磁悬浮力的测量

手动转轮控制
由绕线机 改装而成
Data Acquisition System


Keithley Instruments 2700 Introduction: Measurement Voltage: from 0.1uV to 1000V Resolution Limiting: 0.1uV IEEE-488 GPIB PCI-488 Computer Labview System
磁通动力学模型

但随后的研究却发现, Anderson-Kim 模型并不 能完全解释高温超导体的磁弛豫现象, 特别是对 数弛豫只是在某些情况下的近似，同时弛豫率与 温度的依赖关系与Anderson-Kim模型也有明显 的不同。这些结果导致了一些新的唯象的模型的 发展。
磁通动力学模型

不同的模型有着不同的U(J)方程，Maley曾提出 一种建立在磁通蠕动测量基础上从而确定U(J)方 程的方法，得到了和Zeldov相同的对数结果，通 过研究磁悬浮力的数据，我们试图验证磁通模型。
永磁体准静态接近

F-z
30mm~ 20mm
SCM Zero Field-cooling

F-t 未修正 30mm PM T=60s Z from 5cm~15cm Total time 2 minutes
SCM Zero Field-cooling
SCM Zero Field-cooling
实验总结 我们本期所做的工作主要有：



阅读文献，理论学习了主要包括磁通动力学相关 知识。 独立搭建了一套测量磁悬浮力的实验装置。 学习了电机控制，Labview数据采集系统，机械 加工等实际知识。 从实验上实现了动态测量磁悬浮力得到了定性和 定量的结果。
实验总结 下面要做的工作：

装置台

与压力传感器固连在 一起的底座 盛放液氮的外部容器 固定YBCO样品块的 样品座 有机玻璃管
装置台
传动装置
如右图所示， 当圆盘以一定 的角速度匀速 转动时，若满 足条件L>>r,则 物块以相同的 圆频率在竖直 方向上作正弦 运动
驱动装置

驱动方法有两种 步进电机驱动 手动，由多级齿轮传动
实际装置图
Source Meter

Keithley Instruments 2400 Introduction: Source Voltage: from 5uV to 210V Resolution Limiting: 5uV Maximum Source Power: 22W
压力传感器
BK-2S型测力/称重传 感器 工作原理：根据电阻应 变原理把力矩产生的 应变转换成与其线性 关系的电信号。
数字磁强计
规格： LX-H-2型数字磁强计 使用2T挡 零点校准： 2894

YBCO样品


圆柱体 底面直径： 30.68mm 高： 19.86mm
永久磁体



永久磁体的材料为钕铁硼 NdFeB 中科院三环公司生产 圆柱体,表面磁感强度0.5T 底面直径： 30.00mm 高： 15，20，25，30mm
SCM Zero Field-cooling
SCM Zero Field-cooling

F-t 修正后
SCM Zero Field-cooling

F-z 修正后
SCM Field-cooling

F-t 未修正 30mm PM T=60s Z from 7cm~17cm Total time 4 minutes 充磁磁场磁感应强度 B=0.1868T

为了修正液氮挥发 测量了无其他作用时的F-t
SCM Zero Field-cooling
SCM Zero Field-cooling
Linear Regression for Data: Y=A+B*X
Parameter Value Error -----------------------------------------------------------A -0.46735 3.89058E-4 B -7.18687E-4 5.60856E-6 -----------------------------------------------------------R SD N P ------------------------------------------------------------0.98227 0.00476 600 <0.0001 ------------------------------------------------------------
SCM Field-cooling
SCM Field-cooling

F-t 修正后
SCM Field-cooling

F-z 修正后
SCM Field-cooling

F-t 未修正 30mm PM T=60s Z from 5cm~15cm Total time 200 seconds
SCM Field-cooling
SCM Field-cooling

F-t 修正后
SCM Field-cooling
F-z 修正后

结果分析

永磁体之间的作用力F 仅是距离z的函数，大小可用椭 圆积分表示，我们的数据可拟合为
F A1 e
z / z1
A2e
z / z2
结果分析
虚拟仪器概述
被 测 对 象
信 号 调 理
数 据 采 集 卡
数 据 处 理
虚拟仪器面板
Labview 简介

Labview（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形 化的编程语言，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。利用 它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使 用过程都生动有趣。
磁通动力学模型

YBCO属于非理想的第二类超导体，它的磁化曲 线是不可逆的，混合态的磁通格子分布是非均匀 的，这种非均匀磁通格子受到来自晶体缺陷的 “钉扎”作用。最早的，Anderson和Kim提出 了一个模型，以及磁通蠕动的概念。模型首先引 进了单位体积内元钉扎力, 钉扎力密度起作用的 部分构成有效钉扎势 Up 。
实验原理
磁悬浮力的产生 超导电流在磁场下受 Lorentz力

