CN107941261B - 一种传感器设备低温测试台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器设备低温测试台，其特征在于，包括恒温器、综合工装台和预加载装置；所述恒温器内设有一液氦池，所述综合工装台位于所述液氦池内；所述预加载装置包括真空管、传动单元和力加载控制单元，传动单元位于真空管内，力加载控制单元与传动单元连接，力加载控制单元与真空管密封连接，所述真空管通过法兰与所述恒温器的顶部开口密封连接；所述综合工装台的最外层为真空盒，所述真空盒与所述预加载装置的真空管密封连接，所述真空盒内部设有用于安装待测传感器设备的测试工装，所述真空管内的传动单元与所述测试工装连接。本发明测试成本低、效率高，便于操作，易于实现连续变化温度下低温传感器性能的测量。

Description

一种传感器设备低温测试台

技术领域

本发明涉及一种传感器设备低温测试台，属于粒子加速器、超导低温技术领域。

背景技术

传感器低温测试台是开展超导低温技术和设备研究的重要组成部分，它是一套由多种材料构成的测试平台系统。其设计工作温度一般分为80K、4.2K和2K等几个温度，主要作用是对应用于低温下的传感器性能进行测试，通过低温测试平台模拟低温下传感器的工作状态，分析其性能是否满足实际工作需求，为传感器的实际工程应用提供技术参考；并且可以在此平台上开展新型低温传感器，以及低温材料等的研发测试。

近年来超导加速器技术进入了快速的发展阶段，国内外多个大型的超导加速器项目也应运而生，如美国正在建造的直线加速器相干光，多个国家计划联合建造的未来国际直线对撞机、大型环形对撞机，以及将要建造的上海自由电子激光装置等。这些超导加速器工程需要的低温传感器设备数量很大，如超导腔调谐器设备所需要的低温电机、压电陶瓷、压力传感器等，每个工程的需求量都在几百到上千套。这些低温传感器设备的工作性能对整个项目的正式运行都起着很重要的作用，并且在项目设计研制阶段也需要根据物理和功能需求对传感器进行选型、测试，甚至是为项目单独开发所需传感器。

低温电机、压电陶瓷、压力传感器的性能需要进行常温、低温、真空，以及不同负载等环境下的长时间测试，看其工作性能、寿命周期等是否满足工程需要。由于低温测试需求多样，而且测试流程复杂，一个传感器需要在不同平台下进行多种测试。为了提高低温传感器的测试效率，压缩测试周期，并且满足测试设备对不同测试环境的需求，要有一套高效率，多功能的传感器低温测试平台。

目前国内尚无专门用于超导腔调谐器上所用低温电机、压电陶瓷、压力传感器的低温测试台，国外都是利用各自实验室的超导腔水平测试恒温器，在此恒温器上进行调谐器的总装集成，并进行低温测试，如图1所示为超导腔水平测试恒温器的原理图。

此水平测试恒温器主要由恒温器外筒、液氮冷屏、超导腔，以及外部真空泵等几部分组成。超导腔调谐器所用的低温传感器设备：低温电机、压电陶瓷、压力传感器等低温设备与调谐器机械机构组装好后，安装到超导腔的一端。将传感器与组装好的超导腔整体装入恒温器内部，密封接口，分别用真空泵对超导腔和恒温器内部进行抽真空检漏等工作，当真空值满足一定要求后进行降温测试。

此方案存在以下缺点和不足：

(1)此恒温器体积大，测试需要的液氦量大，增加了测试成本；真空密封接口多，组装复杂；降温和复温需要的周期长。由于此种测试需要将液氦注入超导腔液氦槽内进行降温测试，需要对超导腔、液氦槽、传感器安装固定结构等进行降温，导致测试需要的液氦成本增加，测试周期也比较长，并且降温速率难控制。

(2)需要将低温电机、压电陶瓷、压力传感器等集成到一起后才能满足测试时的加载，及监测条件要求，不能对三种低温传感器设备分开单独进行测试；

(3)传感器的加载力和位移范围有限：由于传感器的加载力是超导腔作为负载提供的，超导腔的弹性系数一定，并且拉伸量有限，如果拉伸位移过大则会导致超导腔发生塑性变形。

以上三点在一定程度上影响了低温电机、压电陶瓷和压力传感器的规模测试，测试成本高，效率低，并且存在一定的设备安全隐患，不利于超导加速器的大规模发展和应用。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种传感器设备低温测试台。

