專利名稱：三維磁力測量卡具的制作方法
技術領域：
本發明屬于磁力測量裝置技術領域，具體涉及磁體或超導體受力時，其在三個方向所受分力同時準確測量的卡具。
背景技術：
磁懸浮技術一直是人們最關注的高新技術之一。目前有四種類型的磁懸浮，一是以德國為代表的常導電式磁懸浮，二是以日本為代表的超導電動磁懸浮，三是我們國家開發的永磁磁懸浮，四是基于REBCO塊材的高溫超導磁懸浮。前兩種磁懸浮都需要通過電力來提供磁懸浮動力，而后兩種則是用超導材料和永磁材料、或永磁材料與永磁材料之間的相互作用力來實現磁懸浮，不需要任何其它動力支持。雖然這幾種實現磁懸浮的技術原理和方法不同，但是在磁懸浮系統的設計和應用過程中，其磁懸浮力大小和磁懸浮系統的穩定性是設計時必須考慮的重要參數。因此，對系統磁懸浮力特性的精確測量具有非常重要的意義。在磁懸浮力測試方面，各研究單位基本上用的都是一維的磁力測試裝置，如美國 Cornell大學、休斯頓大學、Cincinnati大學、日本的國際超導研究中心，中國的北京有色金屬研究總院、西北有色金屬研究院、西南交通大學、蘭州大學等，其中只有較少的單位具有測量二維或三維磁力的條件，如西南交通大學和陜西師范大學，而且各單位的磁懸浮力測試裝置基本上都是自己制作的。專利號為200310115111. 9、發明名稱為《塊狀高溫超導體磁懸浮力測量裝置及測試方法》的發明專利，專利號為011M792. 4、發明名稱為《便攜式壓力測量裝置》的發明專利，專利號為200720025946. 9、發明名稱為《磁力測量演示裝置》的實用新型專利，專利號為200710005759、發明名稱為《壓力測量變換器》的發明專利，專利號為200780022403. 4、發明名稱為《橫向力測量裝置》的發明專利等專利技術中，都只能測量一個方向力的大小。專利號為99117455. 0、發明名稱為《高溫超導磁懸浮測試方法》的發明專利，專利號為2006100216M.8、發明名稱為《高溫超導磁懸浮性能測試裝置及使用該裝置的測試方法》的發明專利，只能測量二個方向力的大小。在三維磁力測試方面，目前，功能比較齊全的裝置是陜西師范大學發明的專利號為200410073501. 9、發明的發明名稱為《三維空間磁場與磁力測試裝置》發明專利，雖然該裝置能夠很好的測量出磁體或超導體在三個方向的受力，但由于其在磁力測量時，采用了一個拉壓力傳感器對Z軸力的測量，4個壓力傳感器分別對X和Y方向力的測量，共用了 5個力傳感器來實現對三維磁力的測量。在該裝置中，力的測量部分結構較復雜、電路復雜，特別是對一個水平方向力的測量采用了兩個壓力傳感器，使得對該方向實際受力的分析難度加大，工作效率不高。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于克服上述磁力測試裝置的缺點，提供一種結構簡單、操作方便、測量準確、工作效率高的三維磁力測量卡具。解決上述技術問題所采用的技術方案是在安裝架上表面設置有豎向拉壓力傳感器、側向內表面設置有橫向拉壓力傳感器、縱向拉壓力傳感器，安裝架的下表面設置有磁體固定板，豎向拉壓力傳感器的測力桿與安裝架和磁體固定板相聯，磁體固定板的下方設置有與安裝架和磁體固定板保持有距離的非磁性環，非磁性環內設置有永久磁體，永久磁體與磁體固定板之間設置有直徑相同的鋼珠，橫向拉壓力傳感器的測力桿穿過并固定在非磁性環上、其在非磁性環內的端部設置有橫向調節螺母，橫向調節螺母與永久磁體剛性搭接， 