CN100492012C - 力、电、磁耦合试验测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能同时进行力、电、磁耦合试验测量装置。该装置的步进电机(1)带动过渡件(6)转动，由于两限位块(9)的作用，使与过渡件(6)连接的过渡杆(10)作垂直移动，带动载荷传感器(12)、移动杆(20)、绝缘过渡件(24)、上夹具(25)发生垂直移动，实现对样品(29)进行轴向拉伸或压缩。载荷值由载荷传感器(12)记录；通过一直流恒压源提供电场，实验过程中采用标准四引线法进行电流电压值的测量；外加磁场由超导磁体容器(22)提供。该装置为进行材料相关耦合性质的研究提供一种实验手段。

Description

力、电、磁耦合试验测量装置

技术领域

本发明涉及一种力、电、磁耦合试验测量装置，属于测量技术领域。

背景技术

新材料的发展是支撑现代科技进步的基石之一。随着人类活动领域的不断扩展，许多材料的使用环境异常复杂，往往要同时满足多项性能要求。例如，压电材料在使用中要同时考虑其力学和电学性能，超导磁体在使用中往往要承受机械载荷、电场和磁场的同时作用。

研究发现，许多材料在上述不同类型载荷(机械、电、磁等)同时作用下，往往表现出复杂性质。例如，有些超导材料在单一机械载荷或单一外加磁场作用下，其超导性能较为优良，但在机械载荷和外加磁场同时作用下，超导性能发生急剧下降，这时很难通过单独测量这类材料的临界机械强度和临界磁性质而给出其在机械载荷和磁场同时作用下的超导电学性质，事实上，大多数材料都具有类似现象。不失一般性，材料的力、电关系和电、磁关系可表示为

f(P，I)＝0，g(I，C)＝0

上式中P、I、C分别代表力学中的载荷、电学中的电流和磁学中的磁场强度参量，f、g分别表示它们存在的某种函数关系。

那么，即使通过传统实验方法分别得到上面两个关系式的具体表示形式，也无法给出方程：k(P，I，C)＝0的具体形式，这里k表示这三种完全不同类型载荷(机械、电、磁)同时作用下，材料所表现出来的特性。

因此，从新材料研究和工程应用角度出发，实验过程中必须要同时进行多参数输入和多参数测量，这在现有传统实验设备上是很难实现的，目前还没有发现一套能同时测量力、电、磁耦合的试验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题：设计一套能同时进行力、电、磁三场耦合作用材料性能研究的试验装置。

本发明的技术方案：一种力、电、磁耦合试验测量装置；固定在电机支座上的步进电

机的输出轴，通过紧固夹具与第一过渡件的一端连接；

第一过渡件的另一端与第二过渡件的一端螺纹连接；

第二过渡件的圆柱形部位与轴承及其支座中的轴承配合，第二过渡件的方形部位置于左右两块限位块之间，第二过渡件的另一端用螺母与载荷传感器的一端连接；

第一支撑杆的两端分别与电机支座和轴承及其支座螺纹连接；

用螺钉将两限位块对称固定在轴承及其支座上；

第二支撑杆的两端分别与轴承及其支座和上法兰螺纹连接；

波纹管的一端与密封金属垫焊接，波纹管的另一端焊接在上法兰的中部，并保证密封；

上法兰和下法兰用螺栓螺母固定，其间由密封圈密封；

密封金属垫焊接在移动杆的一端，移动杆的一端用螺母与载荷传感器的另一端连接；

移动杆另一端穿过焊接于上法兰和上支撑件间的固定管，与绝缘过渡件的一端螺纹连接；

超导磁体容器的开口端与下法兰焊接；

反向支撑杆的两端分别焊接在上支撑件和底座上；

绝缘过渡件的另一端与上夹具螺纹连接；

环形加热箍固定在底座下部的圆盘状基座上；

热电偶温度计安装在上夹具和底座上的钻孔中；

支撑件与反向支撑杆连接；

超导磁体容器为内外双层薄壁容器，内有热电偶温度计有底座所受载荷通过反向支撑杆、上支撑件和固定管将载荷施加在上法兰上，夹持样品的上下夹具中均各有一个梯形垫片和一个平垫片，加热器固定在底座上；

样品的上端固定在上夹具上，样品的下端与底座固定；

接线座安装在上法兰上。

本发明的关键技术就是要在一套装置上能同时实现力、电、磁测量。在本发明中，机械载荷通过一步进电机旋转，利用机械转换机构将电机旋转运动转换成直线运动，对试件进行轴向加载，载荷值由力传感器记录；电场通过一直流恒压源提供，实验过程中采用标准四引线法进行电阻值测量；外加磁场由高温超导磁体提供。

本发明的有益效果：

目前工程上广泛应用的一些功能材料往往不仅要具有一定的机械强度，而且同时要实现某种功能，例如具有一定的导电或抗磁性质。为此，对这些材料在设计时必须同时考虑其力、电和磁学性质，本发明为开展相关研究提供一种实验手段。

