| GTCD-1 磁浮力测量仪说明书 | |||
| 一、概述 完全抗磁性和零电阻效应一样是超导材料的主要特征之一。当一个超导体处于外磁场◥中时，由于抗磁性和磁通钉扎效应的作用，在超导体内部将感应出屏蔽电流，又由于零电阻效应所致，屏蔽电流几乎不随时间衰减。在超导体内持续流动的屏蔽电流产生的磁场与外磁场发生相互作用，从而→产生超导磁悬浮现象。以超导磁悬浮现象为基础的超导磁悬浮技术在能源（飞轮储能）、交通（磁浮车）、机械工业（无摩擦轴承）等诸多领域具有潜在的应用价值。 | |||
| 超导⊙体悬浮力测量装置，由超导体，低温容器、移动机构、测力传ξ 感器、位移传感器、数据显示装置以及控制系统构成。该装置可以测量超导材料与永磁体之间㊣的相互作用力，并可通过记录仪、绘图仪或计算机绘制磁浮力与距离的曲线。 超导体悬浮力测量装置的作用是，测量超导块〓的磁浮力特性，绘〗制相应曲线，显示♀超导块跟永久磁铁之间的作用力与相对距离的关系。当两者间距离由大变小时，作用力表∩现为排斥力（F>0）,排斥力随相对距离的缩小而增大；距离由◆小变大时,产生吸¤引力(F<0)，吸引力在某一位置出现极大值。该装置特别适合于大学现代物理教学实验之用。 |
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| 磁浮力是超导材料在磁悬浮技术上应用的重要参数。磁浮力随悬浮间隙的变化一方面取决于◣超导材料自身的性质，另一方面取决于磁场的强度＠ 和分布以︼及温度等测量条件。 本装置可用于◣超导块材工艺研究和应用研究中磁浮力特性的测量和超导材料磁浮力测量标准的制定。 二、主要技术指标 | |||
| 力测量范围 | 0 ~50 Kg | ||
| 拉压力传☆感器精度 | 0.05% | ||
| 电阻位移传感器线性度 | 0.1% | ||
| 力测量精度↑ | 0.2 N | ||
| 位移测量精度 | 0.1 mm | ||
| 样 品 | 块状REBaCuO超导材料，直径小于◣等于50 mm，临界转变温度高于77 K | ||
| 磁 体 | NdFeB永久磁铁，直径高度比约为1，表磁约5000 Gs（吸ζ在铁块上的测量值） | ||
| 测试温度 | 77.3 K （液氮温度） | ||
| 磁体移动范围 | 0 ~100 mm | ||
| 测√试架外形尺寸 | 320 mm x260 mmx700 mm | ||
| 测ω试架净重 | 27 Kg | ||
| 控制显示单元电源 | 220 V, 50 Hz | ||
| 控制显示单元尺寸 | 300 mm x250 mmx140 mm | ||
| 控制显示单元净重 | 1 Kg | ||
| 三、结构及ㄨ操作说明 如图1所示，本测量仪包括用于支撑、固定各功能部件的机架、置放被测超导样品的低温容器、测量用磁∞体、垂直移≡动机构、力与位移的测量元件和▃控制与显示信号源。其中磁体与垂直移动机构下端面相联接。 | |||
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| 图1 手动式超导体磁浮力测量仪 | |||
| 信号源控制显示单元按键定义： K1 — 设定值★增加键 K2 — 联机及最大压力设定键 K3 — 压力清零及位移上限设定键 K4 — 暂停及设定值确认键 K5 — 设定值减卐小键 K6 — 脱机 K7 — 位〇移清零及位移下限设定键 K8 — 设置键 面板右上方按钮为复位按钮。 | |||
| 使用及操作说明 | |||