縱向拉壓力傳感器的測力桿穿過并固定在非磁性環上、其在非磁性環內的端部設置有縱向調節螺母，縱向調節螺母與永久磁體剛性搭接，安裝架上橫向拉壓力傳感器的測力桿中心線延長方向上加工有孔徑大于橫向非磁性調節螺桿外徑的橫向通孔，橫向非磁性調節螺桿穿過橫向通孔、穿過并固定在非磁性環上、其在非磁性環內的端部與永久磁體剛性搭接，安裝架上縱向拉壓力傳感器的測力桿中心線延長方向上加工有孔徑大于縱向非磁性調節螺桿外徑的縱向通孔，縱向非磁性調節螺桿穿過縱向通孔、穿過并固定在非磁性環上、其在非磁性環內的端部與永久磁體剛性搭接。本發明的豎向拉壓力傳感器的測力桿的中心線與永久磁體的中心線相重合，橫向拉壓力傳感器的測力桿的中心線與橫向非磁性調節螺桿的中心線相重合，縱向拉壓力傳感器的測力桿的中心線與縱向非磁性調節螺桿的中心線相重合，橫向拉壓力傳感器的測力桿的中心線與縱向拉壓力傳感器的測桿中心線在同一平面內相互垂直。本發明的非磁性環為銅環或鋁環或樹脂環，在非磁性環二分之一高度的側壁上均布加工有孔心線在同一平面內的4個螺孔或通孔。本發明的安裝架為L形，豎向拉壓力傳感器和縱向拉壓力傳感器設置在安裝架的長臂上，橫向拉壓力傳感器設置在安裝架的短臂上。本發明的豎向拉壓力傳感器、橫向拉壓力傳感器、縱向拉壓力傳感器的型號為 TJL-I。本發明的磁體固定板為磁性板。本發明采用了型號為TJL-I的豎向力傳感器、橫向力傳感器、縱向力傳感器，可接收拉力信號和壓力信號，這種型號的力傳感器，測量三維力，只用了三個力傳感器，減小了測試儀器的體積，降低了測試儀器的成本；本發明采用橫向非磁性調節螺桿、縱向非磁性調節螺桿與安裝架非接觸式，永久磁體的中心線與外圍的非導磁環的中心線相重合，將本發明安裝在三維空間磁場與磁力測試裝置上永久磁體受力時，三維空間磁場與磁力測試裝置能準確地測量出永久磁體在X、Y、Z方向的受力，大大提高了三維空間磁場與磁力測試裝置的測量精度。
圖1是本發明一個實施例的主視2是圖1的左視3是圖1的俯視4是圖3的A-A剖視5是圖3的B-B面的剖視6是軸對稱情況下超導體與永久磁體3沿豎向相對運動時橫向受力與豎向距離的變化曲線。
圖7是軸對稱情況下超導體與永久磁體3沿豎向相對運動時縱向受力與豎向距離的變化曲線。圖8是軸對稱情況下超導體與永久磁體3沿豎向相對運動時豎向受力與豎向距離的變化曲線。圖9是軸非對稱情況下超導體與永久磁體3沿豎向相對運動時橫向受力與豎向距離的變化曲線。圖10是軸非對稱情況下超導體與永久磁體3沿豎向相對運動時縱向受力與豎向距離的變化曲線。圖11是軸非對稱情況下超導體與永久磁體3沿豎向相對運動時豎向受力與豎向距離的變化曲線。圖12是在軸對稱、永久磁體3與超導體豎向間距3mm不變的情況下，當永久磁體 3相對于與超導體沿橫向運動時，磁體的橫向受力與橫向位移的變化曲線。圖13是在軸對稱、永久磁體3與超導體豎向間距3mm不變的情況下，當永久磁體 3相對于與超導體沿橫向運動時，磁體的縱向受力與橫向位移的變化曲線。圖14是在軸對稱、永久磁體3與超導體豎向間距3mm不變的情況下，當永久磁體 3相對于與超導體沿橫向運動時，磁體的豎向受力與橫向位移的變化曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明不限于這些實施例。