附图说明

图1力、电、磁耦合试验测量装置示意图。

图中：步进电机1、固定螺栓2、电机支座3、固定螺栓4、紧固夹具5、过渡件6、支撑杆7、轴承及其支座8、限位块9、过渡杆10、支撑杆11、载荷传感器12、密封金属垫13、波纹管14、接线座15、密封垫16、上法兰17、密封圈18、下法兰19、移动杆20、固定管21、超导磁体容器22、上支撑件23、绝缘过渡件24、上夹具25、固定螺栓26、梯形垫片27、反向支撑杆28、样品29、平垫片30、热电偶温度计31、底座32、加热箍33。

图2紧固夹具图

图3Bi(2223)高温超导带材外加载荷与临界电流密度的关系。

具体实施方式

以附图1为实施方式对本发明作进一步说明：

步进电机1选用日本进口RS250型，电机座沿圆周均布有四个Φ6光孔。

电机支座3设计为与电机座直径相等的圆盘，中间开通孔让电机输出轴自由穿过，在与步进电机座上的安装孔相对应的直径上均布四个螺纹孔，通过固定螺栓2与电机支座3固定，另外在电机支座3的下底面对称加工两螺纹孔，用于与支撑杆7拧紧。

紧固夹具5如图2所示，为一环形紧固夹具，通过拧紧螺栓4和螺母，将电机的输出轴和过渡件6的一端紧固在一起。

过渡件6为一台阶轴，其一端的直径和电机输出轴相同，在另一端的端面中心设一螺纹孔，用于和过渡杆10的一端连接。

支撑杆7和11均在两端加工一定长度的螺纹，分别与电机支座3、轴承及其支座8、上法兰15拧紧。

轴承镶嵌在支座的中心孔中，构成轴承及其支座8。在支座的任一中心线对称设六个螺纹孔，其内一对螺纹孔用螺钉将限位块9固定在支座上；中间一对螺纹孔用于与支撑杆7拧紧；最外一对螺纹孔用于与支撑杆11连接。

限位块9为两块中间各开一通孔的长方体不锈钢块。

过渡杆10两端为螺纹杆，中间部位一段为圆形，一段为方形截面，其圆柱形段与轴承及其支座8中的轴承配合，方形段和左右两块限位块9紧靠在一起。

载荷传感器12的两端通过螺母与移动杆20的一端和过渡杆10的另一端连接。

密封金属垫13中心开一孔，分别与波纹管14的一端、移动杆20的一端焊接在一起，并保证密封。波纹管14的另一端焊接在上法兰17的中部，并保证密封。

上法兰17上开一中心孔，保证移动杆20自由穿过；上法兰17的左侧开设一台阶孔，在孔内固定一接线座15，通过密封垫16密封，上法兰17和接线座15之间通过螺钉固定；这样，通过接线座15上、下端面的引线接头，将容器内的信号引出容器外，再通过相关仪器检测记录。上法兰17上还加工两个螺纹孔，用于与支撑杆11连接。

下法兰19的上面加工一环形槽，用于放置密封圈18密封，下法兰19通过螺栓、螺母和上法兰17拧紧。

移动杆20的两端加工有螺纹，其一端与载荷传感器12和密封金属垫13连接，另一端穿过固定管21与绝缘过渡件24螺纹连接。

固定管21为一圆管，一端安装并焊接在上法兰17的中间孔中，另一端安装并焊接在上支撑件23的中心孔中。

超导磁体容器22为选用磁场强度为8特斯拉的标准超导容器，图1中只给出内外壁示意，因是标准设备，没有画出详细结构，超导磁体容器22的开口端与下法兰19焊接。

上支撑件23为圆盘结构，中间加工—圆孔，用于安装并与固定管20的一端焊接在一起。

上支撑件23为圆盘结构，上下均通过焊接与固定管21、反向支撑杆28联结。

绝缘过渡件24为一圆柱体，两端设螺纹孔与移动杆20、上夹具25均为螺纹联结。

上夹具25为目前材料试验机选用的标准板材拉伸实验夹具。

反向支撑杆28的两端分别焊接在上支撑件23和底座32上。

底座32上部分也是标准板材拉伸实验夹具结构，只是在下部分增加一圆盘状基座，用来固定环形加热箍33和反向支撑杆28。

上夹具25、底座32上分别钻一Φ3孔，用来安装热电偶温度计31。

力、电、磁耦合试验测量装置的结构及工作原理：

步进电机1通过固定螺栓2固定在电机支座3上，再通过支撑杆7、轴承及其支座8和支撑杆11，最终固定在上法兰17上。步进电机1的输出轴通过固定螺栓4和紧固夹具5与过渡件6紧固在一起，使步进电机1的转动带动过渡件6一起转动。过渡件6由轴承及其支座8支撑，而且能与轴承内圈一起自由转动。轴承支座下端面固定两块方形限位块9。过渡件6下部分中间有一螺纹孔，与过渡件10螺纹连结，这样过渡件6转动会带动过渡杆10产生转动，但由于限位块9的限制作用，只允许过渡杆10发生上下移动、不允许转动，这部分机构的工作原理类似于涡轮蜗杆机构，主要是将步进电机的旋转运动转化为垂直移动。

