超导磁悬浮转子漂移测试装置及测试方法

摘要

一种超导磁悬浮转子漂移测试装置，其旋转平台(2)上安放倾斜轴(3)，倾斜轴(3)上装有外旋转轴(4)，外旋转轴(4)的中间位置安装有内旋转轴(14)，在内旋转轴(14)上固定内旋转轴夹具(15)，低温容器(5)固定在内旋转轴夹具(15)上。在指定的空间坐标系下，通过伺服系统控制外旋转轴(4)和内旋转轴(14)的转动，使光电传感器(12)的输出信号变化率为零，并记录外旋转轴(4)和内旋转轴(14)的转动角度，通过建立的漂移测试数学模型公式，计算得到超导磁悬浮转子(10)漂移角速度ω

说明书

技术领域

本发明涉及一种漂移测试装置，特别涉及用于超导磁悬浮转子漂移测试装置。

背景技术

随着新型材料和低温技术的不断发展加快了超导技术的应用，超导体独特的物理特性能 有着其它材料不可比拟的应用优势，如无阻载流能力、完全抗磁性以及量子相干效应等等。 基于超导体各种特性研发的高精度超导仪器设备在能源、信息、环境探测、轨道交通、医疗 诊断和科学仪器等方面有着重要的应用。超导磁悬浮转子漂移测试的基本目的是要确定超导 磁悬浮转子在系统中使用的精度指标和可靠性。通过对漂移测试数据的处理，不仅可以测定 超导磁悬浮转子漂移角速度，还可以分离出漂移误差模型中的各项系数。通过测试以便发现 问题，并探索提高系统精度的改进途径，另外通过测试可以定量找出各种误差的数值，修正 转子漂移数学模型，研究适当的补偿方法，消除有规律的误差，从而进一步提高所述的转子 所在系统的精度。转子的漂移测试还可以检验装置装配工艺过程，验证设计参数，发现问题 的原因、确定解决问题的新方法和技术，综合评估转子系统的技术性能和精度指标。科学技 术的迅速发展，新产品的不断涌现，精度指标也在不断提高，因此对于转子漂移测试的方法 和精度也提出了更高的要求。漂移测试是一项非常精密、非常复杂的工作，对于不断出现的 新型产品，需要研究开发匹配相应的测试装置。

发明内容

为了克服现有装置测量精度低，测试时装置需要多次进行方位调整等缺点，本发明提出 了一种超导磁悬浮转子漂移测试装置及测试方法。本发明装置具有测量方法简便、测量精度 高等特点。

本发明测试装置包括基座、旋转平台、倾斜轴、外旋转轴、内旋转轴、内旋转轴夹具、 低温容器、制冷机、防辐射屏、液氦容器、氦气管、转子腔、超导磁悬浮转子、悬浮线圈、 光电传感器。

所述的旋转平台安放在基座上，旋转平台以地垂线为旋转轴360度旋转。旋转平台上安 放有倾斜轴，倾斜轴上装有外旋转轴，外旋转轴与x坐标轴平行。外旋转轴的中间位置安装 有内旋转轴，内旋转轴与z坐标轴平行，在内旋转轴支架上固定连接测试夹具，低温容器固 定在测试夹具上，低温容器可围绕内旋转轴360度旋转。外旋转轴和内旋转轴均可360度旋 转。倾斜轴带有锁紧装置。