實施例1在圖1 5中，本實施例的三維磁力測量卡具由安裝架1、豎向拉壓力傳感器2、永久磁體3、縱向非磁性調節螺桿4、橫向非磁性調節螺桿5、橫向拉壓力傳感器6、非磁性環7、 橫向調節螺母8、磁體固定板9、鋼珠10、縱向調節螺母11、縱向拉壓力傳感器12聯接構成。本實施例的安裝架1為L形，在安裝架1的長臂后側上表面用非磁性螺紋緊固聯接件固定聯接有豎向拉壓力傳感器2，豎向拉壓力傳感器2的型號為T幾-1，豎向拉壓力傳感器2用于接收豎向拉力和壓力信號，將垂直方向的力信號轉換成電信號輸出。安裝架1的長臂前側安裝架1上用非磁性螺紋緊固聯接件固定聯接有固定聯接有縱向拉壓力傳感器 12，縱向拉壓力傳感器12的型號為TJL-1，縱向拉壓力傳感器12將縱向的力信號轉換成電信號輸出。安裝架1的短臂前側安裝架1上用非磁性螺紋緊固聯接件固定聯接有橫向拉壓力傳感器6，橫向拉壓力傳感器6的型號為T幾-1，橫向拉壓力傳感器6將橫向的力信號轉換成電信號輸出。豎向拉壓力傳感器2、橫向拉壓力傳感器6、縱向拉壓力傳感器12位市場上銷售的商品，由蛘埠天光傳感器有限公司生產，這種力傳感器，可接收拉力信號和壓力信號，本發明采用了這種型號的力傳感器測量磁體受力，只用了三個力傳感器，減小了測試儀器的體積，避免了對測量數據處理的復雜過程(相對于專利號為200410073501. 9產品中的卡具)，提高了測量效率，降低了測試儀器的成本，實現了對受力磁體三維磁力的同時測量。 安裝架1的下表面用非磁性螺紋緊固聯接件固定聯接有磁體固定板9，本實施例的磁體固定板9為鐵板，也可采用鋼板，豎向拉壓力傳感器2的豎向測力桿通過螺紋與安裝架1和其下表面的磁體固定板9相聯。磁體固定板9的下方吸附有在永久磁體3，本實施例的永久磁體3為圓柱形，豎向拉壓力傳感器2的測力桿的中心線與永久磁體3的中心線相重合。在永久磁體3的上表面與磁體固定板9之間安裝有9個直徑相同的鋼珠10，鋼珠10用于減小永久磁體3與磁體固定板9之間的摩擦力。永久磁體3的外圍套裝有非磁性環7，非磁性環7與安裝架1、磁體固定板9和永久磁體3之間保持有距離，本實施例的非磁性環7為銅環，在非磁性環7 二分之一高度的側壁上均布加工有孔心線在同一平面內相互垂直的4個螺孔，也可加工成孔心線相垂直的4個通孔，橫向拉壓力傳感器6的測力桿穿過并與非磁性環7通過螺紋聯接，橫向拉壓力傳感器6的測力桿在非磁性環7內的端部通過螺紋聯接安裝有橫向調節螺母8，橫向調節螺母8與永久磁體3剛性搭接；縱向拉壓力傳感器12的測力桿穿過并與非磁性環7通過螺紋聯接，縱向拉壓力傳感器12的測力桿在非磁性環7內的端部通過螺紋聯接安裝有縱向調節螺母11，縱向調節螺母11與永久磁體3剛性搭接。在安裝架1上橫向拉壓力傳感器6的測力桿中心線延長方向上加工有孔徑大于橫向非磁性調節螺桿5外徑的橫向通孔，橫向非磁性調節螺桿5穿過橫向通孔、穿過并與非磁性環7通過螺紋聯接，橫向非磁性調節螺桿5與橫向通孔保持有距離，提高了測量磁體受力的精確度，橫向非磁性調節螺桿5在非磁性環7內的端部與永久磁體3剛性搭接，橫向拉壓力傳感器6的測力桿的中心線與橫向非磁性調節螺桿5的中心線相重合；在安裝架1上縱向拉壓力傳感器12的測力桿中心線延長方向上加工有孔徑大于縱向非磁性調節螺桿4外徑的縱向通孔， 縱向非磁性調節螺桿4穿過縱向通孔、穿過并與非磁性環7通過螺紋聯接，縱向非磁性調節螺桿4與縱向通孔保持有距離，縱向非磁性調節螺桿4在非磁性環7內的端部與永久磁體 3剛性搭接，縱向拉壓力傳感器12的測力桿的中心線與縱向非磁性調節螺桿4的中心線相重合，橫向拉壓力傳感器6的測力桿中心線與縱向拉壓力傳感器12的測桿中心線在同一平面內相互垂直。