng)價(jià)在液氮溫度77K至53K之間高溫超導(dǎo)永磁懸浮特性是非常必要的。

然而，現(xiàn)有的變溫環(huán)境下高溫超導(dǎo)磁懸浮特性測(cè)量系統(tǒng)，是采用制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)的。其缺點(diǎn)是：一方面制冷設(shè)備成本較高，體積較大；另一方面，由于實(shí)際懸浮系統(tǒng)為充分利用磁軌表面磁場(chǎng)，放置超導(dǎo)塊材的杜瓦底部較薄，以減小超導(dǎo)塊材與磁軌間的間距。這將導(dǎo)致杜瓦的絕熱性能有所下降，并使得在多超導(dǎo)塊復(fù)雜排布情況下，降溫過(guò)程緩慢且困難，難以對(duì)懸浮系統(tǒng)在不同溫度下的表現(xiàn)做出充分評(píng)價(jià)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于不同溫度條件下高溫超導(dǎo)塊材懸浮特性及導(dǎo)向特性的測(cè)試裝置。使之能夠快速降溫到指定溫度，測(cè)量出在液氮溫度或低于液氮溫度某一范圍內(nèi)的高溫超導(dǎo)塊材懸浮特性及導(dǎo)向特性，從而為高溫超導(dǎo)-永磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：

一種變溫條件下高溫超導(dǎo)塊材懸浮與導(dǎo)向特征的測(cè)試裝置，由空間定位系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成為：杜瓦17上分別設(shè)置抽氣口9、液氮添加口密封蓋10、放氣口12和溫度采集口11；低溫傳感器18的測(cè)溫引線3通過(guò)溫度采集口11與固定在底座27上的數(shù)控真空泵4連接；數(shù)控真空泵4通過(guò)抽氣管1與抽氣口9連接；被測(cè)試超導(dǎo)塊19布置于真空杜瓦17底部，超導(dǎo)塊附近放置低溫傳感器18；通過(guò)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)數(shù)控真空泵4抽速以控制液或固氮表面蒸汽壓，從而控制超導(dǎo)塊19工作于設(shè)定溫度。通過(guò)杜瓦法蘭16將超導(dǎo)塊19布置于真空杜瓦17底部，并于超導(dǎo)塊附近放置低溫傳感器18；杜瓦17上分別安裝有抽氣口9、液氮添加口密封蓋10、放氣口12和溫度采集口11；低溫傳感器18的測(cè)溫引線3通過(guò)溫度采集口11與固定在底座27上的數(shù)控真空泵4連接；數(shù)控真空泵通過(guò)抽氣管1與抽氣口9連接，由此構(gòu)成采用控制液固氮蒸汽壓來(lái)控制杜瓦內(nèi)超導(dǎo)塊材工作溫度的溫度控制系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明空間定位系統(tǒng)構(gòu)造為：水平方向伺服電機(jī)2固定在水平方向機(jī)械臂15的左端，通過(guò)傳動(dòng)絲桿14驅(qū)動(dòng)與水平方向滑塊13連接的杜瓦17，以確定杜瓦17水平方向位置；豎直方向伺服電機(jī)5固定在豎直方向機(jī)械臂6的頂端，通過(guò)傳動(dòng)絲桿7驅(qū)動(dòng)豎直方向滑塊8連接的水平方向機(jī)械臂15做垂直方向移動(dòng)，以確定杜瓦17垂直方向位置；通過(guò)水平和垂直方向移動(dòng)調(diào)節(jié)超導(dǎo)塊19與永磁軌道24的相對(duì)位置。

進(jìn)一步地，本發(fā)明導(dǎo)向特征數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造為：永磁軌道24固定在托板25上，托板25固定在滑塊20上，滑塊20與水平導(dǎo)軌21滑動(dòng)連接，且與導(dǎo)向力傳感器26固定連接；水平導(dǎo)軌21與導(dǎo)向力傳感器26均與固定架22固定連接；固定架2與豎直滑軌23滑動(dòng)連接，與懸浮力傳感器28固定連接；豎直滑軌23與懸浮力傳感器28均與底座27固定連接；數(shù)據(jù)采集器30通過(guò)引線29分別與導(dǎo)向力傳感器26和懸浮力傳感器28連接，由此構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

采用本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)空間定位系統(tǒng)調(diào)節(jié)超導(dǎo)塊19與永磁軌道24的相對(duì)位置，并通過(guò)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)數(shù)控真空泵4抽速以控制液或固氮表面蒸汽壓，從而控制超導(dǎo)塊9工作于設(shè)定溫度，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量采集超導(dǎo)塊19與永磁軌道24間的懸浮與導(dǎo)向特征數(shù)據(jù)。

在溫度控制系統(tǒng)在實(shí)際控溫過(guò)程中，具體而言，是以數(shù)控真空泵4連接真空杜瓦17，在77K-64K溫度區(qū)間，以閉環(huán)反饋控制真空泵抽速，從而控制液氮揮發(fā)速度，利用液-氣相變吸熱降溫過(guò)程，達(dá)到控制超導(dǎo)塊材工作于77K-64K間任意指定溫度的目的；當(dāng)溫度低于64K時(shí)，液氮發(fā)生液-固轉(zhuǎn)變成為固氮。通過(guò)閉環(huán)反饋控制真空泵抽速，調(diào)節(jié)固氮表面升華蒸汽壓，從而達(dá)到控制超導(dǎo)塊材工作于64K-53K間任意指定溫度的目的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

