专利名称：大晶粒块状高温超导体及其组合俘获磁场测量装置的制作方法
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及组合超导体俘获磁场的简易
测量装置。
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。俘获磁场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，也可计算其磁浮力性能，甚至可以对超导块材的内部缺陷的程度进行简单推断，对组合超导体的磁场均匀性扫描及数据测量对实际应用更加具有参考价值。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种异形大晶粒块状高温超导体及组合超导体俘获磁场的测量装置。用于在不破坏样品的情况下对单块异形块材俘获场特性或组合超导体的磁场均匀性进行扫描测量，从而对块材的质量或工程应用性能进行评价。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俘获磁场测量装置，包括机架1，垂直移动机构2，二维水平移动机构3，控制及数据采集单元4，低温样品容器5，磁场扫描测量元件7和转动机构8 ；该垂直移动机构2固定在机架I上,充磁用磁体6或磁场扫描测量兀件7固定于该垂直移动机构2上；该二维水平移动机构3固定在机架I上，并位于垂直移动机构2的下方；转动机构8固定于该二维水平移动机构3上，低温样品容器5固定于该转动机构8上；该垂直移动机构2、二维水平移动机构3、转动机构8和磁场扫描测量元件7分别与控制及数据采集单元4连接。如上所述的装置，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 —端连接步进电机21，另一端连接该充磁用磁体6或磁场扫描测量元件7 ;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，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82和转轴83构成；精密滚珠丝杠82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82分别与所述控制及数据采集单元4连接。如上所述的装置，其特征在于，所述二维水平移动机构3由具有滑动导向槽的第一导柱36和第二导柱37组成,两个导柱相互垂直；该第一导柱36上设置第一步进电机32和第一精密滚珠丝杠34 ;该第二导柱37上设置第二步进电机33和第二精密滚珠丝杠35 ；控制旋转步进电机81固定于第一导柱36上，与第一精密滚珠丝杠34连接，该精密滚珠丝杠34的另一端连接第一步进电机32,由该精密滚珠丝杠34牵引，控制旋转步进电机81并由此带动低温样品容器5沿该第一导柱36作水平移动；该第一导柱36连接第二精密滚珠丝杠35，该第二精密滚珠丝杠35的另一端连接第二步进电机33，由该第二精密滚珠丝杠35牵引，第一导柱36沿该第二导柱37作水平移动。如上所述的装置，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。如上所述的装置，其特征在于，所述磁场扫描测量元件7为低温霍尔探头或列阵。如上所述的装置，其特征在于，所述装置的最大水平扫描范围为150mmX150mm，垂直移动距离为100mm，最小步进距离为25微米，最小转动角度为0.028度。本实用新型的有益效果在于:本实用新型的装置可实现测量异形高温超导块材的俘获磁场并对样品进行比较，还可以扫描测量超导块材组合后磁场的均匀性及组合后的俘获场分布。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。
图1是实施例1中俘获磁场测量装置的主视图。图2是实施例1中二维水平移动机构的结构示意图。图3是充磁用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俘获磁场测量装置如图1所示，该装置包括机架1，垂直移动机构2，二维水平移动机构3，转动机构8，控制及数据采集单元4，低温样品容器5和磁场扫描测量元件7。垂直移动机构2固定在机架I上,充磁用磁体6或磁场扫描测量兀件7固定于该垂直移动机构2上。二维水平移动机构3固定在机架I上，并位于垂直移动机构2的下方。转动机构8固定于二维水平移动机构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 —端连接步进电机21，另一端连接该充磁用磁体6或磁场扫描测量元件7。磁场扫描测量元件7可以是低温霍尔探头或列阵，本实施例中使用低温霍尔探头，低温霍尔探头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82和转轴83构成。控制旋转步进电机81固定在二维水平移动机构3上。精密滚珠丝杠82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。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82连接位移测量单元。如图2所示，二维水平移动机构3由具有滑动导向槽的第一导柱36和第二导柱37组成，两个导柱相互垂直。第一导柱36上设置第一步进电机32和第一精密滚珠丝杠34。第二导柱37上设置第二步进电机33和第二精密滚珠丝杠35。控制旋转步进电机81固定于第一导柱36上，与第一精密滚珠丝杠34连接。精密滚珠丝杠34的另一端连接第一步进电机32，由该精密滚珠丝杠34牵引，控制旋转步进电机81并由此带动低温样品容器5沿该第一导柱36作水平移动。第一导柱36连接第二精密滚珠丝杠35，第二精密滚珠丝杠35的另一端连接第二步进电机33，由该第二精密滚珠丝杠35牵引，第一导柱36沿该第二导柱37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。