本发明的技术方案为：

一种传感器设备低温测试台，其特征在于，包括恒温器、综合工装台和预加载装置；所述恒温器内设有一液氦池，所述综合工装台位于所述液氦池内；所述预加载装置包括真空管、传动单元和力加载控制单元，所述传动单元位于所述真空管内，所述力加载控制单元与所述传动单元连接，所述力加载控制单元与所述真空管密封连接，所述真空管通过法兰与所述恒温器的顶部开口密封连接；所述综合工装台的最外层为真空盒，所述真空盒与所述预加载装置的真空管密封连接，所述真空盒内部设有用于安装待测传感器设备的测试工装，所述真空管内的传动单元与所述测试工装连接。

进一步的，所述恒温器的最外层为恒温器的外筒、中间层为液氮冷屏、内层为所述液氦池，三者在顶部密封固定在一起；所述外筒与所述液氮冷屏之间为真空层，所述液氮冷屏与所述液氦池之间为真空层；所述液氮冷屏设有液氮进管和氮气出管，所述液氦池设有液氦进管、氦气出管和真空抽口。

进一步的，所述传动单元包括一传动密封轴、滑动板、导轨和位于所述真空管内的螺纹套管、补偿弹簧、压缩套管和螺杆，所述滑动板与所述真空管密封连接；所述传动密封轴安装于所述滑动板上，所述传动密封轴一端与所述力加载控制单元连接、另一端与所述补偿弹簧的上端连接，所述补偿弹簧的下端分别与所述压缩套管、螺杆的一端连接，且所述螺杆位于所述压缩套管内；所述滑动板能够沿所述导轨运动。

进一步的，所述测试工装包括主臂和位于所述主臂下方的固定板，所述主臂上表面设有带孔的第一隔热板，所述固定板上表面设有带孔的第二隔热板、下表面设有导热板；所述压缩套管的另一端与所述第一隔热板连接，所述螺杆非接触地穿过所述第一隔热板和所述主臂中心的圆孔，所述螺杆与所述第二隔热板上的锁紧螺母连接；所述主臂一端与所述固定板用柔性铰链连接固定、另一端安装待测传感器设备。

进一步的，所述传感器设备包括低温压力传感器、压电陶瓷、低温电机；主臂另一端上设有凹槽，低温传感器一端嵌入凹槽内；压电陶瓷上端通过一螺杆与低温压力传感器连接，压电陶瓷下端与测试工装的副臂表面直接接触，其中副臂位于主臂下方且与主臂平行；低温电机的机体通过电机支架固定在所述固定板上，低温电机的转轴螺杆与副臂一端的转轴螺孔进行连接，副臂另一端通过转轴与所述固定板连接。

进一步的，当单独对电机测试时，将压电陶瓷和压力传感器的位置采用钢柱替换；当单独对压电陶瓷进行测试时，电机位置处替换为一固定杆，固定杆一端与副臂的电机丝杠的安装孔固定，另一端与电机固定架固定，保证固定杆垂直，并将压力传感器替换为一尺寸匹配的钢柱；当单独对压力传感器进行标定测试时，将压电陶瓷的位置换成钢柱，电机位置换为固定杆。

进一步的，所述真空管的上端为一段波纹管；所述波纹管与所述滑动板密封连接。

进一步的，所述导轨的下端与所述法兰连接，所述导轨的上端与所述滑动板之间连接一位移传感器；所述螺纹套管与所述补偿弹簧之间设有一压力传感器。

进一步的，所述力加载控制单元包括一步进电机和电机固定架，所述步进电机与所述传动密封轴连接，所述电机固定架安装于所述滑动板上。

进一步的，所述真空管位于所述恒温器内的部分的外侧上设有多个隔热层；所述恒温器为竖直恒温器。

本发明具有的特点包括：

(1)缩小测试恒温器体积，并对恒温器结构重新进行设计优化，并且满足在连续变化温度区间内进行传感器性能的测试：将恒温器由卧式改为竖直放置，并对结构尺寸进行优化调整，减小占地空间和面积；在恒温器内部单独增加液氦池，将恒温器外筒、液氮冷屏和液氦池三个部分集成为一体，进一步优化了空间和设备的功能结构，当设备降温时只需向液氦池注液即可，不再需要对超导腔等设备进行降温冷却；恒温器外筒与液氮冷屏、液氦池之间均为隔热真空，既节省了测试液氦的用量，又减小了冷却的质量，降低了测试的成本，并缩短了降温注液和超导腔的复温周期。

