（计算机应用技术专业论文）高温超导测试仪的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文介绍了一个经济适用、操作方便的超导测试仪的设计过程；其中 包括了测试仪的设计方案、硬件构成、软件开发、调试和标定。 论文首先介绍了悬浮力、导向力的测量方法，以及竖直位移、水平位 移的计算方法，由于采用了新的测量方法和设计方案，从而降低了开发成 本。 硬件设计部分介绍了超导测试仪的机械结构设计，阐述了步进电机及 其驱动原理，以及运动控制系统、数据采集系统构成；机械结构设计采用 非磁性支架和光学平板以确保了操作平台的平稳性：运动控制系统由平移 台、电动缸、驱动器、控制器、微机构成，完成对平移台和电动缸的运动 控制；数据采集系统由传感器、放大器、采集卡、微机组成，实现对悬浮 力和导向力的采集处理。 软件设计部分，首先对本课题进行了软件功能需求分析，接着采用模 块化程序设计思想，把软件分为运动控制、数据采集、人机显示等模块来 设计。运动控制模块完成对平移台和电动缸运动控制操作；数据采集模块 用来实现对力传感器信号采集处理；人机显示模块完成对力和位移之间关 系显示处理。 系统调试部分介绍了在调试测试仪过程中所遇到各类问题及其解决 方法，特别是在平移台和电动缸控制系统调试中，对硬件中出现的异常情 况和处理办法进行了详细介绍：在软件调试中，各个子模块之间的接口部 分是调试的重点和难点，对此作者进行了反复测试。 论文介绍了测试仪的标定，主要包括机械定位、传感器检定。同时给 出了测试仪测量范围：竖直位移为0 7 l 硼j 水平位移为一7 0 一7 0 咖，精 度为o 1 姗，；悬浮力为o l o o n ，导向力为一3 2 8 0 n ，精度为0 1 n 。 论文分析了实际测试结果；同时分析了系统误差。 关键词：悬浮力；导向力；电动平移台；电动缸；运动控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ct h e s i si sm a i l l l yc o n c e m e dw i t ht h cd e s i g np r o c c 豁o fa ne c o n o m i c a l a n dm a n c u v e r a b l cm c a s u r i n gi i l s 缸i m e n tf o rh j g ht e m p e r a t l i r cs u p e r n d u c t i n g s y s t 啪i h ed e s i 霉皿s c h e m eo fs y s t e m l l a r d w a r e n t i l 皿r a t i o n ，s o f t w a r e d e v c l o p m e n tn d w s 缸dd c b u go fs v s t e ma r ce x p a t i a t c d a tf i l 毗，也ep a p c ri n t r o d u c e s 跹d 弛a l y s e st h em e 髂耐n gm e t h o d so f k v i t a t i o nf b e ，g ：i l i d a n c ef b r c e ， i n a d d i t i o n ，c a l c u i a t i n g m e t 五【o d so f 叭p e r c o n d l l d i n gp a r a m e t e r sa r ea l s og i v e ni i ld e t a j l b e c a u s eo fu s i n gan e w m e a s u r i i l gm e t h o d ，t h ec o s to f t h ed e s i i 皿i sr c d u c e dm u c h i nh a r d w a r e s e g m e m ， m e c h a n i s mf m m e ，s t e p p e rm o t o r“v c r ，m o v i n g c 0 t m is v s t 咖a i l dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r cr e p r c s e n t e d m c c h a n i s m m a i l i 口u l a t i o np a r tc 0 璐i s t so ft h eo p t i c a ls l a ba i l dt l l eb r a c k e tm a d e 丘d m n o n m a p 皿e t i s mm a t c d a i s ；m o t i o n 王n gc o n t r o ls y s t c mi sm a c l eu po fm o t i o n i n g s t a g c ，e l e c t r o m o t i o nh a i l d s p i k c ，d r i v e r ，n t i o l e r ；m o t i 砒gc o n t r o ls y s t c m c o m 卸d st h em o t i o n i n gs t a g ea n dc l e c 仃o m o t i o nh 龃d s p i