所述的制冷机安装在低温容器的上端，低温容器内部通过拉杆固定卷筒形状的防辐射 屏，在防辐射屏筒内布置液氦容器，液氦容器通过螺钉固定在制冷机的二级冷头下端。在液 氦容器内部通过拉杆固定转子腔。转子腔外部为圆柱状，内部为球形腔。超导磁悬浮转子位 于转子腔内，超导磁悬浮转子为外表面闭合的空心球体，其顶端加工成平面用于测量超导磁 悬浮转子旋转轴偏移信息。转子腔的上下端面分别布置有悬浮线圈，通过所述的悬浮线圈使 超导转子悬浮。转子腔内赤道附近装有氦气管，氦气管的管口布置在转子腔内壁沿超导磁悬 浮转子赤道切线方向上，通过氦气管将一定压力的氦气输入至转子腔内，氦气摩擦超导磁悬 浮转子赤道表面使超导磁悬浮转子不断加速旋转，达到工作转速后，再通过氦气管将转子腔 内的氦气抽出，使转子腔内形成真空。所述的光电传感器安装在超导磁悬浮转子顶部上方。 所述的光电传感器检测超导磁悬浮转子旋转轴偏移信息，并将超导磁悬浮转子旋转轴偏移信 息信号反馈给内旋转轴和外旋转轴的伺服控制系统，通过伺服控制系统调节内旋转轴和外旋 转轴偏转，使超导磁悬浮转子旋转轴偏移信号的变化率始终保持为零，即使超导磁悬浮转子 旋转轴与当地水平面垂直，并通过测角电路测量内旋转轴和外旋转轴偏转的角度。

本发明测试装置以超导磁悬浮转子球心为坐标原点建立坐标系，通过旋转平台、倾斜轴、 内旋转轴和外旋转轴的调节转动，使超导磁悬浮转子的x坐标轴沿水平面指向北方向，y坐 标轴沿地垂线指向天，使z坐标轴沿水平面指向东方向。为测试装置所在的当地地理纬度， ω_e为地球自转角速度，则地球自转角速度在x坐标轴上的分量为地球自转角速度 在y坐标轴上的分量为

采用本发明装置测试超导磁悬浮转子漂移角速度的方法是通过测量内旋转轴和外旋转 轴的转角，计算内旋转轴和外旋转轴的旋转角速度，再根据漂移测试数学模型公式计算出超 导磁悬浮转子漂移角速度，具体步骤如下：

1、通过旋转平台、倾斜轴、内旋转轴和外旋转轴的转动，使超导磁悬浮转子的x坐标 轴沿水平面指向北方向，y坐标轴沿地垂线指向天，使z坐标轴沿水平面指向东方向。

2、建立超导磁悬浮转子漂移测试数学模型为

式中：ω_e为地球自转角速度，为测试装置所在的当地地理纬度，为内旋转轴相对基 座矢量在x坐标轴上转动角速度，为外旋转轴相对基座矢量在y坐标轴上转动角速度。

3、光电传感器输出的超导磁悬浮转子旋转轴偏移信号反馈至内旋转轴和外旋转轴的伺 服控制系统，控制内旋转轴和外旋转轴相对基座旋转相应的角度，保持光电传感器的输出信 号的变化率为零。通过测角放置在内旋转轴和外旋转轴上的测角传感器采集测量内旋转轴旋 转转角α(t)和外旋转轴旋转转角β(t)，对其进行微分运算得到角速度参量和再根据 漂移测试数学模型公式，计算出转子漂移角速度ω_d。

本发明测试装置不是直接测量超导磁悬浮转子的漂移角速度，而是测量各旋转轴的转 角，即测量各旋转轴旋转角速度对时间的积分，一般时间的精度可以达到10^-5秒量级，延长 测量时间，可使测得漂移角速度结果越精确。

