CN106018062A - 多环境场下超导材料力学性能测试设备 - Google Patents

多环境场下超导材料力学性能测试设备 Download PDF

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周又和
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Abstract

多环境场下超导材料力学性能测试设备，包括电子试验机单元、多物理场加载控制平台单元和数据采集与处理单元，其中电子试验机包括底座、真空低温箱、制冷机，真空低温箱包括观察窗、横梁、夹具及传感测量组件和磁体，多物理场加载控制平台单元包括温度控制模块、磁场控制模块、电流控制模块、真空控制模块和加载与测量模块，用于加载控制各个模块工作，本发明直接针对服役于复杂极端多环境场下的功能材料与结构（如超导等电磁类智能材料）的多学科、多场耦合等基础科学前沿问题的实验仪器和性能表征。同时，该研制设备也是目前国内外在设计理念和相关功能性指标上具有先进性和领先意义的多环境场超导材料力学性能的多功能测试装置。

Description

多环境场下超导材料力学性能测试设备
技术领域
本发明涉及超导材料性能测试领域，具体的涉及一种多环境场下超导材料力学性能测试设备。
背景技术
超导现象作为20世纪的最伟大的发现之一，具有非常广阔的应用前景。基于迈斯纳效应、零电阻等优越特性而在高新工程与技术领域表现出诱人的应用潜力。超导材料（高温、低温）就是基于这些优越特性发展起来的，如今，超导材料已经被广泛的运用到超导磁体的制造领域，而超导磁体在在大型科学装置、医疗设备、能源、国防军事等诸多领域有着非常重要的应用前景。
伴随着超导材料技术的快速发展，现代超导磁体磁场最高强度已由早期的0.5特斯拉增加到数十个特斯拉，但要是继续提高磁场的强度以满足国民经济发展的需要，其磁体间的洛伦兹力必将大大地提高，对超导材料的力学性能要求也越来越高。因此，从探索超导材料力学性能的角度出发，揭示在极端复杂条件下(低温、强电磁场) 超导材料的力学性能规律，提高超导磁体产生的背景磁场是当今工程界和学术界的迫切要求。
超导磁体(材料)在运行状态下(低温、强电磁场)不能达到其设计要求的大部分诱因来源于与其力学性能相关的结构不稳定、大应力、大变形、机械损伤和破坏等。因此，对于极端复杂耦合环境下，超导材料的力学性能测量的研究显得非常重要且具有挑战性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种多环境场下超导材料力学性能测试设备，以实现在极端复杂多环境场下对超导材料力学性能的测试，同时保证测量精度准，稳定性高及试验时间短的优点。
本发明的目的是这样实现的：多环境场下超导材料力学性能测试设备，包括电子试验机单元、多物理场加载控制平台单元和数据采集与处理单元，电子试验机单元分别与所述多物理场加载控制平台单元和数据采集与处理单元连接，其中电子试验机单元采用电子万能试验机，用于对测试样品机械力学的加载，所述电子万能试验机包括底座、真空低温箱、制冷机，真空低温箱安装在底座上，制冷机安装在真空低温箱背面，真空低温箱包括观察窗、横梁、夹具、传感测量组件和磁体，夹具之间用于放置试验样品，传感测量组件与夹具连接，横梁位于真空低温箱体的顶部，磁体位于真空低温箱体内部，磁体采用跑道型超导线圈绕制而成，夹具和传感测量组件安装在线圈内部的空腔中。
所述多物理场加载控制平台单元包括温度控制模块、磁场控制模块、电流控制模块、真空控制模块和加载与测量模块，加载与测量模块分别连接所述温度控制模块、磁场控制模块、电流控制模块、真空控制模块，
所述数据采集与处理单元具有磁学、电学、热学和力学（变形、力）数据采集、存储、检索和分析功能，是集多场性能参数检测、加（卸）载控制和多场行为测试为一体的集成软、硬件系统。
所述真空低温箱为一低温杜瓦，所述真空低温箱采用双重真空模式，其中内部空间为高真空室，箱体外壳采用真空隔热。
所述观察窗包括上、下两个观察窗。
所述制冷机包括两台制冷剂，两台制冷机的冷头立式安放于真空低温箱内部。
所述夹具具有不同类别，可实现对样品的力学性能（包括压缩、弯曲等）测量。
所述电子万能试验机进行加高改造和力学传感器的改造，加高改造是为了保证丝材的拉伸行程，而对力学传感器的改造，是考虑到了超导丝材的多尺度效应，通过运用更换不同力学传感器，可以精确的测量不同尺度下的超导丝材的力学效应。
本发明的优点在于：采用上述结构之后，可以对超导材料在多物理场下进行耦合测量，为刻画多场下超导材料的基本变形模式提供可靠的实验条件，其同时具有极低温/变温（实现较大低温变温区工作环境，室温~4.2K）、环境场多（实现温度、变电场（0~1000A）、变磁场（0~12T）、力学变形场等复杂多场环境以及可控与可调）、测试功能多（实现温度、电磁、变形、内部结构与损伤等多物理场相关的性能检测与表征）、材料与测试试样多元化（包括实现超导以及其他电磁和温度敏感材料的性能测试、测试试样的机械加载实现拉、压、弯多变形模式，以及包括标准试样、线材、带材、股线复合结构等），可实现多场多物理量性能的集成实验表征、测量精度和稳定性高（温度误差：精度小于±0.5％FS，磁场均匀度：小于1%；应变精度：小于示值的0.5%，应力精度：小于示值的0.5%）等。
附图说明
附图1为本发明的电子试验机的左视图；
附图2为本发明的多物理场加载控制平台的正视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明为一种多环境场下超导材料力学性能测试设备，包括电子试验机单元、多物理场加载控制平台单元和数据采集与处理单元，其中电子试验机单元采用电子万能试验机1，电子万能试验机1依据国标GB/T16491、GB/T2611、GB/T6825.1等，采用加宽、加高型设计，机架型式为门式预应力结构，加载方式为采用全数字伺服系统驱动，试验机相关性能参数：
试验力
最大试验力：200KN
有效测力范围：0.4%～100%FS
分辨力：1/300000
示值相对误差：±0.5%
负荷传感器：高精度200 KN、50KN、10KN、0.5KN、0.1KN、0.05KN多套传感器；
试验速度
调节范围：0.005～500mm/min（无级调速）
匀试验力速率、匀变形速率控制范围：0.01%～10%FS/S
匀试验力速率、匀变形速率控制误差：±0.5%
恒试验力、恒变形控制范围：0.5%～100%FS
控制误差：小于10%FS时为±1%，大于10%FS时为±0.1%
示值相对误差：±0.5%；
位移（移动横梁）
测量范围：0～999mm
分辨力：0.001mm
示值相对误差：±0.5%
变形
输出范围：0-5mm
有效测量范围：0.2%～100%FS
标距：50mm
分辨力：1/300000
示值相对误差：±0.5%
加载过程
采用伺服系统驱动，圆弧同步带轮减速，滚珠丝杠副传动，
实现无间隙传动，获得试验力和变形速度高精密控制。
电子万能试验机1包括底座8、真空低温箱4和制冷机，真空低温箱4为一低温杜瓦，此低温杜瓦采用双重真空模式，其中内部空间为高真空室，且杜瓦内腔有效尺寸为Æ500mm×L600 mm, 其内腔中央放置可以产生均匀环境磁场的低温超导磁体3，箱体外壳采用真空隔热，低温杜瓦安装在底座8上，制冷机安装在低温杜瓦背面，制冷机包括两台制冷剂，两台制冷机的冷头立式安放于低温杜瓦内部，低温杜瓦包括观察窗5、横梁2、夹具7、传感测量组件6和磁体3，都通过软密封方式安置于低温杜瓦内，其中观察窗5包括上下两个，用于实现无接触全局变形的CCD光测功能的需要，观察窗有效尺寸为Æ80mm，夹具7之间用于放置试验样品，传感测量组件6与夹具7连接，横梁2位于真空低温箱体4的顶部，磁体3采用跑道型超导线圈绕制而成，磁体3尺寸为（内径Æ120mm、外径Æ160mm）×L350mm，磁体3内部的有效磁场区域为Æ80mm´L250mm，最高磁场可达12T（均匀度≤3%）、变磁场（0～4.12T，均匀度≤1%），夹具7和传感测量组件6安装在线圈内部的空腔中，多物理场加载控制平台单元包括温度控制模块、磁场控制模块、电流控制模块、真空控制模块和加载与测量模块，数据采集与处理单元具有磁学、电学、热学和力学（变形、力）数据采集、存储、检索和分析功能，是集多场性能参数检测、加（卸）载控制和多场行为测试为一体的集成软、硬件系统。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (6)

