超导重力仪磁悬浮系统的建模及悬浮特性分析
发布时间：2021-03-21 16:12
高精度的重力测量是许多自然科学研究的基础,需要绝对重力仪和相对重力仪配合使用来完成重力的测量与监测。超导重力仪是一种相对重力仪,其能够克服传统机械式弹簧重力仪的蠕变、迟滞、非线性等缺点,实现重力的长期稳定、高精度测量。超导重力仪的市场需求广泛,但国内还未能实现超导重力仪的商品化,本文将完成超导重力仪磁悬浮系统的建模,并使用更为简便的理论算法分析其悬浮特性,以弥补国内对超导重力仪磁悬浮系统研究的不足,为超导重力仪的研制提供一定的理论指导。研究了超导体的基本特性以及电磁学基础等相关理论,着重分析了利用超导体的零电阻特性和迈斯纳效应建立的超导重力仪磁悬浮系统的结构及工作原理,参照GWR超导重力仪建立了本文的超导重力仪磁悬浮系统物理模型,并给出模型参数。依据超导重力仪磁悬浮系统的物理模型,分别采用等效电流环法和超导体局部模型理论来求解磁悬浮力。首先以等效电流环法分割超导球为出发点,结合超导体的磁通量守恒、“虚功”原理、线性求和等方法求解磁悬浮力;然后介绍超导体的局部模型理论和载流线圈的空间磁场分布情况,将超导球划分为若干个微元以建立数学模型并求解磁悬浮力;最后结合实际需求在MATLAB中实现相...
【文章来源】：中国地震局地震研究所湖北省
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GWR公司台站式超导重力仪的完整系统组成
骆国强：超导重力仪磁悬浮系统的建模及悬浮特性分析-4-图1.2超导重力仪低温超导悬浮系统结构美国斯坦福大学Hansen实验室研制超导加速度计用来做等效原理的卫星检验，这种超导加速度计其实是超导梯度仪，可以借鉴超导加速度计的悬浮结构到超导重力仪中去，以改进提高超导重力仪的稳定性。2010年左右，美国GWR公司作为全球仅有的超导重力仪制造商推出了新一代便携式超导重力仪iGravTM，其整体结构如图1.3所示。它主要包括三个子系统：杜瓦和底座，低温制冷机，控制箱和便携式计算机，进一步减少了空间占有和电子系统的损耗，易于操作、便于移动。iGravTM的传感器设计和工作原理，与其他SG超导重力仪都非常相似，但主要有两方面的创新，一方面是引入一个小线圈，用于超导球的最终中心定位，另一方面是将上、下线圈串联在一起，方便调试，是当前最灵敏、最稳定的便携式超导重力仪。
中国地震局地震研究所硕士学位论文-5-图1.3新一代便携式超导重力仪iGravTM系统组成国内方面：中科院物理研究所自1970年开始研究超导重力仪，采用美国方面的超导重力仪结构，建立了超导磁悬浮和检测系统，重力仪总体包括超导磁悬浮系统、磁电屏蔽系统及温度控制系统等；通过该重力仪对诸如温度、倾斜、振动等影响超导重力仪稳定性的因素都进行了研究，并用其观察到了地球固体潮汐[11]。1985年中科院测地所从GWR公司引进我国首台超导重力仪，为精密测定地球潮汐常数,建立国际重力潮汐基准,构制重力合成潮信号，提取大气和海洋负荷信号,精密确定地球自由核章动参数等方面科学研究提供了第一手观测资料[8]。中国科学院电工研究所多年来对超导悬浮系统的电磁特性、悬浮特性进行了系统的仿真研究；刘建华利用薄间隙磁场的计算方法,设计了一种新型的超导磁悬浮支撑结构，并引入线性反馈控制系统，分析其线性反馈控制下的力学特性[12]；胥靖文使用Ansoft软件对超导重力仪磁悬浮系统进行建模仿真分析，完成了系统结构位置的优化选择[13]；中科院电工所行多年的低温转子研究，并于2009年成功研制出超导磁悬浮装置原理样机[13]。华中科技大学探索研究出一种全新的超导磁悬浮系统结构，其磁悬浮系统的超导体呈H型，线圈是平面线圈；刘习凯等提出一种基于垂向加速度计的宽频带高分辨率的超导重力仪，其弹簧振子的固有频率更高，大幅提高了位移传感灵敏度[9]；任小龙利用有效电感与间距之间的关系研究了悬浮