更換不同直徑的永久磁體時，可調節非磁性環7上的橫向非磁性調節螺桿5和縱向非磁性調節螺桿4在非磁性環7內的端部與永久磁體3剛性搭接，并調節使得橫向拉壓力傳感器6的測力桿端部的橫向調節螺母8和縱向拉壓力傳感器12的測力桿端部的縱向調節螺母11與永久磁體3剛性搭接。實施例2本實施例的非磁性環7為鋁環。其它零部件以及零部件的聯接關系與實施例1相同。實施例3本實施例的非磁性環7為樹酯環。其它零部件以及零部件的聯接關系與實施例1 相同。本發明的工作過程如下將安裝架1安裝在三維空間磁場與磁力測試裝置上，永久磁體3通過鋼珠10與磁體固定板9吸附在一起，使永久磁體3正好位于豎向的豎向拉壓力傳感器2的正下方，調節非磁性環7上的橫向拉壓力傳感器6的測力桿端部的橫向調節螺母8、縱向拉壓力傳感器 12的測力桿端部的縱向調節螺母11、橫向非磁性調節螺桿5、縱向非磁性調節螺桿4與永久磁體3搭接，將另一個永久磁體或超導體固定在工作平臺上的夾具內(用超導體時器具內需注入液氮，操作方法與專利號為200410073501.9的產品相同)，移動安裝架1，調節永久磁體3與另一個永久磁體或超導體的位置，將另一個永久永久磁體或超導體固定，橫向拉壓力傳感器6、縱向拉壓力傳感器12、豎向拉壓力傳感器2分別接士 IOV恒壓電源，三個傳感器的輸出端通過信號調理模塊分別接到計算機進行數據采集。當永久磁體3隨著安裝架1 一起運動時，另一個永久磁體或超導體對安裝在非磁性環7上的永久磁體3作用于磁力，橫向拉壓力傳感器6、縱向拉壓力傳感器12、豎向拉壓力傳感器2分別將接收到永久磁體3所受到的橫向力、縱向力、豎向力轉換成電信號并經調理模塊轉換成數字信號輸出到計算機，計算機按照事先設定的程序進行計算，計算出另一個永久磁體或超導體與永久磁體3之間的相互作用力。為了驗證本發明的有益效果，發明人采用本發明實施例1制備的三維磁力測量卡具安裝在三維空間磁場與磁力測試裝置上對永久磁體3與超導體之間的三維磁力進行了測試，各種實驗情況如下1、軸對稱情況下測試永久磁體3與超導體的三維磁力將安裝架1安裝在三維空間磁場與磁力測試裝置上，永久磁體3通過鋼珠10與磁體固定板9吸附在一起，永久磁體3位于豎向拉壓力傳感器2的正下方，調節非磁性環7上的橫向拉壓力傳感器6的測力桿上的橫向調節螺母8，使橫向調節螺母8與永久磁體3搭接，縱向拉壓力傳感器12的測力桿上的縱向調節螺母11，使縱向調節螺母11與永久磁體3 剛性搭接，并調節橫向非磁性調節螺桿5和縱向非磁性調節螺桿4與永久磁體3搭接，將超導體固定在三維空間磁場與磁力測試裝置的工作平臺夾具內，并內注入液氮，移動安裝架 1，調節永久磁體3與超導體的位置，將超導體固定，調節永久磁體3與超導體在同一條軸線上。橫向拉壓力傳感器6、縱向拉壓力傳感器12、豎向拉壓力傳感器2分別接士 IOV恒壓電源，三個傳感器的輸出端通過信號調理模塊分別接到計算機進行數據采集。當永久磁體3 隨著安裝架1向下、向上往返運動一次，超導體對安裝在非磁性環7上的永久磁體3作用于磁力，橫向拉壓力傳感器6、縱向拉壓力傳感器12、豎向拉壓力傳感器2分別將接收到的橫向力、縱向力、豎向力轉換成電信號輸出到調理模塊轉換成數字信號輸出到計算機，計算機按照事先設定的程序進行計算，計算出超導體與永久磁體3之間的相互作用力。實驗結果見圖6 圖8。