基于高温超导体的振动试验技术

董 昊，黄毅文，陈润泽，黄迪山

(上海大学 机电工程与自动化学院,上海 宝山区 200072)

E-mail:hdishan@shu.edu.cn

1 高温超导体的磁化特性及悬浮原理

一些材料在温度降到一定值时，电阻会消失，这一现象被称为超导现象，对应的温度称为临界温度，根据临界温度的高低，超导体可分为低温超导体和高温超导体[1]。高温超导体属于第二类超导体，将一些铜的氧化物经过处理，使晶格内产生缺陷，使其工作在混合态下，如图1所示，形成磁通涡旋[2]，如图2所示，产生钉扎效应，束缚了磁通线的流动，产生钉扎力，制止了相应的使磁感线改变的运动趋势。这种现象使永磁体悬浮于超导块上方，并且可实现6个自由度的自稳定悬浮[3]。由于高温超导体的临界温度高于液氮温度(77K，-196℃)，使超导材料突破了“液氮壁垒”得以广泛应用，目前以钇钡铜氧应用最广，主要领域为超导磁悬浮轴承和超导磁悬浮列车[4]。

图1 第二类超导体磁化特性

2 试验装置与原理

2.1 振动激励系统

振动激励源由超导块、漆包线圈、1.5kg永磁体组成。超导块呈正六边形，它属于YBCO系的第二代高温超导块材，固定于铝质盘内，超导块置于液氮中。铜制漆包线圈用低温胶水粘于超导块中间。超导盘底安装在液氮容器中，如图3所示。

在液氮注入容器以前，在超导块与永磁体之间用非铁质板隔离，隔板的厚度即为振动初始平衡位置所在。当液氮注入完毕，超导块中形成钉扎力。移去隔板，钉扎力平衡永磁体重力，永磁体悬浮在超导块上方。这时永磁体无论受那个方向的外界扰动，在钉扎力作用下，都能自动回复到平衡位置，形成磁弹簧[5]。

当激励信号通入线圈中时，在超导块中间产生附加磁场，改变永磁体至超导块的距离，从而永磁体产生振动。永磁体产生振动历程与驱动电压波形相对应，电压波形由振动控制系统提供。

2.2 控制系统

控制系统包括ECON振动控制器、加速度传感器、PC控制端和功率放大器。

振动控制器采用分布式结构体系，32位DSP处理器和24位ADC，控制器硬件和软件保证闭环控制的精度与稳定性。

PC端控制振动控制器发出一个扫频或随机电压信号，它经功率放大器传至线圈，在固定的超导盘与悬浮在上方的永磁体之间产生一个连续变化的磁场，使得永磁体产生振动。控制信号可以是正弦或随机变化的。加速度传感器固定于永磁体上方，检测出的实时振动信号反馈至振动控制器，实现振动波形闭环控制。

图3 基于超导悬浮特性的非接触振动试验系统原理图

3 悬浮磁刚度

永磁体悬浮在平衡位置上，在外力作用下产生位移。磁刚度指作用在永磁体的外力与静位移之比。试验系统的悬浮刚度与很多因素有关，如冷却温度、超导块排列方式、外部磁场强度等都会使磁刚度改变，其中永磁体的表面场强影响很大，永磁体表面磁场强度越大，其悬浮力越大，刚度越大[6]。

如图4所示，对悬浮系统做悬浮磁刚度试验，向永磁体上方加砝码以添加外力，通过激光位移传感器测量永磁体悬浮高度的变化来计算磁刚度。

图4 悬浮系统磁刚度试验原理图

试验系统磁刚度曲线拟合结果如图5所示。可见，在25N的范围内，系统磁刚度近似于线性变化关系，但有明显的磁滞现象[7]，本试验永磁体表面磁场强度约为8000GS。

图5 系统磁刚度曲线

4 振动试验结果

采用正弦扫频和随机振动方法考核研制的非接触式超导激振台，观察其振动特性。

4.1 正弦扫频试验

正弦振动试验是试验室中经常采用的试验方法，例如凡是旋转、脉动、振荡(在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的)所产生的振动均是正弦振动。要模拟这些振动环境，无疑须用正弦振动试验。而正弦扫频试验是正弦振动试验里很重要的一种，它是结构模态参数识别的重要手段[8]。振动特性试验中，用正弦信号激振是常用的最基本方法，用正弦扫频试验来模拟某些结构和产品的真实使用环境，更能充分地体现结构和产品的设计缺陷。正弦扫频试验广泛应用于设备可靠性试验等方面[9]。

本试验系统采用上海大学物理系自制的YBCO高温超导块材；振动控制器采用杭州亿恒科技有限公司SUPER VT-9008系列振动控制器，振动传感器采用联能电子技术有限公司的压电式加速度传感器(CA-YD-186型)，灵敏度97.7mV/g。设置如下参数。

开始频率：5Hz；

截止频率：2000Hz；

扫频方式：对数；

中断上下限：±6dB；

报警上下限：±3dB。

扫频目标谱斜率设置如表1所示。

表1 正弦扫频试验目标谱斜率设置

图6 正弦扫频试验结果

虽然磁刚度曲线有一些非线性，但闭环振动控制系统的控制算法的鲁棒性完全能克服刚性磁滞现象。正如图6所示的试验结果，振动曲线总体上控制在±3dB以内，完全符合工程激振要求，悬浮系统在7Hz以下略有波动，系统高频控制效果很好。

4.2 随机振动试验

真实的环境中许多振动都是随机的，如飞机或者火箭的发动机引起的振动，行驶在不平路面上的汽车受到的振动，飞行器在附面层紊流气动力的作用下引起的振动等[10]。与正弦扫描相比，随机振动试验的频率域宽，而且有一个连续的频谱[11-12]，它能同时在所对频率上对产品进行激励。在试验中，硬件系统与正弦扫频试验相同。设置频率范围5～2000Hz，其目标谱左右侧斜率设置如表2所示。

表2 随机振动试验目标谱斜率设置

图7 随机振动试验结果

结果如图7所示，超导振动台的随机振动试验整体控制效果良好，振动曲线总体上控制在±3dB以内，符合工程上对于随机振动试验的要求。

5 结束语

基于第二类高温超导体的悬浮原理制作的超导振动台开创了超导技术在振动试验领域的新应用，对于非接触激振的开发具有很大意义，在实际应用中，可以根据试验的具体需求来调整振动台几何结构以及超导块的数量。从试验结果看，其正弦扫频试验和随机振动试验都达到了工程振动试验的要求。

超导振动台由于其特殊的悬浮原理，磁刚度有一定的非线性，但目前的实时闭环控制技术完全克服刚性磁滞现象，因此它有潜力拓展为多自由度振动台以及摆动振动台，有很好的应用前景。