| 1、检查各机构和部件处于正常状态，打开测力传感※器电源。 2、把准备测量的超导块放入液氮盒中并固定好。 3、分别记录传感∞器仪表显示的初始值和标尺显示的初※始距离。 4、开始往液氮盒中倒液氮，液氮沸腾趋于平缓后，等待3-5分钟，以保证超导块完全冷却并进入超导态。谨防不要使液氮溅到手→上 或皮肤上。 5、转动驱动柄，使伸缩杆下端的永久磁铁向下移动。每次的移↙动量要保持一致，移动间距根据测量的精度要求自行确定。移动间隔 越小，绘制的曲线越光滑。 6、记录每次移↑动后传感器仪表显示的力值和相应的距离值。 7、转动驱动柄，使伸缩杆往下移动，直到永久磁铁跟超导块刚刚接触为止（0距离）。这时测力传感︽器显示的数据减去初始值即为超 导块的最大悬浮力。 8、使伸缩杆等间距地向上移动，记录每次移动后的数∏值。 9、测试结束后，在坐标纸上标出全部的（距离，悬浮力）所对」应的点，将点光滑连接，即可得到超导块的磁△浮力与距离的Ψ曲线。 | |||
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a、压力零点设定： 按K3键压力显示清零。 b、位移零点设定： 方法一：打开电源ξ 开关，顺时针摇动手柄使♀磁体下移与至样品附近（如接触样品，压力表有数值显示），至压力显¤示在10~20牛顿 之间，然后按K7键将位移清零。 方法二：打开电源开关，将压力清零∑ ︽，记录位移显示数值（例如150mm）, 用测量工具（卡尺等）测量样品与磁体之间的实际距 离（例如50mm）, 以显示值减去●实际值（此例为100mm）, 顺序按K8、K7键、K6键，进入零点设定，按K1键将零 点上移至显示值逾实际值的差值（100mm），按K4键确认设定值。 | |||
| 四、压力-位移曲线测试方法 1）零场冷实验步骤 1、打开测试仪〓电源开关，预热5分钟。 2、用螺丝将样品固定在№试样架中心； 3、按K3键使压⌒力数值归零； 4、顺时针摇动手柄使磁☆体下行至样品附近，调整磁体位置使↑其与样品对中，至压力显示□在㊣ 10~20牛顿之间，然后按K7键将位移 清零。 5、逆时针摇动手柄使磁体上★行至35mm以上； 6、向↑低温容器中注入液氮，使样品在没有♀外磁场作用的条件下冷却至液氮温∮度。保持液氮面略高于样品上表面（测试过程中因液 氮蒸发液面下降时，可随时添①加液氮），再次按K3键进行☆压力清零。 7、执行c:\cdjcc\cdjc.exe运行◣测试软件。出现如下界面（图2） | |||
| （图2） | |||
| 8、选择⌒参数设定，进入下面的界面（图3）。按测ξ 试仪面板上K2键联机，此时可以在计算机屏幕上看到压々力与位移数〖值。 | |||
| （图3） | |||
| 9、填写〗样品编号、尺寸、冷却方☉式和磁铁尺寸及表面磁场，数据是▼否存盘、采样周期（≥100ms）等。 10、点击工∴具栏的压力-位移测试图。进入以下界面（图4）。 | |||
| （图4） | |||
| 11、填写最大压力、最小压力和位移量程和纵坐标位置以确定坐标◥轴。 12、点击 “开始绘图”框选择绘制曲线，数据被〗记录在数据库中，然后顺时针摇动手柄使磁体下行接近超导样品，接触后逆№时针摇动 手柄使磁体上行至35mm以上，点击“停止绘图”。根据需要，可点击右下角的“存贮”，将测试图☆存盘。如果用记录仪或绘图仪 绘制测试曲◢线，则在测试前连接好测量仪与记∞录仪。测试仪后面板上的信号输出接口用于连接记录仪ξ或绘图仪，其中1（绿线， 位移负）、2（红线，位移正），3（蓝线，压力负）、4（黄线，压力正）。后面板旋钮为电位◆补偿，可以将输出电压调整在记录 仪量程范围内。 13、点击々工具栏中的“数据库”，可将数据库另外起名保存，并清空测试数据◎库。默认的♀数据库存贮格式为“EXCEL”格式。 14、重复测量时必须等待液氮完卐全蒸发（或松】螺丝将样品从样品架上取出），使样品整体升温至ㄨ90 K以上（转变为正常态），使冻 结在样品中的磁场退掉。注意，直接用水冲或▲热风吹快速升温会使样品产生裂纹，导致性能明☉显下降。 15、实验结束后关闭测试仪】电源，并将样』品取出擦干后保存在干燥皿中。 | |||
