专利名称：一种用于超导球形转子的光纤测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种用于球形转子的光纤测量装置及测量方法，特别涉及测量低温超导球形 转子的光纤测量装置及测量方法
背景技术：
超导材料和低温技术的不断发展对新型精密仪器装置设备的研制起着巨大的推动作用。 超导体独特的物理性能有着其它材料不可比拟的应用优势，尤其是超导磁悬浮技术越来越受 到广泛关注。超导球形转子的旋转首先要有超导转子的稳定悬浮作为前提条件。超导磁悬浮 技术有很多优点首先整个悬浮系统工作在低温环境下，材料的化学活动性、膨胀系数等都 大大降低；其次超导体的零电阻和迈斯纳效应使其能量损耗几乎为零，此外超导磁悬浮具有
自适应稳定性，转子可承受较高的过载能力。把超导电性和经典力学理论相结合可得到稳定 的超导磁悬浮，同时这种非接触式的悬浮可以在无能量损失的情况下运行。低温超导球形转 子旋转驱动原理同超导磁悬浮一样都是基于超导体的迈斯纳效应。迈斯纳效应可以理解为处 于超导态的超导体的电阻和磁导率均为零，可把它看成为理想的反磁体，外磁场磁力线无法 穿入到超导体的内部。外磁场的磁力线平行于超导体表面，在超导体表面感生出的超导电流 产生的磁场方向与外磁场方向相反，两个磁场相互作用产生磁作用力表现为非接触式的机械 力的形式使超导球形转子悬浮和旋转起来。对于超导体表面磁压力的大小和方向，有以下两
个结论第一，磁场中的超导体表面受到的磁压力的方向垂直于超导体表面向里。第二，单 位面积上磁压力的大小与超导体表面的磁感应强度的平方成正比，即/ = #/in。另外， 转子旋转加速度和转子受到的转动合力矩与转子的转动惯量有关，即3=#//。依靠超导 磁悬浮技术制作成的惯性器件较其他类型的器件具有更高的漂移精度，为发展高精度惯性导 航器件和仪器装置奠定了基础。
国夕卜文献资料K. F. Schoch， B. Darrel， A Superconducting Gyroscope for Gimballed Platform Application, ( f 6b/z p朋/ 7ec/ . W印orL pp《57-M朋关于低温转子旋转 装置的光学测量装置的报道中，其传感器主要以光电传感器为主，光电半导体器件均在低温 环境中，工作性能受温度影响大，不易长时间精确测量。文献BenczeWJ， EglingtonME， Brumley R W et aL Precision electrostatic suspension system for the Gravity Probe B relativity mission' s science gyroscopes [J] ^c/ra/ ce51 5^aace /te5esrc力，2006: 1-6.中的低温转子旋转原理及测量装置，其旋转驱动是通过向转子腔内快速通入超流氦
气从转子表面切向方向推动转子旋转，直至旋转到额定转速后将剩余氦气抽出。转子腔内氦 气通道结构非常复杂，对加工制作要求高，并且对转子转速不易灵活控制。转子悬浮位移是 通过转子与支承电极间形成的电容传感器来测量的，需要在球腔内壁上加工高精度金属电 极，测量位移的电容传感器电路也较为复杂。
发明内容
为了克服现有测量装置受低温影响，不能长时间高精度稳定工作等缺点，本发明提出了 一种测量超导球形转子的光纤测量装置和方法。本测量装置操作简便、不受低温环境影响、 对转子旋转干扰小，与控制系统联合形成的反馈系统可对转子悬浮旋转灵活控制，实现转子 的高精度稳定工作。
本发明测量装置包括传感器支架、转速光纤传感器、旋转轴向光纤位移传感器、电机控 制光纤传感器、超导球形转子顶部平面和位于超导球形转子顶部平面上的信号读取图形。旋 转轴向光纤位移传感器的光轴与超导球形转子旋转轴重合，转速光纤传感器和电机控制光纤 传感器位于旋转轴向光纤位移传感器的两侧。转速光纤传感器、旋转轴向光纤位移传感器和 电机控制光纤传感器光轴垂直于超导球形转子顶部平面。转速光纤传感器、旋转轴向光纤位 移传感器和电机控制光纤传感器固定在传感器支架上，并且三个传感器位置在一条直线上。 超导球形转子顶部平面上的信号读取图形包括转速信号图形和电机控制信号图形。