(2)根据低温电机、压电陶瓷和低温传感器的测试需求，设计一个综合性的测试工装，以及负载力监测装置：测试工装的底部设有一固定板，固定板下面设有导热板用来做支撑和向固定板传递热量，固定板再将热量传递给主臂和要测试的传感器设备，对其进行降温，固定板上面设有隔热板，用来隔离锁紧螺母与固定板之间的热量传输；隔热板连接在螺杆上，螺杆通过锁紧螺母进行固定锁紧，导热板直接与固定板固定连接；测试工装的主臂一端与底部固定板用柔性铰链连接固定，另一端主臂上的凹槽与低温传感器直接接触，低温传感器有一半嵌入凹槽内；压电陶瓷上端通过螺杆与低温压力传感器进行固定连接，压电陶瓷的下端与测试工装的副臂表面直接接触；低温电机的机体通过电机支架固定在工装固定板上，电机的转轴螺杆与副臂右端的转轴螺孔进行连接(工装副臂左端通过转轴与固定板连接)，主臂的中间位置通过外部施加作用力，并通过外部设备测量负载力大小。当单独对电机测试时，压电陶瓷和压力传感器的位置可以用不锈钢柱替换；当单独对压电陶瓷进行测试时，电机位置处安装一固定杆，固定杆一端与副臂右端原电机丝杠的安装孔固定，另一端与电机固定架固定，保证固定杆垂直，并将压力传感器替换为一个尺寸一样的不锈钢柱即可；当单独对压力传感器进行标定测试时，只需要将压电陶瓷的位置换成不锈钢柱，电机位置换为固定杆。这样既能够对三种低温设备进行单独的测试，又能够进行集成化测试。

(3)在恒温器顶部增加预加载装置，使其能够满足不同负载力下测试的要求，并且负载力和位移能够在极大范围内连续可调：在预加载装置的顶法兰中心开孔，孔外焊接波纹管进行真空密封和位移可动调节，在顶法兰下部孔的中间部分安装压缩套筒将负载力传递到工装上，在补偿弹簧的顶部安装常温压力传感器，用来实时测量负载力的大小。

如图2所示为本申请的一种传感器低温测试台的设计方案示意图。本方案设计的传感器低温测试台系统主要由小型竖直恒温器、综合工装台、预加载装置等多个部分组成。一次能够满足多种低温传感器的低温性能测试，以及单独性能测试，测试温度由常温至2K低温，负载力连续可调，能够提高测试效率，节省测试成本，并提高了测试设备的安全性。

①小型竖直恒温器：

如图3所示为小型竖直恒温器结构和安装示意图，最外层是恒温器外筒，中间层是液氮冷屏，内层为液氦池，三者在顶部进行密封固定在一起。恒温器外筒与液氦池中间为隔热真空层，液氮冷屏则位于隔热真空之中，起到减小低温漏热的作用。液氮冷屏焊接有液氮进管和氮气出管给其降温冷却，液氦池焊接液氦进口和氦气出口给液氦池注液降温。液氦池开有真空抽口，起到抽真空进行氦气置换的作用。此小型恒温器通过真空泵一直维持隔热层的真空状态，其体积小，易于安装，操作简单，不需要破坏隔热真空等，并且可以不与低温制冷系统连接，从外部直接灌入液氮和液氦进行降温测试。

