董 昊，黃毅文，陳潤澤，黃迪山

(上海大學 機電工程與自動化學院,上海 寶山區(qū) 200072)

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1 高溫超導體的磁化特性及懸浮原理

一些材料在溫度降到一定值時，電阻會消失，這一現(xiàn)象被稱為超導現(xiàn)象，對應的溫度稱為臨界溫度，根據(jù)臨界溫度的高低，超導體可分為低溫超導體和高溫超導體[1]。高溫超導體屬于第二類超導體，將一些銅的氧化物經(jīng)過處理，使晶格內產(chǎn)生缺陷，使其工作在混合態(tài)下，如圖1所示，形成磁通渦旋[2]，如圖2所示，產(chǎn)生釘扎效應，束縛了磁通線的流動，產(chǎn)生釘扎力，制止了相應的使磁感線改變的運動趨勢。這種現(xiàn)象使永磁體懸浮于超導塊上方，并且可實現(xiàn)6個自由度的自穩(wěn)定懸浮[3]。由于高溫超導體的臨界溫度高于液氮溫度(77K，-196℃)，使超導材料突破了“液氮壁壘”得以廣泛應用，目前以釔鋇銅氧應用最廣，主要領域為超導磁懸浮軸承和超導磁懸浮列車[4]。

圖1 第二類超導體磁化特性

2 試驗裝置與原理

2.1 振動激勵系統(tǒng)

振動激勵源由超導塊、漆包線圈、1.5kg永磁體組成。超導塊呈正六邊形，它屬于YBCO系的第二代高溫超導塊材，固定于鋁質盤內，超導塊置于液氮中。銅制漆包線圈用低溫膠水粘于超導塊中間。超導盤底安裝在液氮容器中，如圖3所示。

在液氮注入容器以前，在超導塊與永磁體之間用非鐵質板隔離，隔板的厚度即為振動初始平衡位置所在。當液氮注入完畢，超導塊中形成釘扎力。移去隔板，釘扎力平衡永磁體重力，永磁體懸浮在超導塊上方。這時永磁體無論受那個方向的外界擾動，在釘扎力作用下，都能自動回復到平衡位置，形成磁彈簧[5]。

當激勵信號通入線圈中時，在超導塊中間產(chǎn)生附加磁場，改變永磁體至超導塊的距離，從而永磁體產(chǎn)生振動。永磁體產(chǎn)生振動歷程與驅動電壓波形相對應，電壓波形由振動控制系統(tǒng)提供。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括ECON振動控制器、加速度傳感器、PC控制端和功率放大器。

振動控制器采用分布式結構體系，32位DSP處理器和24位ADC，控制器硬件和軟件保證閉環(huán)控制的精度與穩(wěn)定性。

PC端控制振動控制器發(fā)出一個掃頻或隨機電壓信號，它經(jīng)功率放大器傳至線圈，在固定的超導盤與懸浮在上方的永磁體之間產(chǎn)生一個連續(xù)變化的磁場，使得永磁體產(chǎn)生振動。控制信號可以是正弦或隨機變化的。加速度傳感器固定于永磁體上方，檢測出的實時振動信號反饋至振動控制器，實現(xiàn)振動波形閉環(huán)控制。

圖3 基于超導懸浮特性的非接觸振動試驗系統(tǒng)原理圖

3 懸浮磁剛度

永磁體懸浮在平衡位置上，在外力作用下產(chǎn)生位移。磁剛度指作用在永磁體的外力與靜位移之比。試驗系統(tǒng)的懸浮剛度與很多因素有關，如冷卻溫度、超導塊排列方式、外部磁場強度等都會使磁剛度改變，其中永磁體的表面場強影響很大，永磁體表面磁場強度越大，其懸浮力越大，剛度越大[6]。