三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150mmX 150mm,垂直移动距离为100mm,最小步进距离为25微米，最小转动角度为0.028度。输出信号采集显示单元利用霍尔传感器将磁场信号转换为电信号，由于测量过程中采集到的信号电压值比较微弱，一般是直流mV级，且会有其它信号干扰。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，而且要对干扰信号进行过滤，这样才能真实地反映磁场信号的变化。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> 1000ΜΩ ,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俘获磁场、表面磁场及磁场分布应用实施例1中的装置，测量步骤如下:1.首先将待测超导材料冷却至液氮温度后进行充磁。待测超导材料为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。充磁用磁体6为纯铁和钕铁硼组合磁体，如图3所示，上、下两层钕铁硼磁体I之间夹一层纯铁II，该两层钕铁硼磁体I的N极相对设置。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。充磁操作可采用外部磁场，本实施例中通过垂直移动机构2带动充磁用磁体6与超导材料接近，冷却超导材料至液氮温度后对超导材料进行充磁。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。超导材料充磁后要一直保持液氮温度，如果温度升高会对测量结果产生影响。2.将磁场扫描测量兀件7替换充磁用磁体6固定于垂直移动机构2上,通过驱动垂直移动机构2的步进电机21确定磁场扫描测量元件7与超导样品之间的距离。3.控制二维水平移动机构上的步进电机32、33和控制旋转步进电机81，使超导材料相对与磁场扫描测量元件做水平移动及转动。根据被测样品的大小设定扫描区域及步进电机带动丝杆移动的步距及转动角度，通过控制旋转步进电机81的旋转选择被测区域。霍尔元件的最小扫描区域为0.01mm2，磁场测量范围为±5T，工作温度1.5-350K。4.采集水平方向的坐标值及磁场扫描测量元件俘获磁场、表面磁场及磁场分布的测量数据；5.以采集到的数据作图即可得到超导样品的俘获场数据及磁场分布图。本实用新型的装置也适合于测量异形磁性材料表面磁场与磁场分布。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磁场及磁场分布。
权利要求1.大晶粒块状高温超导体及其组合俘获磁场测量装置，其特征在于，该装置包括机架(I)，垂直移动机构(2)，二维水平移动机构(3)，控制及数据采集单元(4)，低温样品容器(5)，磁场扫描测量元件(7)和转动机构(8)； 该垂直移动机构(2)固定在机架(I)上，充磁用磁体(6)或磁场扫描测量元件(7)固定于该垂直移动机构(2)上；该二维水平移动机构(3)固定在机架(I)上，并位于垂直移动机构(2)的下方；转动机构(8)固定于该二维水平移动机构(3)上，低温样品容器(5)固定于该转动机构(8)上； 该垂直移动机构(2)、二维水平移动机构(3)、转动机构(8)和磁场扫描测量元件(7)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) —端连接步进电机(21)，另一端连接该充磁用磁体(6)或磁场扫描测量元件(7);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(82)和转轴(83)构成；精密滚珠丝杠(82)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(82)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，所述二维水平移动机构(3)由具有滑动导向槽的第一导柱(36)和第二导柱(37)组成,两个导柱相互垂直；该第一导柱(36)上设置第一步进电机(32)和第一精密滚珠丝杠(34);该第二导柱(37)上设置第二步进电机(33)和第二精密滚珠丝杠(35);控制旋转步进电机(81)固定于第一导柱(36)上，与第一精密滚珠丝杠(34)连接，该精密滚珠丝杠(34)的另一端连接第一步进电机(32)，由该精密滚珠丝杠(34)牵引，控制旋转步进电机(81)并由此带动低温样品容器(5)沿该第一导柱(36)作水平移动；该第一导柱(36)连接第二精密滚珠丝杠(35)，该第二精密滚珠丝杠(35)的另一端连接第二步进电机(33)，由该第二精密滚珠丝杠(35)牵引，第一导柱(36)沿该第二导柱(37)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，所述磁场扫描测量元件(7)为低温霍尔探头或列阵。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的最大水平扫描范围为150mmX 150mm,垂直移动距离为100mm，最小步进距离为25微米，最小转动角度为0.028度。
专利摘要一种大晶粒块状高温超导体及其组合俘获磁场测量装置，包括机架，移动及转动机构，控制及数据采集单元，低温样品容器和磁场扫描测量元件。垂直移动机构固定在机架上，磁场扫描测量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。该装置在不破坏样品的情况下对单块异形块材俘获场特性或组合超导体的磁场均匀性进行扫描测量，从而对块材的质量或工程应用性能进行评价。
文档编号F16H25/22GK203037838SQ20122074563
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者郑明辉, 张廷江, 焦玉磊 申请人:北京有色金属研究总院, 苏州普菲电子科技有限公司