k e d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi sc o m p o s e do fs e 璐o f a m p l i f i e r d a t a a c q u i s i t i o nc 缸d d a t a a c q u i s i t i o n0 fl e v i t a t i o nf o r c ea n dg u i d a i i c ef o r c ei sc o m p l e t e db yd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m i i ls 咖a r cs e 肿e t ，a tf i r s t ，m er c q u i r e m e m 缸a l y s j so fs 0 矗w a r ef i l c ni s r e p r c s e n t e d t h es o f t w a r ec o n s i s t so fs e v 盯a lm o d u l e s ，s u c ha sm o t i o n i n g n t r o lm o c i u i e ，d a t aa c q u i s m o nm o d u i ea n di n t e d 砬em o c i u l c t h ef i l n c t i o n 0 fm o v i d gc o n t r o lp r o 铲a mi st oc o m m a n d s t c p p e rm o t o rc 晚u m m t a t i n 彤d a t a a c q u i s i t i o np m 芦锄m o d u l ci su s e dt od i s p o s ea n da 岫l y z et h cs i 孕a l s ；1 h e b a s i c 叩e r a t i o n ss u c ha sc o l l e c t i o nd a t ad i s p l a yo ff o r c ea n dd i s p l a c e m e m c a l lb c 踟m p l i s h e db vi n t e r f a c ep m 盯a mm o d u l e i l is y s t e md c b u gp a n ，a b a u lh a r d w a r ed e b u g ss u c ha sm o v i 2c o n t r o l s y s t 啪，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， af e wp r o b l e m sa n dd i s p o s a im e m o d sa r e r e f e r e d d e b u go f 也ei m e h c e so fm em o d u l e si sc r i t i c a la n di m p o r t a mi n f t w a r ct c s t i n 2 ，m ew o r ki sd o n cm a n yt i i l l e s n e 口a p c fi n t r o d u c e sd e m a r c a t i n go ft b ei n s t n i m e n t ，s u c h 猫m c c h a n i s m o r i c n t a t i o na n ds e n s o ri n s d e c t i o n t h ei n s n u m c n tc a nm e a s u r ev e n i c a l d i s p l a c e m e mr a g e 丘d m 咖mt o7 1 m ma j i dh o f i z o n t a ld i s p l a c c m e n tr a i l 卫e f m m 7 0 n l mt o7 0 胁，t l l ed i s p l a o c m e n tr e s o l u t i o ni s 0 1 m m ；0 t h e r sa r e l e v i t a t i o f o r c em g e 舶mo nt o1 0 0 na n dg u i d a n c ef o r c en n g e 厅锄一3 2 n t o8 0 n ，p r e c i s i o ni s 0 1 n t h er e s l l l t sa n ds v s t e me r r o r sa r e 咖e n k e y w o r d ：k i v i t a l i o nf o r c e ；g u i d a n c ef o r c c ；m o t o r i z e dp r e c i s i o nt r 蛆s l a t i o n s t a g e ；e l e c t r o m o t i o nh 锄d s p i k e ；m o t i o n i n g n t r o l ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 在1 9 8 7 年发现临界温度高于液氮温区( 7 7 k ) 的高温超导体钇钡铜 氧( y b a 2 a 乃0 7 ) 之后，人们又发现用这种新型材料制各的块状超导体 能够使永磁体稳定地悬浮( 1 e v i t a t i o n ) 于其上。