本发明测量装置所述的三个传感器旋转轴向光纤位移传感器为三光纤结构补偿式模拟
信号输出光纤位移传感器，转速光纤传感器和电机控制传感器为两光纤结构TTL信号输出光
纤传感器。
本发明测量装置所述的三个传感器探头顶部端面距离超导球形转子顶面在0. 5 mm 2. 0 ram范围内。
本发明光纤测量装置所述的信号读取图形包括一个转速信号图形和八个电机控制信号 图形。图形均为梯形，梯形两腰延长线交角成22.5。夹角。信号读取图形在超导球形转子顶 部平面上由镀膜、光刻和离子束刻蚀等方法制成。
本发明超导球形转子旋转工作原理是基于超导体的完全抗磁特性——迈斯纳效应，也就 是超导体进入超导状态后，外磁场无法贯穿到它的内部。外磁场的磁力线平行于超导体表面， 在超导体表面感生出的超导电流产生的磁场方向与外磁场方向相反，两个磁场相互作用产生 磁作用力，表现为非接触式的机械力的形式，产生转动力矩使超导转子旋转起来。
本发明光纤测量装置采用非接触式光电测量方法，利用旋转轴向光纤位移传感器测量超 导球形转子悬浮高度，利用转速光纤传感器测量超导球形转子转速，利用电机控制传感器提 供超导球形转子旋转时的窗口位置信息，并产生驱动超导球形转子加速的脉冲信号。将此驱 动超导球形转子加速的脉冲信号通过电源以脉冲电流形式反馈供给超导电机定子线圈。空心 的超导球形转子套在圆柱形的中心柱上，中心柱内部装有超导电机定子线圈，中心柱与超导 球形转子内孔壁间隙为0.5mm lmm。超导电机定子线圈共八组，其中四组串联在一起作为A 相，另外四组串联在一起作为B相。通过超导电机定子线圈产生的磁场，在超导球形转子内 孔窗口侧壁面上产生的磁压力，形成转动力矩来加速超导球形转子旋转。
本发明具体测量步骤如下首先，对于旋转轴向悬浮位移的测量，用恒流电路给旋转轴 向光纤位移传感器的激光二极管供电，该激光二极管光源发出的红外光经过光纤传输进入旋 转轴向光纤位移传感器探头，此探头的出射光经过超导球形转子顶部平面后返回，反射回来 的光经接收光纤传输被旋转轴向光纤位移传感器的旋转轴向近光电探测器和旋转轴向远光 电探测器接收并将光信号转化成电压信号输入到信号处理仪，根据旋转轴向光纤位移传感器 标定的输出电压比值与检测位移的曲线函数，将采集到的电压信号处理计算得到所检测的超 导球形转子悬浮位移大小，将悬浮位移大小数据传输到计算机上显示旋转轴方向上的超导球 形转子悬浮位移大小。
其次，当超导球形转子启动旋转后，用恒流电路给转速光纤传感器的激光二极管和电机 控制传感器的激光二极管供电，两个激光二极管光源发出的红外光经过光纤传输分别进入转 速光纤传感器和电机控制传感器的探头，探头的出射光经过超导球形转子顶部平面后返回， 反射回来的光经接收光纤传输分别被转速光纤传感器的光电探测器和电机控制传感器的光 电探测器接收并将光信号转化成电压信号，将转速光纤传感器的光电探测器输出的信号通过 信号处理仪得到每圈的单脉冲信号，将此单脉冲信号传输到计算机上显示超导球形转子转 速；将电机控制光纤传感器的光电探测器输出的信号通过信号处理仪处理得到产生驱动超导 球形转子加速的电机控制脉冲信号。
本发明光纤测量装置主要以不同类型光纤传感器组成，传感器的光电转换半导体元件可 由光纤从低温装置中引出至常温下，传感器件不受低温影响，工作时间长，测量精度高。传 感器探头尺寸很小，节省了超导球形转子腔内的占用空间。半导体器件自身的工作发热也不 会影响到转子及周边的温度，从而保证了转子的超导性能。光纤传感器具有抗电磁干扰、体 积小和灵敏度高等特点。利用光纤传感器组成的光纤测量装置来测量超导球形转子悬浮位 移、旋转速度以及提供加速超导球形转子旋转的驱动信号，不仅易安装，测量简便，而且不 受外界低温环境和电磁干扰，非常适应于低温精密仪器装置中，可以达到较高稳定性和测量 精度。