| 2）场冷实验步骤 1、打开测试仪电源开关ぷ，预热5分钟。 2、用螺丝将样品固定在试样架中心； 3、按K3键使压力数值归零； 4、顺时针摇动手柄使磁体下行至△样品附近,调整磁体位置使其□ 与样品对中,至压力显示在10~20牛顿之间,然后按K7键将位移清零。 5、逆时针摇动手柄使磁体上行至1 ~10mm之间任意位置。 6、向低温容器中注入液△氮,使样品在有外磁场作用下冷却至液氮温度(尽量避免磁体浸泡在液氮中),再次按K3键进行压力∩清零。 7、执行c:\cdjcc\cdjc.exe运行测试软件√。出现（图2）界面 | |||
| 8、选择参数设定，进入（图3）的界面。按测试仪面板上K2键联机，此时可以在计算机屏◎幕上看到压力与位移数值。 | |||
| 9、填写样品编号、尺寸、冷却方式和磁铁尺●寸及表面磁场，数据是否存盘、采样周期（≥100ms）等。 10、点击↑工具栏的压力-位移测试图。进入（图4）界面。 | |||
| 11、填写最大压力、最小压力和位移量程和纵坐标位置以确定坐标轴。 12、点击 “开始绘图”框选择绘制曲线，顺时针〖摇动手柄使磁体下行或逆时针摇动手柄使磁体上行（只∑ 测吸引力），数据被记录在数 据库中。测试过程完成后，点击“停止绘图”。根据需要，可点击右下角的“存贮”，将测∴试图存盘。如果用记录仪或绘图仪绘制测 试曲线，则在测∴试前连接好测量仪与记录仪。测试仪后面板上的信号输出接口用于连接记录仪或绘图仪，其中1为绿线，位移 负；2为红线，位移正；3为蓝线，压力负；4为黄线，压力正。后面板旋钮为电位补偿，可以将输出电压调整在记〓录仪量程 范围内。 13、点击工具栏中的“数据库”，可将数据库另外起名保存，并清空测试数据▓库。默认的数据库存贮格式为“EXCEL”格式。 14、重复测量时必须『等待液氮完全蒸发（或松螺丝将样品从样品架上取出），使样品整体升温至90 K以上（转变为正常态），使冻 结在样品中的磁场退掉。注意，直接用水冲或热风吹快速升温会ㄨ使样品产生裂纹，导致性能明显下降。 15、实验结束后关闭测试仪电源，并将样品取出擦干后保存在干▓燥皿中。 | |||
| 五、压力-时间曲线◣测试方法 1）零场冷实验步骤 1、打开测试仪电源开关，预热5分钟。 2、用螺丝将样品固定在试样架中心； 3、按K3键使压力数值归零； 4、顺时№针摇动手柄使磁体下行至样品附近,调整磁＠体位置使其与样品对中,至压力显示在10~20牛顿之间,然后按K7键将位移清零。 5、逆时针摇动手柄使磁体【上行至设定位置； 6、向低温容器中注入液氮，使样品在没有外磁场作用的条件下冷却至液氮温度。保持液氮面略高于样品上表面（测试过程中因液 氮蒸发液面下降时，可随时添加液氮），再次按K3键进行压力清零。 7、执行c:\cdjcc\cdjc.exe运行测试软件。出现（图2）界面 | |||
| 8、选择参数设定，进入（图3）界面。按测试仪面板上K2键联机，此时可以在计算机屏幕上看到压力与位移数值。 | |||
| 9、填写样品编号、尺寸、冷却方式和磁铁尺寸及表面磁场，数据是否存盘、采样周期（≥100ms）等。 10、点∞击工具栏的压力-时间测试图。进入（图4）界面。 | |||