1.多环境场下超导材料力学性能测试设备，其特征在于，包括电子试验机单元、多物理场加载控制平台单元和数据采集与处理单元，所述电子试验机单元分别与所述多物理场加载控制平台单元和数据采集与处理单元连接，
所述电子试验机单元采用电子万能试验机，所述电子万能试验机包括底座、真空低温箱和制冷机，所述真空低温箱安装在所述底座上，所述制冷机安装在所述真空低温箱背面，所述真空低温箱包括观察窗、横梁、夹具、传感测量组件和磁体，所述夹具之间放置试验样品，所述传感测量组件与所述夹具连接，所述横梁位于真空低温箱体的顶部，所述磁体安装在真空低温箱内部，所述磁体采用跑道型超导线圈绕制而成，所述夹具和传感测量组件安装在线圈内部的空腔中，
所述多物理场加载控制平台单元包括温度控制模块、磁场控制模块、电流控制模块、真空控制模块和加载与测量模块，所述加载与测量模块分别连接所述温度控制模块、磁场控制模块、电流控制模块、真空控制模块。
2.根据权利要求1所述的多环境场下超导材料力学性能测试设备，其特征在于，所述数据采集与处理单元为集成软、硬件系统，具有磁学、电学、热学和力学数据采集、存储、检索和分析功能。
3.根据权利要求1所述的多环境场下超导材料力学性能测试设备，其特征在于，所述真空低温箱为一低温杜瓦，所述真空低温箱采用双重真空模式，其中内部空间为高真空室，箱体外壳采用真空隔热。
4.根据权利要求1所述的多环境场下超导材料力学性能测试设备，其特征在于，所述观察窗包括上、下两个观察窗。
5.根据权利要求1所述的多环境场下超导材料力学性能测试设备，其特征在于，所述制冷机包括两台制冷剂，两台制冷机的冷头立式安放于真空低温箱内部。
6.根据权利要求1所述的多环境场下超导材料力学性能测试设备，其特征在于，所述电子万能试验机的机架方式采用门式预应力结构。
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