通过研究发现，高温超导 磁悬浮现象产生的原因是块状超导体的宏观电流与外磁场的相互作用。超 导体内宏观电流的产生则是因为其所在的外磁场发生了变化，因此，这种 宏观电流是一种涡流。由于这类高温超导体内存在各种缺陷，可以对穿过 其中的磁力线产生钉扎作用。因此，当超导体与永磁体间发生相对运动时， 超导体内可以感应出较大的电流，从而产生较大的洛伦兹力( l o r c n t z f o r c c ) 阻止相对运动，使其相对位置保持不变，实现稳定的悬浮。 超导体稳定悬浮在永磁体之上，受到了垂直方向上的作用力，即悬 浮力。当超导体相对永磁体进行水平移动时，会受到水平方向作用力，即 导向力。 本课题研究设计了一套高温超导测试仪系统，实现对超导体与永磁 体之间的悬浮力、导向力进行测量和处理。 1 2 国内外现状 目前高温超导测试仪的研制在国外尚未有产品报道，国内我校超导技 术研究所开发了一套高温超导磁悬浮车测试系统。由于其功耗大、造价高、 体积大，其造价大约5 0 多万元，不适合于大学、中学新型物理教学实验 ( 高温超导现象实验) 。为了满足新型物理教学实验要求，给学生和工程 技术人员提供一个低成本的高温超导实验平台，本课题设计实现了一个成 本在3 万元左右的高温超导测试仪。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 3 课题完成的工作 本课题主要完成以下几方面的工作： 1 改进超导参数的测量方法。 2 设计测试仪的机械部分。 3 对系统硬件进行适配、调试。 4 设计测试仪的测控软件。 5 对测试结果进行分析。 1 4 论文的组织结构 论文共分6 章，其内容组织如下： 第一章，绪论，阐述课题的背景、现状，以及完成的工作和论文的组 织结构。 第二章，测量方法及系统设计，首先给出了悬浮力、导向力的测量方 法；接着介绍了测试仪系统设计。 第三章，硬件设计，介绍了测试仪的硬件组成，以及各个部分的功能。 第四章，软件设计，详细阐述了运动控制、数据采集、界面显示等功 能模块的设计算法，以及程序代码实现。 第五章，系统调试，介绍了系统软件、硬件的调试方法。 第六章，系统标定及结果分析 结论，总结了测试仪实现了的功能和性能，并提出下一步改进之处。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章测量方法与系统设计 2 1 测量方法 超导技术研究所的高温超导磁悬浮测试系统是把力传感器跟超导块 材安装在一起。这种方式安装复杂，摩擦力难以消除，从而影响了测量结 果。主要问题是： 1 超导体所受导向力是通过中间水平连接杆传递给传感器的，存在 设计上的水平一致性和摩擦力问题，处理起来比较麻烦。 2 由于导向力传感器安装位置所限，无法同时测试导向力和悬浮力。 本课题对测量导向力的传感器，采用了一种新的安装方式，测量悬浮 力的传感器安装在超导块材上方。具体测量方法如下： 2 1 1 悬浮力测量 悬浮力的测量通过装在电动缸与超导块材之间的力传感器测得。在测 量悬浮力之前力传感器采集到的是超导块材、液氮容器及固定螺钉的重 力；在钡4 量悬浮力时，永磁体与超导块材之间存在悬浮力；力传感器测得 的力是重力和悬浮力的矢量合力，通过合力与重力的计算，获得悬浮力的 变化大小。悬浮力测量如图2 一l 。 图2 一l 悬浮力测量 图中，在测量悬浮力之前，由于液氮容器及超导块材重力作用，力传 感器上受此重力，设为g 0 ( 方向向下，为负) ；当测量悬浮力时，力传感 感器上受此重力，设为g 0 ( 方向向下，为负) ；当测量悬浮力时，力传感 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 器上受到力为f ( 悬浮力与重力的合力) ，悬浮力f ( 方向向上，为正) 的 大小为：f = f g 0 ，单位为牛顿( n ) 。 2 1 2 竖直位移计算 竖直位移是指超导块材与磁体之间的距离。通过控制电动缸移动可测 得竖直位移的大小。竖直位移的计算如图2 2 。 窑曩 图2 2 竖直位移计算 图中，s 为一变量，电动缸移动位移量；风。为一常量，是电动缸到 永磁体之间的距离；e 为一常量，是电动缸推杆始端到超导块材底面的 距离。h 为超导块材和永磁体之间的位移，h = 风一且一s ，单位为硼。 注：由于s 型传感器在测量过程中，发生变形微小( s t e p o ) m a r u n s t e p ( x ”，”一”，s t e p s t e p o ) ： m e s s a g e b o x ( ”己归零成功! ”) ： e 1s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 i f ( s t e p ( 1 0 n g ) ( s r a n g e 半1 0 0 ) ) m _ a r u n p o s ( ”，”一，o 2 ) ：负向平移0 2 哪 v a l u e l = m _ a g e t d b l p o s ( o ) ：采集之前获得平移台位置一x 轴。 