CN106018707B - 强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统 - Google Patents

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Abstract

强磁场环境下力‑电耦合加载与非接触式光测变形系统，包括试验机模块、磁场模块、电源模块、非接触式光测变形模块、加载控制模块和数据与图像采集处理模块，所述磁场模块安装在试验机模块的试验机内部，电源模块为两个大功率电源，分别用于所述低温超导磁体的电源和对样品的电流加载电源，非接触式光测变形模块包括CCD相机，加载控制模块用于对样品的磁场、光‑电耦合和光测变形进行加载与控制，本发明采用无液氮干式制冷超导磁体方式，且能对样品进行非接触式CCD光学全场变形测量，并实现低高温超导材料（线材、带材）载流的加载和控制(0~1000A)，具有适用范围大、温度误差小、磁场度均匀、试验精度准确、稳定性高和操作简单的优点。

Description

强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统
技术领域
本发明涉及超导材料性能测试领域，具体的涉及强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统。
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)在强电磁场环境下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，对于强电磁场环境下，超导材料的力-电性能测量和光测变形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，提供一种强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，以实现在强磁场环境下、超导材料力-电性能的测试以及光测变形的研究，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：强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，包括试验机模块、磁场模块、电源模块、非接触式光测变形模块、加载控制模块和数据与图像采集处理模块，
试验机模块包括一台万能试验机，万能试验机采用门式预应力结构，用于测试样品的力学性能，万能试验机包括一真空箱，真空箱安装于式预应力结构下部，真空箱为一双层真空的低温杜瓦，低温杜瓦内部为高真空室，外壳为真空隔热模式，杜瓦正面有上下两个观察窗，
磁场模块安装于杜瓦内部，磁场模块包括低温超导磁体、制冷机、高斯计和温度探头，低温超导磁体为二极磁体结构，采用跑道型超导线圈绕制而成，磁体内部空腔用于安放样品，制冷机安装在杜瓦背部，所制冷机采用多级冷头方式，冷头立式安放于杜瓦内部，温度探头工作端连接在磁体上，温度探头自由端与数据与图像采集处理模块连接，用于对磁体实时监控和进行温度加载的调控，
电源模块包括两个大功率电源，两个大功率电源分别用于低温超导磁体的电源和对样品的电流加载电源，
非接触式光测变形模块包括CCD相机，
数据与图像采集处理模块具有磁学、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。
所述观察窗包括上、下两个观察窗。
所述制冷机包括两个冷头，其中一级冷头冷却功率50W、冷却量55K，二级冷头冷却功率1.5W、冷却量4.2K。
所述低温超导磁体的电源采用专门的SMS超导电源，用于实现自动恒流与恒压控制切换，和实现对磁体充放电过程的加电速率和恒流电压的分段设置。
所述万能试验机采用全数字伺服系统驱动。
所述磁场模块还包括低温霍尔片，所述低温霍尔片配合6个通道的高斯计实现对磁场的准确测量。
所述加载控制模块用于对样品的磁场、光-电耦合和光测变形进行加载与控制。
本发明的优点在于：
1、采用无液氦干式制冷超导磁体与样品空间一体化，有效减小研制设备的体积和重量，制冷温度最低达77K～4.2K，磁场最大强度：~12T，磁场均匀度：≤1%，环境磁场的大小通过超导线圈的载流强度来进行控制与调节，磁体电源采用专门的超导电源（其功能包括了自动恒流、恒压控制与切换，特殊情况下的快速放电与保护，以及对磁体线圈充、放电过程的速率、恒流、电压的可控等），实现实验区域内的不同磁场强度的需要；
2、样品的电流加载采用更高电流输出的大功率电源，最大功率：1250W、电流范围：0~1000A、恒流电压：+10V~-4V、电流稳定：1mA/h、10mA/24h，具备开路、短路检测功能以及远程接口等。
3、采用非接触式CCD光学全场变形测量系统，该测量方法的实现可以大大提高超导丝材的测量精度，为超导复合结构的等效参数的研究提供更高精度的测量实验数据。
4、对传统的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。
附图说明
附图1为本发明的跑道型低温超导磁体的结构示意图；
附图2为本发明的非接触式CCD光学全场变形测量系统的光路测量图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，其特征在于，包括试验机模块、磁场模块、电源模块、非接触式光测变形模块、加载控制模块和数据与图像采集处理模块。
试验机模块包括一台万能试验机，此万能试验机采用门式预应力结构，采用加宽、加高型设计，加载方式为全数字伺服系统驱动，用于测试样品的力学性能，相关性能参数为：
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。
万能试验机还包括一真空箱，真空箱安装于门式预应力结构下部，真空箱为一双层真空的低温杜瓦，最低冷却温度4.0K，低温杜瓦内部为高真空室，外壳为真空隔热模式，低温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。
磁场模块包括低温超导磁体、制冷机、高斯计和温度探头，低温超导磁体为二极磁体结构，采用跑道型超导线圈绕制而成，磁体尺寸：（内径Æ120mm、外径Æ160mm）×L350mm，磁体内部空腔用于安放样品，磁体内部的有效磁场区域：Æ80mm´L250mm，最高磁场可达12T（均匀度≤3%）、变磁场（0～4.12T，均匀度≤1%）。
制冷机安装在杜瓦背部，用于磁体的工作温度冷却，制冷机采用多级冷头方式，确保冷却效率：一级冷头冷却功率50W、冷却量55K，二级冷头冷却功率1.5W、冷却量4.2K，2支冷头立式安放于杜瓦内部。
温度探头工作端连接在磁体上，温度探头自由端与数据与图像采集处理模块连接，用于对磁体实时监控和进行温度加载的调控，
超电源模块包括两个专门定制的大功率电源， 1台用于超导磁体的电源、1台用于电磁材料样品的电流加载电源；超导磁体供电采用专门的SMS超导电源，可提供宽范围的电流和电压输出：±600A/5V、电流输出分辨率：≤10mA，实现自动恒流、恒压控制切换，对磁体充放电过程的加电速率和恒流电压可实现分段设置，具备针对磁体的失超检测和保护功能、实现特殊情况下的快速放电等；磁材料试件的电流加载采用更高电流输出的大功率电源，最大功率：1250W、电流范围：0~1000A、恒流电压：+10V~-4V、电流稳定：1mA/h、10mA/24h，具备开路、短路检测功能以及远程接口等。
非接触式光测变形模块包括CCD相机，CCD相机（德国）的参数为：位移精度：0.005像素，应变精度：15微应变，应变测量范围：0.01%-3000%，高倍镜头: 12倍变焦，分辨率：1392×1040，最大拍摄速度：10-15张/秒，采集与接口：1394卡、网卡等。
数据与图像采集处理模块具有磁学、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，其中磁场测量功能采用低温霍尔片配合多通道的高斯计实现，所需测量仪器及传感器的技术参数，通道数：6个，高斯计测量范围：0.001mG~30kG，准确度：±0.05%，计算机接口：IEEE-488、RS-232、USB，刷新率：5次/秒，RS-232和IEEE-488 100次/秒。
测试时，加载控制模块启动电源驱动磁体产生磁场，在强磁场环境下，对样品分别进行机械力学性能测试、电学性能测试以及通过CCD相机进行非接触式光学全场变形测量，测试所得到数据传输到数据与图像采集处理模块，由于数据与图像采集处理模块具有磁学、电学、热学、力学（变形、力）数据采集、存储、检索与分析等功能，能够集多场性能参数检测、加（卸）载控制和多场行为测试为一体，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。
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 (7)