图l是光纤测量装置示意图，图中l传感器支架、2转速光纤传感器、3旋转轴向光纤
位移传感器、4.电机.控制光纤传感器、5信号读取图形，6超导^^形转子顶部平面；
图2是信号读取图形示意图，图中201转速信号图形，202电机控制信号图形，203 超导球形转子内孔壁窗口， 204超导球形转子内孔壁；
图3是三个传感器输出信号示意图，图中301超导球形转子顺时针旋转转速传感器输 出波形，302超导球形转子顺时针旋转电控制传感器输出波形，303超导球形转子逆时针旋 转转速传感器输出波形，304超导球形转子逆时针旋转电控制传感器输出波形；
图4是光纤测量装置测量原理示意图，图中401转速光纤传感器激光二极管，402转 速光纤传感器的光电探测器，403旋转轴向光纤位移传感器的激光二极管，404旋转轴向光 纤位移传感器的旋转轴向近光电探测器，405旋转轴向光纤位移传感器的旋转轴向远光电探 测器，406电机控制传感器的激光二极管，407电机控制传感器的光电探测器。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施方式
对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明光纤测量装置包括传感器支架l、转速光纤传感器2、旋转轴向 光纤位移传感器3、电机控制光纤传感器4、信号读取图形5，超导球形转子顶部平面6。旋 转轴向光纤位移传感器3光轴与超导球形转子旋转轴重合，转速光纤传感器2和电机控制光 纤传感器4位于旋转轴向光纤位移传感器的两侧。转速光纤传感器2、旋转轴向光纤位移传 感器3和电机控制光纤传感器4光轴垂直于超导球形转子顶部平面6，所述的三个传感器固 定在传感器支架1上，并且三个传感器位置在一条直线上。所述的三个传感器探头顶部端面 距超导球形转子顶面距离在0. 5 rnm 2.0咖范围内。
本发明光纤测量装置的工作过程如下
正常工作时，在悬浮过程中给旋转轴向光纤位移传感器3通电，通过旋转轴向光纤位移 传感器3将超导球形转子悬浮位移信号传出并处理显示在计算机上。当超导电机定子线圈通 电启动超导球形转子开始旋转后，通过转速光纤传感器2将转速信号传出并显示在计算机上， 通过电机控制传感器4将超导球形转子窗口位置信号处理后传送给电源，电源根据脉冲信号 输出脉冲电流反馈供给超导电机定子线圈，通过超导电机定子线圈产生的磁压力对超导球形 转子进行连续加速。
如图2所示，在超导球形转子顶部平面6上刻制信号读取图形5，可采用镀膜、光刻和 离子束刻蚀等方法制作，信号读取图形5包括一个转速信号图形201和八个电机控制信号图 形202。用超导球形转子顶部平面6做反射面，信号读取图形5做漫反射面来读取超导球形 转子悬浮位移、转子转速和转子内孔的窗口位置信息。超导球形转子内孔壁204 —周有4个 窗口 203，通过电机控制传感器4测量并输出窗口 203的位置信息。转速信号图形201尺寸
大小应保证转速光纤传感器2的光斑在通过转速信号图形时完全照在转速信号图形201内， 电机控制信号图形202的尺寸大小应保证电机控制传感器4的光斑在通过电机控制信号图形 时完全照在电机控制信号图形202内。在超导球形转子顶部平面6圆心处沿着直径方向4. 5 mm处刻制一个高为2.4-2.6 mm,梯形两腰延长线交角成22. 5°夹角的梯形漫反射转速信号 图形201。在超导转子顶部平面6中心处一周内沿着直径方向6. 5 mra处刻制八个高为2. 6-2. 8 ram，梯形两腰延长线交角成22.5。夹角的梯形漫反射电机控制信号图形202，八个电机控制 信号图形202在一周内等间隔分布。转速光纤传感器2用于测量超导球形转子转速大小，转 速光纤传感器2探头端面中心和超导球形转子的旋转轴的距离在4. 3-4. 7mm范围内。旋转轴 向光纤位移传感器3的光轴与超导球形转子的旋转轴重合，旋转轴向光纤位移传感器3用于 测量超导球形转子悬浮位移大小。电机控制光纤传感器4探头端面中心和超导球形转子的旋 转轴的距离在6.3-6.7ram内，以获取超导球形转子窗口位置信息。以上所述的三个传感器位 置在一条直线上，三个传感器探头顶部端面距离超导球形转子顶面在0.5 mm 2.0 mm范围 内。转速信号图形201和电机控制信号图形202的梯形两腰直线延长线均经过超导球形转子 顶部平面6的圆心。