圖6是軸對稱情況下超導體與永久磁體沿豎向相對運動時橫向受力與豎向距離的變化曲線。圖7是軸對稱情況下超導體與永久磁體沿豎向相對運動時縱向受力與豎向距離的變化曲線。圖8是軸對稱情況下超導體與永久磁體沿豎向相對運動時豎向受力與豎向距離的變化曲線。由圖6 圖8可見，在完全對稱的情況下，豎向磁力隨永久磁體3與超導體之間的距離變化很明顯，橫向、縱向的磁力為0。本實驗中的超導體也可用永磁體替換。2、軸非稱情況下測試永久磁體與超導體的三維磁力將安裝架1安裝在三維空間磁場與磁力測試裝置上，永久磁體3通過鋼珠與鐵板吸附在一起，永久磁體3位于豎向力傳感器的正下方，調節非磁性環7上的橫向拉壓力傳感器6的測力桿上的橫向調節螺母8，使橫向調節螺母8與永久磁體3搭接，縱向拉壓力傳感器12的測力桿上的縱向調節螺母11，使縱向調節螺母11與永久磁體3剛性搭接，并調節橫向非磁性調節螺桿5和縱向非磁性調節螺桿4與永久磁體3搭接，將超導體固定在三維空間磁場與磁力測試裝置的工作平臺夾具內，并內注入液氮，將超導體固定，移動安裝架1， 調節永久磁體3與超導體不在同一條軸線上。其它實驗與實驗1相同。實驗結果見圖9 11。
圖9是軸非對稱情況下超導體與永久磁體沿豎向相對運動時橫向受力與豎向距離的變化曲線。圖10是軸非對稱情況下超導體與永久磁體沿豎向相對運動時縱向受力與豎向距離的變化曲線。圖11是軸非對稱情況下超導體與永久磁體沿豎向相對運動時豎向受力與豎向距離的變化曲線。由圖9 11可見，在不對稱的情況下，豎向、橫向、縱向磁力隨永久磁體3與超導體之間的距離變化很敏感。3、在軸對稱、永久磁體3與超導體豎向間距3mm不變的情況下測試永久磁體3與超導體的三維磁力將安裝架1安裝在三維空間磁場與磁力測試裝置上，永久磁體3通過鋼珠與鐵板吸附在一起，永久磁體3位于豎向力傳感器的正下方，調節非磁性環7上的橫向拉壓力傳感器6的測力桿上的橫向調節螺母8，使橫向調節螺母8與永久磁體3搭接，縱向拉壓力傳感器12的測力桿上的縱向調節螺母11，使縱向調節螺母11與永久磁體3剛性搭接，并調節橫向非磁性調節螺桿5和縱向非磁性調節螺桿4與永久磁體3搭接，將超導體固定在三維空間磁場與磁力測試裝置的工作平臺夾具內，并內注入液氮，將超導體固定，移動安裝架1，調節永久磁體3與超導體在同一條軸線上，測量過程中保持永久磁體3與超導體豎向距離為 3mm。其它實驗與實驗1相同，當永久磁體3隨著安裝架1沿橫向向右、向左、再向右往返運動一個周期時，即可獲得超導體與永久磁體3之間的相互作用力。實驗結果見圖12 14。圖12是在軸對稱、永久磁體3與超導體豎向間距3mm不變的情況下，當永久磁體 3相對于與超導體沿橫向運動時，磁體的橫向受力與橫向位移的變化曲線。圖13是在軸對稱、永久磁體3與超導體豎向間距3mm不變的情況下，當永久磁體3相對于與超導體沿橫向運動時，磁體的縱向受力與橫向位移的變化曲線。圖14是在軸對稱、永久磁體3與超導體豎向間距3mm不變的情況下，當永久磁體3相對于與超導體沿橫向運動時，磁體的豎向受力與橫向位移的變化曲線。由圖12 14可見，在基本對稱的情況下，豎向磁力、橫向磁力與橫向距離的變化很敏感，縱向磁力很弱，只有完全對稱情況下縱向磁力才會為0。
權利要求