如圖4所示，對懸浮系統(tǒng)做懸浮磁剛度試驗，向永磁體上方加砝碼以添加外力，通過激光位移傳感器測量永磁體懸浮高度的變化來計算磁剛度。

圖4 懸浮系統(tǒng)磁剛度試驗原理圖

試驗系統(tǒng)磁剛度曲線擬合結果如圖5所示?？梢姡?5N的范圍內，系統(tǒng)磁剛度近似于線性變化關系，但有明顯的磁滯現(xiàn)象[7]，本試驗永磁體表面磁場強度約為8000GS。

圖5 系統(tǒng)磁剛度曲線

4 振動試驗結果

采用正弦掃頻和隨機振動方法考核研制的非接觸式超導激振臺，觀察其振動特性。

4.1 正弦掃頻試驗

正弦振動試驗是試驗室中經(jīng)常采用的試驗方法，例如凡是旋轉、脈動、振蕩(在船舶、飛機、車輛、空間飛行器上所出現(xiàn)的)所產(chǎn)生的振動均是正弦振動。要模擬這些振動環(huán)境，無疑須用正弦振動試驗。而正弦掃頻試驗是正弦振動試驗里很重要的一種，它是結構模態(tài)參數(shù)識別的重要手段[8]。振動特性試驗中，用正弦信號激振是常用的最基本方法，用正弦掃頻試驗來模擬某些結構和產(chǎn)品的真實使用環(huán)境，更能充分地體現(xiàn)結構和產(chǎn)品的設計缺陷。正弦掃頻試驗廣泛應用于設備可靠性試驗等方面[9]。

本試驗系統(tǒng)采用上海大學物理系自制的YBCO高溫超導塊材；振動控制器采用杭州億恒科技有限公司SUPER VT-9008系列振動控制器，振動傳感器采用聯(lián)能電子技術有限公司的壓電式加速度傳感器(CA-YD-186型)，靈敏度97.7mV/g。設置如下參數(shù)。

開始頻率：5Hz；

截止頻率：2000Hz；

掃頻方式：對數(shù)；

中斷上下限：±6dB；

報警上下限：±3dB。

掃頻目標譜斜率設置如表1所示。

表1 正弦掃頻試驗目標譜斜率設置

圖6 正弦掃頻試驗結果

雖然磁剛度曲線有一些非線性，但閉環(huán)振動控制系統(tǒng)的控制算法的魯棒性完全能克服剛性磁滯現(xiàn)象。正如圖6所示的試驗結果，振動曲線總體上控制在±3dB以內，完全符合工程激振要求，懸浮系統(tǒng)在7Hz以下略有波動，系統(tǒng)高頻控制效果很好。

4.2 隨機振動試驗

真實的環(huán)境中許多振動都是隨機的，如飛機或者火箭的發(fā)動機引起的振動，行駛在不平路面上的汽車受到的振動，飛行器在附面層紊流氣動力的作用下引起的振動等[10]。與正弦掃描相比，隨機振動試驗的頻率域寬，而且有一個連續(xù)的頻譜[11-12]，它能同時在所對頻率上對產(chǎn)品進行激勵。在試驗中，硬件系統(tǒng)與正弦掃頻試驗相同。設置頻率范圍5～2000Hz，其目標譜左右側斜率設置如表2所示。

表2 隨機振動試驗目標譜斜率設置

圖7 隨機振動試驗結果

結果如圖7所示，超導振動臺的隨機振動試驗整體控制效果良好，振動曲線總體上控制在±3dB以內，符合工程上對于隨機振動試驗的要求。

5 結束語

基于第二類高溫超導體的懸浮原理制作的超導振動臺開創(chuàng)了超導技術在振動試驗領域的新應用，對于非接觸激振的開發(fā)具有很大意義，在實際應用中，可以根據(jù)試驗的具體需求來調整振動臺幾何結構以及超導塊的數(shù)量。從試驗結果看，其正弦掃頻試驗和隨機振動試驗都達到了工程振動試驗的要求。

超導振動臺由于其特殊的懸浮原理，磁剛度有一定的非線性，但目前的實時閉環(huán)控制技術完全克服剛性磁滯現(xiàn)象，因此它有潛力拓展為多自由度振動臺以及擺動振動臺，有很好的應用前景。