由Zeldov模型理论计算

不同充磁强度下的磁 悬浮力 正弦运动
J c0 U ( J ) U 0 ln( ) J
测量流程图
实验装置

Source Meter 压力传感器 数字磁强计 YBCO样品块 永久磁体 装置台 传动装置 驱动装置 Data Acquisition System

超导样品与永磁体之间的悬浮力作用F并不仅 是距离z的函数，它还与运动形式有关，这源于 第二类超导体内的磁通运动，因而F-z的曲线不 是单值的。
结果分析

鉴于我们实验中的充 磁强度不够（永磁体 充磁），F-z并没有 很好的看出类似滞回 的样子，待到有更大 的剩余磁场时，结果 应更好。
结果分析

ZFC 与FC在磁悬浮力的测量中的区别在于FC 具有剩余磁场，因而有较大的Lorentz力，体现 在实验中FC的磁悬浮平衡位置较高，定性的， 在相同条件下（同永磁体，同高度），FC的磁 悬浮力大，这与理论计算吻合。
实验步骤



SourceMeter输出恒压12V，建立压力传感器数 据连接。 运行Labview程序，获得液氮挥发曲线作为数据 修正使用。 正式测量，获取3~4个周期的数据。 处理数据（Orgin6.1）
实验数据

永磁体之间的作用 超导体与永磁体之间的作用

永磁体准静态接近

F-z
15mm~ 20mm


Labview是图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言 编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。 所有的Labview应用程序，即虚拟仪器（VI），都包括前面板 （front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器 (icon/connector)三部分。
电机控制
步进电机原理 将电的脉冲信号转换成 相应的角位移的机电 元件 按照顺序向各相发脉冲 驱动

电机控制装置

由步进电机，驱动电源，并行控制卡， 驱动程序组成
电机控制装置
wenku.baidu.com
8255控制电路
电机控制装置

8255驱动电源
驱动程序

基于8255 A口方式1控制输出 地址：1B0H~1B3H C口确定LS245方向
实验步骤


放置好实验装置，预设磁体作用的距离和正弦运 动的振幅和频率。 在装置盒中引入液氮，使其液面在样品面上方 （对于零场直接超导；场冷需要把充磁的样品及 其盛放的盒子一同倒入，可预先少放液氮在装置 盒内）。
实验步骤

超导充磁 1. 零场冷却，使样品在无磁场的环境下达到转变 温度以下，此时样品内部无磁通。 2. 场冷，使样品在有磁场的环境下达到转变温度 以下，此时样品内部有俘获场。

传统使用电磁线圈 高温超导体的优越性

1.电流大，磁力强 2.磁体能耗小 3.磁场衰减慢
超导磁体 （Superconducting magnet）

某些超导转变温度在液氮温度（77K）以上的超导材料， 当它们在磁场中冷却到超导转变温度以下时，磁场的撤 去会使超导材料俘获（Trap）稳定的较强的磁场，从而 成为超导磁体。这样得到的超导磁体具有磁场强，场强 稳定的特点，获得了广泛的应用。超导磁悬浮列车的悬 浮力正是超导永久磁体和普通永久磁体（Permanent magnet）之间的作用力提供的。我们实验中将普遍采用 YBCO .
SCM Zero Field-cooling

F-t 修正后
SCM Zero Field-cooling

F-z 修正后
SCM Zero Field-cooling

F-t 未修正 15mm PM T=60s Z from 3cm~13cm Total time 5 minutes
实现电机精确控制位移测量。 改进充磁手段，利用脉冲电磁线圈得到更大的剩 余磁场。 继续分析数据，与理论模型作进一步研究。 设法从理论和实验两方面来研究自由磁悬浮的性 质。
致谢！！！



刘进老师以及普物实验室各个方面予以的实验设 计、器材使用上的巨大支持。 高政祥导师从理论模型到实验设计和操作上给予 的全力帮助。 物理学院金工车间
综合物理实验报告
磁悬浮力的测量
报告人：刘亮 侯阳 指导老师：刘进 高政祥
2002 年 12 月 22 日
报告内容简介

实验选题 实验原理 实验装置 实验步骤 实验数据 结果分析 致谢
实验选题

背景介绍：
磁悬浮列车的兴起
磁悬浮列车原理

悬浮力来源

转向力来源

推进力来源
高温超导体在磁悬浮列车上应用

压力传感器

主要技术指标:
压力传感器的载荷与指示仪器示值
载荷 kg
压力 0 5 10 15 20 25 30
指示仪器示值 uV
进程平均 0 3998 7993 11991 15988 19985 23977 同程平均 0 4001 7998 11995 15992 19988 23978 理论值 0 3996 7992 11988 15985 19981 23977