m _ 1 = v a l u e l ： v a l u e l = 8 0 一v a l u e l ： p o s i 儿o = 5 0 0 一( 1 0 n g ) ( v a i u e l 5 ) ：v a l u e l 换算成整数坐标值 p o s l i o = 5 0 0 一( 1 0 n g ) ( v a ll j e l 5 ) ：水平位移与悬浮力关系。 m _ 3 = m _ 卜8 0 ：水平位移 m _ 6 = _ a g e t d b l p o s ( 1 ) ：电动缸位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 m - 5 = h o m - 6 ：悬浮竖直位移 u p d a t e d a t a ( f a l s e ) ： v a l u e 3 = m - 5 ： e l s e m e s s a g e b o x ( ”运动到了最左边! ”) ： ) a i r e a d c h a n n e l ( c a r d ，1 ，r a n g e ，a n a l o g i n p u t 1 ) ：读取 p c i 一9 1 11 d g l 通道 a n a l o g _ i n p u t 1 = a n a l o g _ i n p u t 1 4 ： i f ( a n a l o g _ i n p u t 1 = 2 0 4 8 ) a n a l o g = a n a l o g _ i n p u t 1 卜4 0 9 6 ： e l s e ( a n a l o g = a n a l o g i n p u t 1 ： ) v a l u e 2 = ( d o u b l e ) ( 5 木2 0 木a n a l o g ) 2 0 4 8 ： m - 2 = v a l u e 2 一g o ：除去水平压力初始值 p o s i 1 = 4 2 0 一( 1 0 n g ) ( m 2 木5 ) ： m - 2 换算成整数坐标值。 u p d a t e d a t a ( f a l s e ) ： a i r e a d c h a n n e l ( c a r d ，0 ，r a n g e ，a n a l o g _ i n p u t o ) ：读取 p c i 一9 1 1 1 d g 零通道 a n a l o g i n p u t o = a n a l o g - i n p u t 0 4 ： i f ( a n a l o g _ i n p u t 1 = 2 0 4 8 ) ( a n a l o g = a n a l o g i n p u t 1 一4 0 9 6 ： e l s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 a n a l o g = a n a l o g i n p u t 1 ： v a l u e 4 = ( d o u b l e ) ( 5 丰2 0 木a n a l o g ) 2 0 4 8 ：比例系数 m _ 4 = v a l u e 4 一g o ：减去永磁体重力! m 一4 为悬浮力大小 u p d a t e d a t a ( f a l s e ) ； p o s l i 1 = 4 2 0 一( 1 0 n g ) ( l 4 丰1 0 ) 木1 ： 4 3 数据采集模块设计 数据采集处理主要是对悬浮力和导向力的采集处理，其编程设计基于 v “+ 环境下，使用了p c i 9 1 1 1 d g 提供的动态连接库p c i d a s k d l l 和静 态连接库p c i d a s k 1 i b ，以及头文件d a s k h 。 p c i 9 1 1 1 d g 提供的数据类型如表4 1 ： 表4 1 数据类型 t 帅e n a m e d e s c r i d t i o n r a n g e u 88 - b i t sa s c i ic h 盯a c t e ro t 0 2 5 5 1 1 61 6 - b i t ss i 鲫e di n t e 2 e f- 3 2 7 6 8t o3 2 7 6 7 u 1 61 6 b i l su n s i 甜l e di n t e 窟e r0 t 06 5 5 3 5 1 3 2 3 2 七i t ss k n e di n t e e e r- 2 1 4 7 4 8 3 “8t o2 1 4 7 4 8 3 6 4 7 u 3 23 2 - b i t su 璐i g n e di i l t e g e r0t o4 2 9 4 9 6 7 2 9 5 f 3 23 2 - b i t ss i n g l e - p r e c i s i o n一3 4 0 2 8 2 3 e 3 8c o3 4 0 2 8 2 3 e 3 8 f 1 0 a l i n g - p o i i l t f 6 4“b i t sd o u b l e p r e c i s i 0 1 7 9 7 6 8 3 1 3 4 8 6 2 3 1 5 e 3 0 8c o f l o a t i n g p o i i l t 1 7 9 7 6 8 3 1 3 4 8 6 2 3 1 5 e 3 0 9 b o o l e a n b 0 0 k 柚l o 窑i cv a l u e t r