一、本發(fā)明裝置具有控溫裝置簡(jiǎn)單、成本低、降溫速度快、溫度控制精度高(可達(dá)到±0.1K)等特點(diǎn)。其控溫區(qū)間完全涵蓋了現(xiàn)有高溫超導(dǎo)塊材的有效工作溫度區(qū)間。

二、本發(fā)明裝置最大可以同時(shí)采集不同排布條件下高溫超導(dǎo)塊材的懸浮和導(dǎo)向力兩個(gè)不同維度的力學(xué)數(shù)值，便于同一組實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，不同維度相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)量的對(duì)比與分析。

三、本發(fā)明裝置可以在杜瓦中對(duì)一定數(shù)量的高溫超塊材進(jìn)行不同排布，從而可以得到不同溫度、高溫超導(dǎo)塊材不同排布方式等條件下，高溫超導(dǎo)-永磁懸浮系統(tǒng)的懸浮特性與導(dǎo)向特性的相關(guān)數(shù)據(jù)。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

實(shí)施例一：液氮溫度時(shí)高溫超導(dǎo)塊材懸浮及導(dǎo)向特征的測(cè)試方法

A.通過(guò)杜瓦法蘭16設(shè)定杜瓦17中的超導(dǎo)塊19的數(shù)量和排布方式；

B.啟動(dòng)水平方向伺服電機(jī)2，使得傳動(dòng)絲桿14帶動(dòng)水平方向滑塊13，使得杜瓦17在水平方向移動(dòng)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)的水平方向初始位置；

C.啟動(dòng)豎直方向伺服電機(jī)5，使得豎直方向伺服電機(jī)5的傳動(dòng)絲桿7帶動(dòng)豎直方向滑塊8，并使得杜瓦17在豎直方向移動(dòng)，從而設(shè)定實(shí)驗(yàn)的豎直方向初始位置；

D.通過(guò)溫度采集口11對(duì)超導(dǎo)塊溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

E.打開(kāi)放氣閥12，并打開(kāi)液氮添加口密封蓋10向杜瓦17中注入液氮，并場(chǎng)5-10分鐘。打開(kāi)數(shù)據(jù)采集器30以同時(shí)對(duì)懸浮力和導(dǎo)向力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集；

F.啟動(dòng)水平方向伺服電機(jī)2，使得水平方向伺服電機(jī)2的傳動(dòng)絲桿14帶動(dòng)水平方向滑塊13，使得杜瓦17在水平方向移動(dòng)，到達(dá)超導(dǎo)塊19的水平工作位置；

G.啟動(dòng)豎直方向伺服電機(jī)5，使得水平方向伺服電機(jī)5的傳動(dòng)絲桿7帶動(dòng)豎直方向滑塊8，使得杜瓦17在豎直方向移動(dòng)，確定超導(dǎo)塊19的豎直工作位置；

H.通過(guò)導(dǎo)向力傳感器26及懸浮力傳感器27及數(shù)據(jù)采集器30得到指定溫度下的導(dǎo)向力和懸浮力數(shù)據(jù)，從而完成超導(dǎo)塊19在液氮溫度下的懸浮及導(dǎo)向特征測(cè)量。

實(shí)施例二：低于液氮溫度某一范圍內(nèi)的高溫超導(dǎo)塊材懸浮及導(dǎo)向特征的測(cè)試方法

A.通過(guò)杜瓦法蘭16設(shè)定杜瓦17中的超導(dǎo)塊19的數(shù)量和排布方式，在數(shù)控真空泵4上設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度；

B.啟動(dòng)水平方向伺服電機(jī)2，使得水平方向伺服電機(jī)2的傳動(dòng)絲桿14帶動(dòng)水平方向滑塊13，使得杜瓦17在水平方向移動(dòng)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)的水平方向初始位置；

C.啟動(dòng)豎直方向伺服電機(jī)5，使得豎直方向伺服電機(jī)的傳動(dòng)絲桿7帶動(dòng)豎直方向滑塊8，使得杜瓦17在豎直方向移動(dòng)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)的豎直方向初始位置；

D.通過(guò)溫度采集口11對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，打開(kāi)數(shù)據(jù)采集器30同時(shí)對(duì)導(dǎo)向力和懸浮力進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；

E.打開(kāi)放氣閥12，并打開(kāi)液氮添加口密封蓋10向杜瓦17中注入液氮以冷卻超導(dǎo)塊材19；關(guān)閉液氮添加口密封蓋10，關(guān)閉放氣閥12，并打開(kāi)數(shù)控真空泵4，使得低溫傳感器18返回的溫度穩(wěn)定值與設(shè)定溫度一致，并場(chǎng)冷5-10分鐘；

F.啟動(dòng)水平方向伺服電機(jī)2，使得水平方向伺服電機(jī)2的傳動(dòng)絲桿14帶動(dòng)水平方向滑塊13，使得杜瓦17在水平方向移動(dòng)，到達(dá)超導(dǎo)塊19的水平工作位置；

G.啟動(dòng)豎直方向伺服電機(jī)5，使得豎直方向伺服電機(jī)5的傳動(dòng)絲桿7帶動(dòng)豎直方向滑塊8，使得杜瓦17在豎直方向移動(dòng)，到達(dá)超導(dǎo)塊19的豎直工作位置；

H.通過(guò)導(dǎo)向力傳感器26及懸浮力傳感器28及數(shù)據(jù)采集器30得到指定溫度下的懸浮力和導(dǎo)向力數(shù)據(jù)，從而完成超導(dǎo)塊19在設(shè)定溫度下的懸浮及導(dǎo)向特征測(cè)量。