附图说明

图1超导磁悬浮转子漂移旋角速度测量装置示意图，图中：1基座、2旋转平台、3倾斜 轴、4外旋转轴、5低温容器、6制冷机、14内旋转轴、15内旋转轴夹具；

图2低温容器内部结构示意图。7防辐射屏、8液氦容器、9转子腔、10超导磁悬浮转 子、11氦气管、12光电传感器、13悬浮线圈。

具体实施方式

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，本发明测量装置包括基座1、旋转平台2、倾斜轴3、外旋转轴4、内旋转 轴14、内旋转轴夹具15、低温容器5、制冷机6、防辐射屏7、液氦容器8、转子腔9、超导 磁悬浮转子10、氦气管11、光电传感器12、悬浮线圈13。旋转平台2安放在基座1上，旋 转平台2以地垂线为旋转轴360度旋转。旋转平台2上安放有倾斜轴3，倾斜轴3带有锁紧 装置。倾斜轴3上装有外旋转轴4，外旋转轴4与x坐标轴平行，外旋转轴4的中间位置安 装有内旋转轴14，内旋转轴14与z坐标轴平行，在内旋转轴14上固定内旋转轴夹具15， 低温容器5固定在内旋转轴夹具15上，低温容器5可围绕内旋转轴14旋转。外旋转轴4和 内旋转轴14均可360度旋转。制冷机6安装在低温容器5的上端，通过制冷机6制冷保持 低温容器5内部产生所需的低温环境。

如图2所示，制冷机6安装在低温容器5的上端，低温容器5内部通过拉杆固定卷筒形 状的防辐射屏7，在防辐射屏7筒内布置液氦容器8，液氦容器8通过螺钉固定在制冷机6 的二级冷头下端。在液氦容器8内部通过拉杆固定转子腔9。转子腔9外部为圆柱状，内部 为球形腔，超导磁悬浮转子10位于转子腔9内，超导磁悬浮转子10为外表面闭合的空心球 体，顶端加工成平面用于测量超导磁悬浮转子10旋转轴偏移信息。转子腔9的上下端面分 别布置有悬浮线圈13，通过所述的悬浮线圈13使超导磁悬浮转子10悬浮。转子腔9内赤道 附近装有氦气管11，氦气管11的下端管口布置在转子腔9内壁沿超导磁悬浮转子10赤道切 线方向上，氦气管11的上端管口布置在低温容器5上端面，一定压力的氦气通过氦气管11 的上端管口输入至转子腔9内，氦气从氦气管11的下端管口喷出，摩擦超导磁悬浮转子10 赤道表面，使超导磁悬浮转子10不断加速旋转，达到工作转速后，再通过氦气管11将转子 腔9内的氦气抽出，使转子腔9形成真空。光电传感器12安装在超导磁悬浮转子10顶部上 方，光电传感器12的光轴与地垂线重合，即与y坐标轴平行。光电传感器12检测超导磁悬 浮转子10旋转轴偏移信息，并将检测超导磁悬浮转子10旋转轴偏移信息信号反馈给内旋转 轴14和外旋转轴4的伺服控制系统，通过伺服控制系统调节内旋转轴14和外旋转轴4偏转， 使超导磁悬浮转子10旋转轴偏移信号始终保持为零，即保持光电传感器12的输出信号的变 化率为零，使超导磁悬浮转子10旋转轴与当地水平面垂直，并通过放置在内旋转轴14和外 旋转轴4上的测角传感器测量内旋转轴14和外旋转轴4转动的角度。

本发明测量超导磁悬浮转子漂移角速度的测试方法是：

1、通过旋转平台2、倾斜轴3、内旋转轴14和外旋转轴4的转动，使超导磁悬浮转子 10的x坐标轴沿水平面指向北方向，y坐标轴沿地垂线指向天，使z坐标轴沿水平面指向东 方向。

2、建立超导磁悬浮转子10漂移测试数学模型为

式中：ω_e为地球自转角速度，为测试装置所在的当地地理纬度，为内旋转轴14相 对基座矢量在x坐标轴上转动角速度，为外旋转轴4相对基座矢量在y坐标轴上转动角速 度。

3、将光电传感器12输出的超导磁悬浮转子10旋转轴偏移信号反馈给内旋转轴14和外 旋转轴4的伺服控制系统，控制内旋转轴14和外旋转轴4相对基座旋转相应的角度，保持 光电传感器12的输出信号的变化率为零，通过内旋转轴14和外旋转轴4上的测角传感器采 集测量内旋转轴14和外旋转轴4旋转转角α(t)和β(t)，对其进行微分运算得到角速度参 量和再根据超导磁悬浮转子10漂移测试数学模型公式计算出超导磁悬浮转子10漂移 角速度ω_d。