| 11、填写最大压力、最小压力和位移量程和纵坐标位置以确定坐标轴。 12、顺时针摇动手柄使磁体下行至设定点停止，然后点击 “开始”框选择绘制曲线，同时数据被记录在数据库中。测试过程完成后，点击“停止”。根据需要，可点击右下角的“存贮”，将测试图＠存盘。如果用记录仪或绘图仪绘制测试【曲线，则在测试前连接好测量仪与记录仪。测试仪后面板上的信号输出接口用于连接记录仪或绘图仪，其中1（绿线，位移负）、2（红线，位移正），3（蓝线，压力负）、4（黄线，压力正）。后面板旋钮为电位补偿，可以将输出◣电压调整在记录仪量程范围内。1，2线不接，直接使用记录仪的时间作为X轴。 13、点击工具栏中的“数据库”，可将数据库另外起名保存，并清】空测试数据库。默认的数据库存贮格式为“EXCEL”格式。 14、重复测量时必须等待液氮完全蒸发（或松螺丝将样品从样品架上取出），使样品整体升温至90 K以上（转变为正常态），使冻结在样品中的磁场退※掉。注意，直接用水冲或热风吹快速升温会使样品产生裂纹，导致性能明显下降。 实验结束后关闭测试仪电源，并将样品取出擦干后保存在干燥皿中。 2）场冷实验步骤 1、打开测试仪电源开关，预热5分钟。 2、用螺丝将样品固定在试样架中心； 3、按K3键使压力数值归零； 4、顺时针摇动手柄使磁体下行至样品附近,调整磁体位置使其与样品对中,至压力显示在10~20牛顿之间,然后按K7键将位移清零。 5、逆时针摇动手柄使磁体上行至1 ~10mm之间任意位置。 6、向低温容器中注入液氮，使样品在有外磁场作用下冷却至液氮温度（尽量避免磁体浸泡在液氮中），再次按K3键进行压力清零。 7、执行c:\cdjcc\cdjc.exe运行测试软件。出现（图2）界面 | |||
| 8、选择参数设定，进入（图3）界面。按测试仪面板上K2键联机，此时可以在计算机屏幕上看到压力与位移数值。 | |||
| 9、填写样品编号、尺寸、冷却方式和磁铁尺寸及表面磁场，数据是否存盘、采样周期（≥100ms）等。 10、点击工具栏的压∮力-时间测试图。进入（图4）界面。 | |||
| 11、填写最大压力、最小压力和位移量程和纵坐标位置以确定坐标轴。 12、点击 “开始绘图”框选择绘制曲线，顺时针摇¤动手柄使磁体下行或逆时针摇动手柄使磁体上行（只测吸引↘力）至所需位置，数据被记录在数据库中。测试过程完成后，点击“停止绘图”。根据需要，可点击右下角的“存贮”，将测试图存盘。如果用记█录仪或绘图仪绘制测试曲线，则在测试前连接好测量仪与记录仪。测试仪后面板上的信号输出接口用于连接记录仪或绘图仪，其中1（绿线，位移负）、2（红线，位移正），3（蓝线，压力负）、4（黄线，压力正）。后面板旋钮为电位补偿，可以将输出电压调整在记录仪量程范围内。1，2线不接，直接使用记录仪的时间作为X轴。 13、点击工具栏中的“数据库”，可将数据库另外起名保存，并清空测试数据库。默认的数据库存贮格式为“EXCEL”格式。 14、重复测量时必须等待液氮完全蒸发（或松螺丝将样品从样品架上取出），使样品整体升温至90 K以上（转变为正常态），使冻结在样品中的磁场退掉。注意，直接用水冲或热风吹快速升温会使样品产生裂纹，导致性能明显下降。 15、实验结束后关闭测试仪电源，并将样品取出擦干后保存在干燥皿中。 | |||
| 六、结果 | |||
| 将测量时记录的数据绘制在坐标纸上或输入计算机中，可得超导体悬浮力曲线，如图5所示： 提示：为了避免曲线发生锯齿现象，读数停『顿间隔要尽可能小。可以尝试由一位学生连续旋转曲柄，第二位学生迅速读取距离与传感器数值，第三位学生记录第二位学生的读数。 七、思考题 1、为什么读数停」顿时间较大时，曲线会呈现波动或锯齿状？ 2、在反向向上移动过程中，当磁铁与超导块表面之间超□过某一距离时，为什么力传感器会显示负值？ |
图5 超导体悬浮力变化曲线示意图 | ||