②综合工装台：

如图4所示为综合工装台系统的结构示意图。最外层为真空盒，此真空盒通过密封法兰与预加载装置的真空管的密封法兰连接，真空盒内部安装带有低温传感器的测试工装。固定板通过导热板与真空盒连接，固定板的左侧连接柔性铰链，主臂固定在柔性铰链的上端。在测试工装的右侧、主臂和副臂中间安装有低温压力传感器、压电陶瓷、低温电机等需要测试的低温设备。主臂的中间安装螺杆和隔热板，并通过压缩套筒的运动给主臂施加预载力。主臂和隔热板中间有圆孔，螺杆从隔热板和主臂非接触穿过，从而降低热量的传递。低温电机转动时可以推动副臂向上运动，给压电陶瓷和低温压力传感器施加向上的作用力，同时预加载力通过隔热板向主臂施加向下的作用力，维持主臂位置，由此可以对三者的性能进行综合性的测试。当只对低温电机进行性能测试时，可以将压电陶瓷和低温压力传感器替换为尺寸合适的不锈钢柱，当只对陶瓷或压力传感器进行测试时，只需把电机位置替换为固定螺杆，保证副臂固定不动，主臂上下运动即可。因此，此综合工装台，既可以完成几种传感器的整体性能测试，又能对单个传感器的性能进行分析测试，降低了对其它低温设备的相互依赖性。

③预加载装置

如图5所示为预加载装置的结构示意图，此预加载装置主要由电机传动组件、真空组件、隔热组件、压力位移监测组件等几个部分组成。整个预加载装置和综合工装台一起吊装至小型竖直恒温器内部，顶法兰与恒温器的顶部进行密封固定，真空组件的真空管的密封法兰与综合工装台的真空盒法兰进行连接，通过顶法兰上的真空泵抽气，构成一个真空空间。隔热层固定在真空管上，步进电机通过支架固定在滑动板上，并通过传动密封轴与真空管内的螺纹套筒连接，螺纹套筒下部安装压力传感器和补偿弹簧。当步进电机转动时，通过螺纹套筒和螺杆相对运动，滑动板向下运动，波纹管被压缩，作用力通过压力传感器和补偿弹簧传递给压缩套筒，压缩套筒再将力施加到综合工装台的主臂上，从而实现在常温下对低温装置进行预载。并且通过常温压力传感器和滑动板上安装的位移传感器可以实时监测负载力和位移的大小，实现连续的调节测试。由于加载力不依靠超导腔的弹性变形，因此测试负载力和位移的区间范围更大，能够对低温传感器的特性进行充分的测试。步进电机不动时，可以通过位移传感器测量压电陶瓷和低温电机运动使主臂在垂直方向产生的位移。此加载装置集密封传动、加载和监测于一体，更易于传感器性能的测试。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明的传感器设备低温测试台体积小，测试成本低、效率高，便于操作，易于实现连续变化温度下低温传感器性能的测量；通过真空盒内的综合性测试工装台，既可以完成低温电机、压电陶瓷和压力传感器三种传感器低温性能的整体测试，又能对单个传感器的性能进行测试分析，降低了对其它低温设备的相互依赖性；在恒温器顶部的预加载装置，能够实现测试传感器的低温加载功能，满足不同负载力下测试的要求，并且负载力和压缩位移能够在极大范围内连续可调，不依靠超导腔的弹性变形，有利于设备的安全；此加载装置集密封传动、加载和监测于一体，更易于传感器性能的测试。

附图说明

图1为传统水平测试恒温器原理图；

图2为本发明传感器低温测试台设计方案示意图；

图3为小型竖直恒温器结构和安装示意图；

图4为综合工装台的结构示意图；

图5为预加载装置结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

制作传感器低温测试台的材料要求机械强度大，并具备良好的低温性能。测试台主体方面：顶法兰、恒温器外筒、液氦池，真空盒、真空管，以及综合工装台的主臂和副臂等均可以采用304不锈钢。隔热层采用硬泡沫材料并用金属铝片在外侧加固，压缩套筒可以采用导热系数比较小的铜镍合金，或是采用高强度的复合材料，隔热板可以采用G10材料，减小低温系统的传到漏热。导热板选用导热性能良好的纯铜，便于综合工装台和传感器的降温，液氮冷屏采用纯铜材质。螺杆和螺杆套筒不要用同种材料，螺杆可以用不锈钢，套筒可以用钛合金，防止同种材料卡死。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种传感器设备低温测试台，其特征在于，包括恒温器、综合工装台和预加载装置；所述恒温器内设有一液氦池，所述综合工装台位于所述液氦池内；所述预加载装置包括真空管、传动单元和力加载控制单元，所述传动单元位于所述真空管内，所述力加载控制单元与所述传动单元连接，所述力加载控制单元与所述真空管密封连接，所述真空管通过法兰与所述恒温器的顶部开口密封连接；所述综合工装台的最外层为真空盒，所述真空盒与所述预加载装置的真空管密封连接，所述真空盒内部设有用于安装待测传感器设备的测试工装，所述真空管内的传动单元与所述测试工装连接。