【参考文献】：
期刊论文
[1]载流线圈和有限长直螺线管磁场的理论分析与讨论[J]. 陈学文,吴莲,张家伟,吴婷,谢腾辉. 大学物理. 2019(10)
[2]海空重力仪的技术现状及新应用[J]. 修睿,郭刚,薛正兵,李东明,李海兵. 导航与控制. 2019(01)
[3]亥姆霍兹线圈磁场空间分布的研究[J]. 高静,孙鑫,刘俊伟. 科技通报. 2018(07)
[4]宽频带超导重力仪的研制进展[J]. 刘习凯,马东,陈亮,刘向东. 地球物理学报. 2018(07)
[5]求解H-矩阵线性方程组的几种预处理迭代法[J]. 赵鑫,温瑞萍. 应用数学与计算数学学报. 2018(02)
[6]高精度重力仪的测量原理与发展现状[J]. 房丰洲,顾春阳. 仪器仪表学报. 2017(08)
[7]基于MATLAB的载流圆环磁场分布的动态仿真[J]. 徐胜男,任学智,位浩杰,展凯云,陈文娟. 大学物理实验. 2016(03)
[8]超导磁悬浮实验原理简析[J]. 路峻岭,秦联华,顾晨,任乃敬. 大学物理. 2016(06)
[9]应用于重力测量的超导磁悬浮系统电磁特性分析[J]. 胥靖文,王晖,胡新宁,王秋良,勾衬衬,周剑波,王浩. 低温与超导. 2016(04)
[10]重力仪器国外代表产品及国内研发最新进展[J]. 耿启立. 地质装备. 2016(01)
博士论文
[1]高温超导悬浮系统非线性动力特性实验与理论研究[D]. 黄毅.兰州大学 2016
[2]高精度绝对重力测量仪器与应用研究[D]. 李哲.清华大学 2016
[3]高精度绝对重力仪关键技术研究[D]. 吴琼.中国地震局地球物理研究所 2011
硕士论文
[1]超导重力仪器中超导线圈有效电感与间距关系的研究[D]. 任小龙.华中科技大学 2016
[2]载流线圈与迈斯纳超导体相互作用的有限元计算[D]. 赵坤雷.华中科技大学 2016
[3]超导重力仪器中超导线圈制作工艺研究及测试[D]. 张燕.华中科技大学 2014
[4]大气隙磁悬浮装置的力学特性研究[D]. 张亦静.武汉理工大学 2012
[5]各向异性电磁场数值计算法与MATLAB实现[D]. 吴敏敏.华侨大学 2008
[6]超导悬浮系统的悬浮力分析[D]. 王琳.中国科学院研究生院（电工研究所） 2006
本文编号：3093163
【文章来源】：中国地震局地震研究所湖北省
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GWR公司台站式超导重力仪的完整系统组成
骆国强：超导重力仪磁悬浮系统的建模及悬浮特性分析-4-图1.2超导重力仪低温超导悬浮系统结构美国斯坦福大学Hansen实验室研制超导加速度计用来做等效原理的卫星检验，这种超导加速度计其实是超导梯度仪，可以借鉴超导加速度计的悬浮结构到超导重力仪中去，以改进提高超导重力仪的稳定性。2010年左右，美国GWR公司作为全球仅有的超导重力仪制造商推出了新一代便携式超导重力仪iGravTM，其整体结构如图1.3所示。它主要包括三个子系统：杜瓦和底座，低温制冷机，控制箱和便携式计算机，进一步减少了空间占有和电子系统的损耗，易于操作、便于移动。iGravTM的传感器设计和工作原理，与其他SG超导重力仪都非常相似，但主要有两方面的创新，一方面是引入一个小线圈，用于超导球的最终中心定位，另一方面是将上、下线圈串联在一起，方便调试，是当前最灵敏、最稳定的便携式超导重力仪。
