专利名称：块状高温超导体俘获磁场测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种块状高温超导体磁悬浮力与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。当一个超导体处于外界磁场中时，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。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。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单方便的俘获磁场测量装置，用于在不破坏样品的情况下对块材单畴性及俘获场特性进行扫描测量，从而对块材的质量进行判别。为实现上述目的，本发明包括如下技术方案:一种块状高温超导体俘获磁场测量装置，其包括机架1，垂直移动机构2，二维水平移动机构3，驱动及数据采集系统4，低温样品容器5，充磁用磁体6和霍尔元件7 ;垂直移动机构2固定在机架I上,充磁用磁体6或霍尔兀件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,低温样品容器5固定于该二维水平移动机构3上；垂直移动机构2和二维水平移动机构3分别与驱动及数据采集系统4连接。如上所述的装置，其中，该垂直移动机构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或霍尔元件7。如上所述的装置，其中，该二维水平移动机构3包括一个样品支架；该样品支架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 ;低温样品容器5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，该低温样品容器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，其中，该驱动及数据采集系统4包括输出信号采集及显示单元和整体装置的驱动及控制单元。另一方面，本发明包括一种应用如上所述的装置测量块状高温超导体俘获磁场的方法，包括如下步骤:A.首先将超导材料进行充磁，并固定在盛有液氮的低温样品容器5中，该低温样品容器5固定在二维水平移动机构3上；B.将霍尔元件固定于垂直移动机构上，通过驱动垂直移动机构2的步进电机21确定霍尔元件与超导样品之间的距离；C.控制两个步进电机32、33，使样品相对与霍尔元件做水平运动；D.采集水平方向的坐标值及霍尔元件的测量数据；E.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。如上所述的方法，其中，该步骤A的充磁操作采用外部磁场，或通过所述垂直移动机构2带动磁体与超导材料接近，冷却超导材料至液氮温度后对超导材料进行充磁。如上所述的方法，其中，该装置的最大水平扫描范围为150mm X 150mm，垂直移动距离为100mm，最小步进距离为25微米。再一方面，本发明包括应用如上所述的装置测量磁性材料表面磁场与磁场分布的方法，包括如下步骤:A.首先将磁性材料样品固定在二维水平移动机构3上；B.将霍尔元件固定于垂直移动机构上，通过驱动垂直移动机构2的步进电机21确定霍尔元件与磁性材料样品之间的距离；C.控制两个步进电机32、33，使样品相对与霍尔元件做水平运动；D.采集水平方向的坐标值及霍尔元件的测量数据；E.以采集到的数据作图即可得到磁性材料样品的表面磁场与磁场分布图。本发明的有益效果在于:利用本发明的装置和方法可实现测量高温超导块材的俘获磁场并对样品进行比较。本发明给出的俘获磁场测量装置可以定量地给出在通过外加磁场磁化后的超导块材和利用本装置自带磁体磁化的超导块材的俘获场数值及分布。
图1是实施例1中块状高温超导体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。
具体实施例方式下面将结合附图和具体实施例子对本发明作进一步说明。实施例1块状高温超导体俘获磁场测量装置本发明一种优选实施方式的块状高温超导体俘获磁场测量装置如图1和图2所示，其包括机架I，垂直移动机构2，二维水平移动机构3，驱动及数据采集系统4，低温样品容器5,充磁用磁体6和霍尔兀件7。垂直移动机构2固定在机架I上,充磁用磁体6或霍尔元件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，低温样品容器5放置于该二维水平移动机构3上；垂直移动机构2和二维水平移动机构3分别与驱动及数据采集系统4连接。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或霍尔元件7。二维水平移动机构3包括一个样品支架；样品支架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 ;低温样品容器5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，由精密滚珠丝杠34牵引，低温样品容器5沿第一导柱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，由第二精密滚珠丝杠35牵引，第一导柱36沿第二导柱37作水平移动。该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。实施例2块状高温超导体俘获磁场测量应用实施例1中所述的装置，测量步骤如下:A.首先将超导材料进行充磁，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，(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)。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。B.将霍尔元件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确定霍尔元件7与超导样品之间的距离。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1.5-350Κ。C.控制两个步进电机32、33，使样品相对与霍尔元件7做水平运动。D.采集水平方向的坐标值及霍尔元件的测量数据。Ε.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。
权利要求
1.一种块状高温超导体俘获磁场测量装置，其特征在于，其包括机架1，垂直移动机构2，二维水平移动机构3，驱动及数据采集系统4，低温样品容器5，充磁用磁体6和霍尔元件7 ； 该垂直移动机构2固定在机架I上,充磁用磁体6或霍尔兀件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，低温样品容器5固定于该二维水平移动机构3上； 该垂直移动机构2和二维水平移动机构3分别与驱动及数据采集系统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或霍尔元件7。
3.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包括一个样品支架；该样品支架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 ;低温样品容器5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，该低温样品容器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。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动及数据采集系统4包括输出信号采集及显示单元和整体装置的驱动及控制单元。
5.一种应用权利要求1-4中任一项所述的装置测量块状高温超导体俘获磁场的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: A.首先将超导材料进行充磁，并固定在盛有液氮的低温样品容器5中，该低温样品容器5固定在二维水平移动机构3上； B.将霍尔元件固定于垂直移动机构上，通过驱动垂直移动机构2的步进电机21确定霍尔元件与超导样品之间的距离； C.控制两个步进电机32、33，使样品相对与霍尔元件做水平运动； D.采集水平方向的坐标值及霍尔元件的测量数据； E.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。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤A的充磁操作采用外部磁场，或通过所述垂直移动机构2带动磁体与超导材料接近，冷却超导材料至液氮温度后对超导材料进行充磁。
7.如权利要求5所述的方法，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。
8.应用权利要求1-4中任一项所述的装置测量磁性材料表面磁场与磁场分布的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: A.首先将磁性材料样品固定在二维水平移动机构3上； B.将霍尔元件固定于垂直移动机构上，通过驱动垂直移动机构2的步进电机21确定霍尔元件与磁性材料样品之间的距离； C.控制两个步进电机32、33，使样品相对与霍尔元件做水平运动； D.采集水平方向的坐标值及霍尔元件的测量数据； E.以采集到的数据作图即可得 到磁性材料样品的表面磁场与磁场分布图。
全文摘要
一种块状高温超导体俘获磁场测量装置，包括机架，垂直移动机构，二维水平移动机构，驱动及数据采集系统，低温样品容器和霍尔元件；垂直移动机构固定在机架上，霍尔元件固定于垂直移动机构上；二维水平移动机构固定在机架上，并位于垂直移动机构的下方，低温样品容器固定于二维水平移动机构上；垂直移动机构和二维水平移动机构分别与驱动及数据采集系统连接。以及应用装置测量高温超导体俘获磁场的方法，方法是将霍尔元件固定于垂直移动机构上，通过驱动垂直移动机构确定霍尔元件与超导样品之间的距离；控制两个步进电机，使样品相对与霍尔元件做水平运动；采集水平方向的坐标值及霍尔元件的测量数据；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。
文档编号G01R33/07GK103176145SQ20111043038
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者郑明辉, 焦玉磊 申请人:北京有色金属研究总院