1.强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，其特征在于，包括试验机模块、磁场模块、电源模块、非接触式光测变形模块、加载控制模块和数据与图像采集处理模块，所述试验机模块分别连接所述磁场模块、电源模块、非接触式光测变形模块、加载控制模块和数据与图像采集处理模块，所述磁场模块还与电源模块连接，
所述试验机模块包括一台万能试验机，所述万能试验机采用门式预应力结构，用于测试样品的力学性能，所述万能试验机包括一真空箱，所述真空箱安装于所述门式预应力结构下部，所述真空箱为一双层真空的低温杜瓦，所述低温杜瓦内部为高真空室，外壳为真空隔热模式，所述杜瓦正面有观察窗，
所述磁场模块安装于杜瓦内部，所述磁场模块包括低温超导磁体、制冷机和温度探头，所述低温超导磁体为二极磁体结构，采用跑道型超导线圈绕制而成，所述磁体内部空腔用于安放样品，所述制冷机安装在所述杜瓦背部，所述制冷机采用多级冷头方式，所述冷头立式安放于所述杜瓦内部，所述温度探头工作端与所述磁体连接，所述温度探头自由端与所述数据与图像采集处理模块连接，用于对磁体实时监控和进行温度加载的调控，
所述电源模块包括两个大功率电源，两个所述大功率电源分别用于所述低温超导磁体的电源和对样品的电流加载电源，
所述非接触式光测变形模块包括CCD相机，
所述数据与图像采集处理模块包括高斯计，所述高斯计用于磁场度测量。
2.根据权利要求1所述的强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，其特征在于，所述观察窗包括上、下两个观察窗。
3.根据权利要求1所述的强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，其特征在于，所述制冷机包括两个冷头，其中一级冷头冷却功率50W、冷却量55K，二级冷头冷却功率1.5W、冷却量4.2K。
4.根据权利要求1或3所述的强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，其特征在于，所述低温超导磁体的电源采用专门的SMS超导电源，用于实现自动恒流与恒压控制切换，和实现对磁体充放电过程的加电速率和恒流电压的分段设置。
5.根据权利要求1所述的强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，其特征在于，所述万能试验机采用全数字伺服系统驱动。
6.根据权利要求1所述的强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，其特征在于，所述数据与图像采集处理模块还包括低温霍尔片，所述低温霍尔片配合6个通道的高斯计实现对磁场的准确测量。
7.根据权利要求1所述的强磁场环境下力-电耦合加载与非接触式光测变形系统，其特征在于，所述加载控制模块用于对样品的磁场、光-电耦合和光测变形进行加载与控制。
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