转速光纤传感器2和电机控制传感器4出射光形成的光斑落在转速信号图形201和电机 控制信号图形202上时是漫反射，转速光纤传感器2和电机控制传感器4输出高电平信号。 转速光纤传感器2和电机控制传感器4出射光形成的光斑落在超导球形转子的顶部平面6上 的转速信号图形201和电机控制信号图形202以外部分时是全反射，转速光纤传感器2和电 机控制传感器4输出低电平信号。如图3所示，超导球形转子顺时针每转一周，转速光纤传 感器2的光斑经过漫反射转速信号图形201 —次，输出转速信号301，电机控制传感器4的 光斑经过电机控制信号图形202八次，输出电机控制信号302。超导球形转子逆时针每转一 周，转速光纤传感器2输出转速信号303，电机控制传感器4输出电机控制信号304。按顺 时针方向旋转测量时，转速信号图形201的信号上升沿先于与其相邻近的一个电机控制信号 图形202的信号上升沿11.25°的相位角度。按逆时针方向旋转测量时，转速信号图形201 的信号上升沿后于与其相邻近的一个电机控制信号图形202的信号上升沿11. 25°的相位角 度。
如图4所示，分别给测量转速光纤传感器2的激光二极管401、旋转轴向光纤位移传感
器3的激光二极管403和电机控制传感器4的激光二极管406供电，激光二极管401、 403、
406发出的红外光经光纤传输照射在超导球形转子顶部平面6上。由转速光纤传感器2的光
电探测器402将反射回的光信号转换成TTL电压信号；由旋转轴向光纤位移传感器3的旋转
轴向近光电探测器404和旋转轴向远光电探测器405将在旋转轴向上反射回的光信号转换成
模拟电压信号；由电机控制传感器4的光电探测器407将反射回的光信号转换成'TTL电压信 号。转速光纤传感器2、旋转轴向光纤位移传感器3和电机控制光纤传感器4输出的电压信 号接到信号处理仪408上。将旋转轴向光纤位移传感器的旋转轴向近光电探测器404和旋转 轴向远光电探测器405的两路电压信号相除，根据己标定的旋转轴向光纤位移传感器3的输 出电压比值与检测位移的曲线函数，将相除的电压值对应计算得到被检测位移大小，并将数 据传输到计算机409上显示超导球形转子悬浮位移大小；将转速脉冲电压信号数据进行计数 并传输到计算机409上显示超导球形转子旋转速度大小；将电机控制脉冲电压信号进行处理 并传送到超导电机电源410上进行信号功率放大，然后以脉冲电流形式反馈给超导电机定子 线圈供电，通过定子线圈产生的磁场在超导球形转子内孔窗口侧壁面上产生的磁压力形成的 转动力矩来加速超导球形转子旋转。整个光纤测量装置设备简便、易安装，不受低温和电磁 环境影响、测量精度高。
权利要求
1、一种用于超导球形转子的光纤测量装置，其特征在于包括转速光纤传感器(2)、旋转轴向光纤位移传感器(3)、电机控制光纤传感器(4)、信号读取图形(5)和超导球形转子顶部平面(6)；旋转轴向光纤位移传感器(3)的光轴与超导球形转子旋转轴重合，转速光纤传感器(2)和电机控制光纤传感器(4)位于旋转轴向光纤位移传感器(3)的两侧；转速光纤传感器(2)、旋转轴向光纤位移传感器(3)和电机控制光纤传感器(4)的光轴垂直于超导球形转子顶部平面(6)；转速光纤传感器(2)、旋转轴向光纤位移传感器(3)和电机控制光纤传感器(4)固定在传感器支架(1)上，所述的三个传感器位置在一条直线上；超导球形转子顶部平面(6)上刻蚀的信号读取图形(5)包括转速信号图形和电机控制信号图形。
