一种变温条件下高温超导块材悬浮与导向特征的测试装置的制作方法

本发明涉及高温超导试验专用设备，尤其是一种温度可变条件下高温超导块材悬浮与导向特性的测试方法。

背景技术：

高温超导块材与永磁体组成的悬浮系统，因其体积小、悬浮力大、自稳定性强等特点，有望广泛的应用到超导轴承、超导飞轮储能系统和高温超导磁悬浮车等诸多领域。

然而，一方面高温超导及永磁体材料在生产制备中，材料本征缺陷难以准确控制，导致其性能会无可避免的达到甚至超过10％以上的偏差；此外，超导材料形状尺寸及其排布方式、永磁体不同组合方式带来空间磁场分布的变化，都将对高温超导-永磁悬浮系统的悬浮特性带来显著的影响。因此，目前还不能仅从理论上准确计算评估一个已知高温超导-永磁浮系统的悬浮特性。

另一方面，高温超导材料悬浮性能还取决于工作温度。通常工作温度的降低导致高温超导材料悬浮性能升高。同时，从已有资料来看，当工作温度低于53K时，温度的进一步降低不再明显提升高温超导材料的悬浮性能。

因此，从以上两方面来看，建立测试装置以评价在液氮温度77K至53K之间高温超导永磁悬浮特性是非常必要的。

然而，现有的变温环境下高温超导磁悬浮特性测量系统，是采用制冷机实现的。其缺点是：一方面制冷设备成本较高，体积较大；另一方面，由于实际悬浮系统为充分利用磁轨表面磁场，放置超导块材的杜瓦底部较薄，以减小超导块材与磁轨间的间距。这将导致杜瓦的绝热性能有所下降，并使得在多超导块复杂排布情况下，降温过程缓慢且困难，难以对悬浮系统在不同温度下的表现做出充分评价。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于不同温度条件下高温超导块材悬浮特性及导向特性的测试装置。使之能够快速降温到指定温度，测量出在液氮温度或低于液氮温度某一范围内的高温超导块材悬浮特性及导向特性，从而为高温超导-永磁悬浮系统的设计、制造与应用提供可靠的实验依据。

本发明采用的技术方案：

一种变温条件下高温超导块材悬浮与导向特征的测试装置，由空间定位系统、温度控制系统、数据采集系统构成，温度控制系统的构成为：杜瓦17上分别设置抽气口9、液氮添加口密封盖10、放气口12和温度采集口11；低温传感器18的测温引线3通过温度采集口11与固定在底座27上的数控真空泵4连接；数控真空泵4通过抽气管1与抽气口9连接；被测试超导块19布置于真空杜瓦17底部，超导块附近放置低温传感器18；通过闭环反馈调节数控真空泵4抽速以控制液或固氮表面蒸汽压，从而控制超导块19工作于设定温度。通过杜瓦法兰16将超导块19布置于真空杜瓦17底部，并于超导块附近放置低温传感器18；杜瓦17上分别安装有抽气口9、液氮添加口密封盖10、放气口12和温度采集口11；低温传感器18的测温引线3通过温度采集口11与固定在底座27上的数控真空泵4连接；数控真空泵通过抽气管1与抽气口9连接，由此构成采用控制液固氮蒸汽压来控制杜瓦内超导块材工作温度的温度控制系统。

进一步地，本发明空间定位系统构造为：水平方向伺服电机2固定在水平方向机械臂15的左端，通过传动丝杆14驱动与水平方向滑块13连接的杜瓦17，以确定杜瓦17水平方向位置；竖直方向伺服电机5固定在竖直方向机械臂6的顶端，通过传动丝杆7驱动竖直方向滑块8连接的水平方向机械臂15做垂直方向移动，以确定杜瓦17垂直方向位置；通过水平和垂直方向移动调节超导块19与永磁轨道24的相对位置。

进一步地，本发明导向特征数据采集系统构造为：永磁轨道24固定在托板25上，托板25固定在滑块20上，滑块20与水平导轨21滑动连接，且与导向力传感器26固定连接；水平导轨21与导向力传感器26均与固定架22固定连接；固定架2与竖直滑轨23滑动连接，与悬浮力传感器28固定连接；竖直滑轨23与悬浮力传感器28均与底座27固定连接；数据采集器30通过引线29分别与导向力传感器26和悬浮力传感器28连接，由此构成数据采集系统。