中国地震局地震研究所硕士学位论文-5-图1.3新一代便携式超导重力仪iGravTM系统组成国内方面：中科院物理研究所自1970年开始研究超导重力仪，采用美国方面的超导重力仪结构，建立了超导磁悬浮和检测系统，重力仪总体包括超导磁悬浮系统、磁电屏蔽系统及温度控制系统等；通过该重力仪对诸如温度、倾斜、振动等影响超导重力仪稳定性的因素都进行了研究，并用其观察到了地球固体潮汐[11]。1985年中科院测地所从GWR公司引进我国首台超导重力仪，为精密测定地球潮汐常数,建立国际重力潮汐基准,构制重力合成潮信号，提取大气和海洋负荷信号,精密确定地球自由核章动参数等方面科学研究提供了第一手观测资料[8]。中国科学院电工研究所多年来对超导悬浮系统的电磁特性、悬浮特性进行了系统的仿真研究；刘建华利用薄间隙磁场的计算方法,设计了一种新型的超导磁悬浮支撑结构，并引入线性反馈控制系统，分析其线性反馈控制下的力学特性[12]；胥靖文使用Ansoft软件对超导重力仪磁悬浮系统进行建模仿真分析，完成了系统结构位置的优化选择[13]；中科院电工所行多年的低温转子研究，并于2009年成功研制出超导磁悬浮装置原理样机[13]。华中科技大学探索研究出一种全新的超导磁悬浮系统结构，其磁悬浮系统的超导体呈H型，线圈是平面线圈；刘习凯等提出一种基于垂向加速度计的宽频带高分辨率的超导重力仪，其弹簧振子的固有频率更高，大幅提高了位移传感灵敏度[9]；任小龙利用有效电感与间距之间的关系研究了悬浮
【参考文献】：
期刊论文
[1]载流线圈和有限长直螺线管磁场的理论分析与讨论[J]. 陈学文,吴莲,张家伟,吴婷,谢腾辉. 大学物理. 2019(10)
[2]海空重力仪的技术现状及新应用[J]. 修睿,郭刚,薛正兵,李东明,李海兵. 导航与控制. 2019(01)
[3]亥姆霍兹线圈磁场空间分布的研究[J]. 高静,孙鑫,刘俊伟. 科技通报. 2018(07)
[4]宽频带超导重力仪的研制进展[J]. 刘习凯,马东,陈亮,刘向东. 地球物理学报. 2018(07)
[5]求解H-矩阵线性方程组的几种预处理迭代法[J]. 赵鑫,温瑞萍. 应用数学与计算数学学报. 2018(02)
[6]高精度重力仪的测量原理与发展现状[J]. 房丰洲,顾春阳. 仪器仪表学报. 2017(08)
[7]基于MATLAB的载流圆环磁场分布的动态仿真[J]. 徐胜男,任学智,位浩杰,展凯云,陈文娟. 大学物理实验. 2016(03)
[8]超导磁悬浮实验原理简析[J]. 路峻岭,秦联华,顾晨,任乃敬. 大学物理. 2016(06)
[9]应用于重力测量的超导磁悬浮系统电磁特性分析[J]. 胥靖文,王晖,胡新宁,王秋良,勾衬衬,周剑波,王浩. 低温与超导. 2016(04)
[10]重力仪器国外代表产品及国内研发最新进展[J]. 耿启立. 地质装备. 2016(01)
博士论文
[1]高温超导悬浮系统非线性动力特性实验与理论研究[D]. 黄毅.兰州大学 2016
[2]高精度绝对重力测量仪器与应用研究[D]. 李哲.清华大学 2016
[3]高精度绝对重力仪关键技术研究[D]. 吴琼.中国地震局地球物理研究所 2011
硕士论文
[1]超导重力仪器中超导线圈有效电感与间距关系的研究[D]. 任小龙.华中科技大学 2016
[2]载流线圈与迈斯纳超导体相互作用的有限元计算[D]. 赵坤雷.华中科技大学 2016
[3]超导重力仪器中超导线圈制作工艺研究及测试[D]. 张燕.华中科技大学 2014
[4]大气隙磁悬浮装置的力学特性研究[D]. 张亦静.武汉理工大学 2012
[5]各向异性电磁场数值计算法与MATLAB实现[D]. 吴敏敏.华侨大学 2008
[6]超导悬浮系统的悬浮力分析[D]. 王琳.中国科学院研究生院（电工研究所） 2006
本文编号：3093163
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