2、 按照权利要求1所述的用于超导球形转子的光纤测量装置，其特征在于转速光纤传 感器(2)、旋转轴向光纤位移传感器(3)和电机控制光纤传感器(4)的探头顶部端面距离 超导球形转子顶面(6)在O. 5 mm 2. 0鹏范围内。
3、 按照权利要求1所述的用于超导球形转子的光纤测量装置，其特征在于旋转轴向光 纤位移传感器(3)为三光纤结构补偿式模拟信号输出光纤位移传感器，转速光纤传感器(2) 和电机控制传感器(4)为两光纤结构TTL信号输出光纤传感器。
4、 按照权利要求1所述的用于超导球形转子的光纤测量装置，其特征在于信号读取图 形(5)包括一个转速信号图形(201)和八个电机控制信号图形(202)，每个图形均为梯形； 转速信号图形(201)是在超导球形转子顶部平面(6)圆心处沿着直径方向4.5漏处刻制 的一个高为2.4~2.6mm，梯形两腰延长线交角成22. 5°夹角的梯形漫反射图形；八个电机 控制信号图形(202)是在超导球形转子顶部平面(6)圆心处一周内沿着直径方向6.5 mm 处刻制的高为2.6 2.8mm，梯形两腰延长线交角成22. 5°夹角的梯形漫反射图形，八个电 机控制信号图形(202)在一周内等间隔分布。
5、 应用权利要求1所述的光纤测量装置测量超导球形转子的方法，其特征在于测量步 骤如下(I)测量超导球形转子旋转轴向悬浮位移用恒流电路给旋转轴向光纤位移传感器(3) 的激光二极管(403)供电，激光二极管光源发出的红外光经过光纤传输进入旋转轴向光纤 位移传感器(3)探头，该探头的出射光经过超导球形转子顶部平面(6)后返回，反射回来 的光经接收光纤传输被旋转轴向光纤位移传感器(3)的旋转轴向近光电探测器(404)和旋 转轴向远光电探测器(405)接收并将光信号转化成电压信号输入到信号处理仪(408)，根据旋转轴向光纤位移传感器(3)标定的输出电压比值与检测位移的曲线函数，将采集到的' 电压信号处理计算得到所检测的超导球形转子位移大小，将悬浮位移大小数据传输到计算机 (409)上显示旋转轴方向上的超导球形转子悬浮位移大小；(2)当超导球形转子启动旋转后，用恒流电路给转速光纤传感器(2)的激光二极管(401) 和电机控制传感器(4)的激光二极管(406)供电，两个激光二极管光源发出的红外光经过 光纤传输分别进入转速光纤传感器(2)和电机控制传感器(4)的探头，探头的出射光经过 超导球形转子顶部平面(6)后返回，反射回来的光经接收光纤传输分别被转速光纤传感器 (2)的转速光电探测器(402)和电机控制传感器(4)的电机控制光电探测器(407)接收 并将光信号转化成电压信号，将转速光纤传感器(2)的光电探测器(402)输出的信号通过 信号处理仪(408)得到每圈的单脉冲信号，将此单脉冲信号传输到计算机(409)上显示超 导球形转子转速；将电机控制光纤传感器(4)的光电探测器(407)输出的信号通过信号处 理仪(408)处理得到产生驱动超导球形转子加速的电机控制脉冲信号。
全文摘要
一种用于超导球形转子的光纤测量装置，旋转轴向光纤位移传感器(3)的光轴与超导球形转子旋转轴重合，转速光纤传感器(2)和电机控制光纤传感器(4)位于旋转轴向光纤位移传感器(3)的两侧；转速光纤传感器(2)、旋转轴向光纤位移传感器(3)和电机控制光纤传感器(4)的光轴垂直于超导球形转子顶部平面(6)；上述三个传感器固定于传感器支架(1)，位置在一条直线上。超导球形转子顶部平面(6)上刻蚀有信号读取图形(5)。本发明测量装置采用非接触式光纤传感器测量超导球形转子悬浮高度、超导球形转子旋转速度及产生用于控制超导球形转子旋转速度的电机驱动脉冲信号。
文档编号G01B11/02GK101344402SQ20081011956
公开日2009年1月14日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者崔春艳, 王秋良, 胡新宁, 立 韩 申请人:中国科学院电工研究所