u e ，r l s e p c i 9 n 1 d 0 提供模拟量输入操作函数有： a 工_ 9 1 1 1 一c o n f i g ( u 1 6c a r d n u m b e r ，u 1 6t r i g s o u r c e ，u 1 61 r g m o d e ， u 1 6t r a c c c n t ) ；，配置a j9 1 1 1 触发模式 r e 百s t e l c a r d ( u 1 6c 盯d 聊e ，u 1 6c a r d - n u m ) ；注册采集卡 a l 耳e a d c h a n n e l ( u 1 6c 盯d n u m b e r ，u 1 6c h 姗e l ，u 1 6a d r a n g e ，u 1 6 v a i u e ) ；读取采集卡的通道a f d 转换数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 r e l e a s ec a r d ( u 1 6 c a r d n u m b e r ) ；释放采集卡 程序设计中，在调用数据采集函数之前，需要对采集函数的链接库和 头文件进行设置：在v c + + 6 o 编译环境下，新建一个超导测试软件工程， 在菜单p r o j e c t 一 s e t t i n g s l i n k 一 中加入p c i d a s k 1 i b 静态库文 件，并把d a s k h 、p c i d a s k 1 i b 、p c i d a sk d l l 依次放在当前工程文件 夹目录下；在相应的视图文件和对话文件中加入# i n c l u d ed a s k h 。 数据采集处理程序流程如图4 7 ： 图4 7 数据采集处理程序流程图 1 采集卡注册及参数初始化： 1 1 6c a r d = 一l ，c a r 0 一n u m b e r = 0 ：c a r d - n u m b e r 是指一台手机安装 了多个采集卡，。“d _ n u m b e r 依次为o ，1 n 。本课题使用一个，默认为 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 0 。 i n tc a r d _ t y p e = p c i 一9 “1 d g ：c a r d j y p e 用于区分不同的采集卡。 c a r d = r e g i s t e r c a r d ( c a r d _ ，r y p e ，c a r d n u m b e r ) ：注册 p c i 一9 11 1 d g 2 读取通道a d 数据参数初始化： i1 6 r a n g e = a d _ b 一5 - v ：采集卡模拟量输入范围5 v 。 u 1 6a n a l o n i n p u t 1 6 ；缓存采集到的a d 转换数据 a i _ r e a d c h a n n e l ( c a r d ，0 ，r a n g e ，a n a l o g _ i n p u t o ) ：o 代表读取 p c i 一9 1l l d g 零通道的a d 转换数据。 i f ( c a r d = o ) r e l e a s e c a r d ( c a r d ) ：释放p c i 一9 1 1 1 d g 卡 3 a d 转换数据处理： ( 1 ) 悬浮力的处理：测量悬浮力的传感器的量程为o 一1 0 0 n ；即最 大量程为1 0 0 n 。输出的电压为0 一5 v 。 在测量悬浮力之前，从传感器上采集到的压力为永磁体的重力g 0 ； 在测量悬浮力时，通过采集卡读取模拟输入通道电压数据为： a i r e a d c h a n n e l ( c a r d ，o ，r a n g e ，a n a l o g i n p u t 0 ) ： 读取p c i 一9 l ll d g 零通道 a n a l o g - i n p u t o 中存放着输入模拟量转换为的数字量。 a n a l o g i n p u t o = a n a l o g i n p u t o 4 ： p c i 一9 1 1 1 d g 的分辨率为1 2 位。高1 2 位为采集到的数据。 i f ( a n a l o g _ i n p u t 1 = 2 0 4 8 ) ( a n a l o g = a n a l o g i n p u t 1 一4 0 9 6 ： e l s e a n a l o g = a n a l o g _ _ in p u t 1 ： v a l u e 4 = ( d o u b l e ) ( 2 0 丰5 丰a n a l o g ) 2 0 4 8 ： v a l u e 4 为传感器所受力的大小。 5 为采集卡所允许的最大输入电压。 2 0 为力传感器输出电压与其代表的最大力量程的比例系数。 m _ 4 = v a l u e 4 一g o ：减上永磁体的重力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 m _ 4 为悬浮力的大小。 ( 2 ) 导向力的处理：测量导向力的传感器的量程为0 1 0 0 n ：即最 大量程为1 0 0 n 。输出的电压为0 一5 v 。 在测量导向力之前，传感器固定在永