2.如权利要求1所述的传感器设备低温测试台，其特征在于，所述恒温器的最外层为恒温器的外筒、中间层为液氮冷屏、内层为所述液氦池，三者在顶部密封固定在一起；所述外筒与所述液氮冷屏之间为真空层，所述液氮冷屏与所述液氦池之间为真空层；所述液氮冷屏设有液氮进管和氮气出管，所述液氦池设有液氦进管、氦气出管和真空抽口。

3.如权利要求1或2所述的传感器设备低温测试台，其特征在于，所述传动单元包括一传动密封轴、滑动板、导轨和位于所述真空管内的螺纹套管、补偿弹簧、压缩套管和螺杆，所述滑动板与所述真空管密封连接；所述传动密封轴安装于所述滑动板上，所述传动密封轴一端与所述力加载控制单元连接、另一端与所述补偿弹簧的上端连接，所述补偿弹簧的下端分别与所述压缩套管、螺杆的一端连接，且所述螺杆位于所述压缩套管内；所述滑动板能够沿所述导轨运动。

4.如权利要求3所述的传感器设备低温测试台，其特征在于，所述测试工装包括主臂和位于所述主臂下方的固定板，所述主臂上表面设有带孔的第一隔热板，所述固定板上表面设有带孔的第二隔热板、下表面设有导热板；所述压缩套管的另一端与所述第一隔热板连接，所述螺杆非接触地穿过所述第一隔热板和所述主臂中心的圆孔，所述螺杆与所述第二隔热板上的锁紧螺母连接；所述主臂一端与所述固定板用柔性铰链连接固定、另一端安装待测传感器设备。

5.如权利要求4所述的传感器设备低温测试台，其特征在于，所述传感器设备包括低温压力传感器、压电陶瓷、低温电机；主臂另一端上设有凹槽，低温传感器一端嵌入凹槽内；压电陶瓷上端通过一螺杆与低温压力传感器连接，压电陶瓷下端与测试工装的副臂表面直接接触，其中副臂位于主臂下方且与主臂平行；低温电机的机体通过电机支架固定在所述固定板上，低温电机的转轴螺杆与副臂一端的转轴螺孔进行连接，副臂另一端通过转轴与所述固定板连接。

6.如权利要求5所述的传感器设备低温测试台，其特征在于，当单独对电机测试时，将压电陶瓷和压力传感器的位置采用钢柱替换；当单独对压电陶瓷进行测试时，电机位置处替换为一固定杆，固定杆一端与副臂的电机丝杠的安装孔固定，另一端与电机固定架固定，保证固定杆垂直，并将压力传感器替换为一尺寸匹配的钢柱；当单独对压力传感器进行标定测试时，将压电陶瓷的位置换成钢柱，电机位置换为固定杆。

7.如权利要求3所述的传感器设备低温测试台，其特征在于，所述真空管的上端为一段波纹管；所述波纹管与所述滑动板密封连接。

8.如权利要求3所述的传感器设备低温测试台，其特征在于，所述导轨的下端与所述法兰连接，所述导轨的上端与所述滑动板之间连接一位移传感器；所述螺纹套管与所述补偿弹簧之间设有一压力传感器。

9.如权利要求3所述的传感器设备低温测试台，其特征在于，所述力加载控制单元包括一步进电机和电机固定架，所述步进电机与所述传动密封轴连接，所述电机固定架安装于所述滑动板上。

10.如权利要求1所述的传感器设备低温测试台，其特征在于，所述真空管位于所述恒温器内的部分的外侧上设有多个隔热层；所述恒温器为竖直恒温器。