过渡杆10垂直移动，带动载荷传感器12、移动杆20、绝缘过渡件24、上夹具25发生垂直移动，最终实现对样品29进行轴向拉伸或压缩。因为超导磁体容器22工作时必须进行密封，为了实现密封，又能保证移动杆20上下自由移动，从而实现对样品的垂直加载，密封部分必须采用波纹管14这样的弹性大变形密封过渡件。另外，因为实验装置中绝大多数部件均为金属件，绝缘过渡件24的作用是样品上焊线进行电测量时，保证电流只在样品上流过，不会通过连结件部分产生其它旁路。

超导磁体容器22为标准商用仪器，为内外双层薄壁容器，下端面内壁不能承受机械载荷，这样样品垂直加载过程中，底座32所受载荷通过反向支撑杆28、上支撑件23和固定管21将载荷施加在上法兰17上，从而避免对容器壁的直接承载。此外，夹持样品的上下夹具中均各有一个梯形垫片27和一个平垫片30，这样能保证在拉伸过程中越拉越紧，避免样品打滑。加热器33固定在底座32上，用来进行升温，热电偶温度计31用来测量实验温度。

实验时利用步进电机1加载，载荷由载荷传感器12记录，磁场由超导磁体容器22提供，实验前在样品上焊四根线(两根电流线、两根电压线)，分别通过接线座15连接到外面的恒流源和万用表(图中未画)进行电流输入和电压测量。

下面以Bi(2223)银包套高温超导带材液氮温度下力、电耦合实验为例(要同时加磁场也非常简单，只需通过超导磁体容器22设置不同磁场力)，实验结果见图3，测量步骤主要包括：

一、连结测量系统，在样品上焊四根线(两根电流线、两根电压线)，分别通过接线座15与外面的恒流源和万用表连接，实验时进行电流输入和电压测量。

二、固定样品，利用步进电机加载到预定值(通过载荷传感器确定)，保持该载荷值，利用恒流源从低到高依次加电流，同时测量其电压值，记录在机械载荷作用下的电流～电压关系。

三、通过步进电机继续加载改变机械载荷，测量不同力值条件下电流～电压关系。

四、给出实验结果，绘图得到Bi(2223)高温超导带材外加载荷与临界电流密布的关系，如图3所示。其中这里临界电流密布已进行归一化处理，即图中纵坐标给出的是不同载荷时的临界电流密布除以无外载时的临界电流密布值。

Claims (1)

1.一种力、电、磁耦合试验测量装置，其特征在于：

固定在电机支座(3)上的步进电机(1)的输出轴，通过紧固夹具(5)与第一过渡件(6)的一端连接；

第一过渡件(6)的另一端与第二过渡件(10)的一端螺纹连接；

第二过渡件(10)的圆柱形部位与轴承及其支座(8)中的轴承配合，第二过渡件(10)的方形部位置于左右两块限位块(9)之间，第二过渡件(10)的另一端用螺母与载荷传感器(12)的一端连接；

第一支撑杆(7)的两端分别与电机支座(3)和轴承及其支座(8)螺纹连接；

用螺钉将两限位块(9)对称固定在轴承及其支座(8)上；

第二支撑杆(11)的两端分别与轴承及其支座(8)和上法兰(17)螺纹连接；

波纹管(14)的一端与密封金属垫(13)焊接，波纹管(14)的另一端焊接在上法兰(17)的中部，并保证密封；

上法兰(17)和下法兰(19)用螺栓螺母固定，其间由密封圈(18)密封；

密封金属垫(13)焊接在移动杆(20)的一端，移动杆(20)的一端用螺母与载荷传感器(12)的另一端连接；

移动杆(20)另一端穿过焊接于上法兰(17)和上支撑件(23)间的固定管(21)，与绝缘过渡件(24)的一端螺纹连接；

超导磁体容器(22)的开口端与下法兰(19)焊接；

反向支撑杆(28)的两端分别焊接在上支撑件(23)和底座(32)上；

绝缘过渡件(24)的另一端与上夹具(25)螺纹连接；

环形加热箍(33)固定在底座(32)下部的圆盘状基座上；

热电偶温度计(31)安装在上夹具(25)和底座(32)上的钻孔中；

支撑件(23)与反向支撑杆(28)连接；

超导磁体容器(22)为内外双层薄壁容器，内有热电偶温度计(31)、有底座(32)所受载荷通过反向支撑杆(28)、上支撑件(23)和固定管(21)将载荷施加在上法兰(17)上，夹持样品的上下夹具中均各有一个梯形垫片(27)和一个平垫片(30)，加热器(33)固定在底座(32)上；

样品(29)的上端固定在上夹具(25)上，样品(29)的下端与底座(32)固定；

接线座(15)安装在上法兰(17)上。

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