1.一種三維磁力測量卡具，其特征在于在安裝架(1)上表面設置有豎向拉壓力傳感器O)、側向內表面設置有橫向拉壓力傳感器(6)、縱向拉壓力傳感器(12)，安裝架(1)的下表面設置有磁體固定板(9)，豎向拉壓力傳感器O)的測力桿與安裝架(1)和磁體固定板 (9)相聯，磁體固定板(9)的下方設置有與安裝架(1)和磁體固定板(9)保持有距離的非磁性環(7)，非磁性環(7)內設置有永久磁體(3)，永久磁體C3)與磁體固定板(9)之間設置有直徑相同的鋼珠(10)，橫向拉壓力傳感器(6)的測力桿穿過并固定在非磁性環(7)上、其在非磁性環(7)內的端部設置有橫向調節螺母(8)，橫向調節螺母(8)與永久磁體C3)剛性搭接，縱向拉壓力傳感器(12)的測力桿穿過并固定在非磁性環(7)上、其在非磁性環(7) 內的端部設置有縱向調節螺母(11)，縱向調節螺母(11)與永久磁體(3)剛性搭接，安裝架 (1)上橫向拉壓力傳感器(6)的測力桿中心線延長方向上加工有孔徑大于橫向非磁性調節螺桿(5)外徑的橫向通孔，橫向非磁性調節螺桿(5)穿過橫向通孔、穿過并固定在非磁性環 (7)上、其在非磁性環(7)內的端部與永久磁體(3)剛性搭接，安裝架(1)上縱向拉壓力傳感器(1 的測力桿中心線延長方向上加工有孔徑大于縱向非磁性調節螺桿(4)外徑的縱向通孔，縱向非磁性調節螺桿⑷穿過縱向通孔、穿過并固定在非磁性環(7)上、其在非磁性環(7)內的端部與永久磁體(3)剛性搭接。
2.按照權利要求1所述的三維磁力測量卡具，其特征在于所述的豎向拉壓力傳感器 ⑵的測力桿的中心線與永久磁體⑶的中心線相重合，橫向拉壓力傳感器(6)的測力桿的中心線與橫向非磁性調節螺桿( 的中心線相重合，縱向拉壓力傳感器(1 的測力桿的中心線與縱向非磁性調節螺桿的中心線相重合，橫向拉壓力傳感器(6)的測力桿的中心線與縱向拉壓力傳感器(1 的測桿中心線在同一平面內相互垂直。
3.按照權利要求1所述的三維磁力測量卡具，其特征在于所述的非磁性環(7)為銅環或鋁環或樹脂環，在非磁性環(7) 二分之一高度的側壁上均布加工有孔心線在同一平面內的4個螺孔或通孔。
4.按照權利要求1所述的三維磁力測量卡具，其特征在于所述的安裝架(1)為L形， 豎向拉壓力傳感器( 和縱向拉壓力傳感器(1 設置在安裝架(1)的長臂上，橫向拉壓力傳感器(6)設置在安裝架(1)的短臂上。
5.按照權利要求1或2或4所述的三維磁力測量卡具，其特征在于所述的豎向拉壓力傳感器O)、橫向拉壓力傳感器(6)、縱向拉壓力傳感器(1 的型號為T幾-1。
6.按照權利要求1所述的三維磁力測量卡具，其特征在于所述的磁體固定板(9)為磁性板。
全文摘要
一種三維磁力測量卡具，在安裝架上表面設豎向拉壓力傳感器、側向內表面設橫向拉壓力傳感器、縱向拉壓力傳感器，安裝架的下表面設磁體固定板，豎向拉壓力傳感器的測力桿與安裝架和磁體固定板相聯，磁體固定板的下方設與安裝架和磁體固定板保持有距離的非磁性環，非磁性環內設置有永久磁體，永久磁體與磁體固定板之間設鋼珠，橫向拉壓力傳感器的測力桿穿過并固定在非磁性環上、其端部設與永久磁體剛性搭接的橫向調節螺母，縱向拉壓力傳感器的測力桿穿過并固定在非磁性環上、其在非磁性環內的端部設與永久磁體剛性搭接的縱向調節螺母，設置在安裝架上的橫向非磁性調節螺桿與永久磁體搭接，設置在安裝架上縱向非磁性調節螺桿與永久磁體搭接。
文檔編號G01L5/16GK102192807SQ20111005398
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月7日 優先權日2011年3月7日
發明者楊萬民, 馬俊 申請人:陜西師范大學