采用本发明的系统结构，通过空间定位系统调节超导块19与永磁轨道24的相对位置，并通过闭环反馈调节数控真空泵4抽速以控制液或固氮表面蒸汽压，从而控制超导块9工作于设定温度，同时通过数据采集系统测量采集超导块19与永磁轨道24间的悬浮与导向特征数据。

在温度控制系统在实际控温过程中，具体而言，是以数控真空泵4连接真空杜瓦17，在77K-64K温度区间，以闭环反馈控制真空泵抽速，从而控制液氮挥发速度，利用液-气相变吸热降温过程，达到控制超导块材工作于77K-64K间任意指定温度的目的；当温度低于64K时，液氮发生液-固转变成为固氮。通过闭环反馈控制真空泵抽速，调节固氮表面升华蒸汽压，从而达到控制超导块材工作于64K-53K间任意指定温度的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明装置具有控温装置简单、成本低、降温速度快、温度控制精度高(可达到±0.1K)等特点。其控温区间完全涵盖了现有高温超导块材的有效工作温度区间。

二、本发明装置最大可以同时采集不同排布条件下高温超导块材的悬浮和导向力两个不同维度的力学数值，便于同一组实验环境下，不同维度相关力学数据量的对比与分析。

三、本发明装置可以在杜瓦中对一定数量的高温超块材进行不同排布，从而可以得到不同温度、高温超导块材不同排布方式等条件下，高温超导-永磁悬浮系统的悬浮特性与导向特性的相关数据。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明的实施例的装置示意图。

具体实施方式

实施例

实施例一：液氮温度时高温超导块材悬浮及导向特征的测试方法

A.通过杜瓦法兰16设定杜瓦17中的超导块19的数量和排布方式；

B.启动水平方向伺服电机2，使得传动丝杆14带动水平方向滑块13，使得杜瓦17在水平方向移动，设定实验的水平方向初始位置；

C.启动竖直方向伺服电机5，使得竖直方向伺服电机5的传动丝杆7带动竖直方向滑块8，并使得杜瓦17在竖直方向移动，从而设定实验的竖直方向初始位置；

D.通过温度采集口11对超导块温度进行监测；

E.打开放气阀12，并打开液氮添加口密封盖10向杜瓦17中注入液氮，并场5-10分钟。打开数据采集器30以同时对悬浮力和导向力数据实时采集；

F.启动水平方向伺服电机2，使得水平方向伺服电机2的传动丝杆14带动水平方向滑块13，使得杜瓦17在水平方向移动，到达超导块19的水平工作位置；

G.启动竖直方向伺服电机5，使得水平方向伺服电机5的传动丝杆7带动竖直方向滑块8，使得杜瓦17在竖直方向移动，确定超导块19的竖直工作位置；

H.通过导向力传感器26及悬浮力传感器27及数据采集器30得到指定温度下的导向力和悬浮力数据，从而完成超导块19在液氮温度下的悬浮及导向特征测量。

实施例二：低于液氮温度某一范围内的高温超导块材悬浮及导向特征的测试方法

A.通过杜瓦法兰16设定杜瓦17中的超导块19的数量和排布方式，在数控真空泵4上设定实验温度；

B.启动水平方向伺服电机2，使得水平方向伺服电机2的传动丝杆14带动水平方向滑块13，使得杜瓦17在水平方向移动，设定实验的水平方向初始位置；

C.启动竖直方向伺服电机5，使得竖直方向伺服电机的传动丝杆7带动竖直方向滑块8，使得杜瓦17在竖直方向移动，设定实验的竖直方向初始位置；

D.通过温度采集口11对实验温度进行监测，打开数据采集器30同时对导向力和悬浮力进行实时采集；

E.打开放气阀12，并打开液氮添加口密封盖10向杜瓦17中注入液氮以冷却超导块材19；关闭液氮添加口密封盖10，关闭放气阀12，并打开数控真空泵4，使得低温传感器18返回的温度稳定值与设定温度一致，并场冷5-10分钟；

F.启动水平方向伺服电机2，使得水平方向伺服电机2的传动丝杆14带动水平方向滑块13，使得杜瓦17在水平方向移动，到达超导块19的水平工作位置；

G.启动竖直方向伺服电机5，使得竖直方向伺服电机5的传动丝杆7带动竖直方向滑块8，使得杜瓦17在竖直方向移动，到达超导块19的竖直工作位置；

H.通过导向力传感器26及悬浮力传感器28及数据采集器30得到指定温度下的悬浮力和导向力数据，从而完成超导块19在设定温度下的悬浮及导向特征测量。