CN114563592B - 一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，主要解决现有粒子速度电磁测量装置存在难以准确完成大尺寸测试材料的测量以及难以完成微弱粒子速度的测量等问题。该粒子速度电磁测量装置包括超导磁体、传感器模块、控制模块、传输线缆和采集模块；超导磁体包括超导线圈、超导电源和冷却组件；上述超导磁体具备无磁损耗和无电损耗的特点，所产生磁场的磁感应强度大、稳定度高，为粒子速度测量提供了高强稳定磁场，从而使粒子速度电磁测量装置的测量能力较强，可以获取低至0.001m/s的微弱粒子速度信号。同时，超导磁体室温孔直径不小于2.1m，从而使粒子速度电磁测量装置能够完成直径达2m的大型试样的粒子速度测量。

Description

一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置
技术领域
本发明属于介质中粒子速度测量领域，具体涉及一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，该装置是一种爆炸力学测量领域内球面应力波在均匀介质中传播而产生的介质粒子速度测量装置。
背景技术
在爆炸力学中，粒子速度电磁测量装置是研究介质中应力波传播规律或研究材料动力学特性的重要手段。如图1所示，现有粒子速度电磁测量中，其基本原理是将一定形状的线圈2(即电磁粒子速度计)布置于测试材料4内部，并将测试材料4置于轴向磁场5中，模拟震源1位于测试平面3中心处，当应力波作用到材料介质中时，会带动线圈2切割磁力线，由于法拉第电磁感应原理，线圈2中会产生感应电压，测量该电压即可解算出材料中粒子的速度。
现有的粒子速度电磁测量装置多是采用脉冲电源配合螺线管的方式提供脉冲磁场，该种方式主要存在以下两方面问题：一是磁场随时间变化，导致大尺寸测试材料中，所获取感应电压的基线显著随时间变化，给测量带来了较大困难，难以准确完成大尺寸测试材料的测量；二是磁场磁感应强度峰值较低，难以完成微弱粒子速度的测量。
发明内容
为解决现有粒子速度电磁测量装置存在难以准确完成大尺寸测试材料的测量以及难以完成微弱粒子速度测量等问题，本发明提供一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，该装置利用超导磁体为粒子速度电磁测量提供稳定可靠的磁场，并完成了传感器模块、控制模块、传输线缆和采集模块的设计，可以完成直径达2m试样的粒子速度测量，并可以获取0.001m/s的微弱粒子速度信号。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，包括超导磁体、传感器模块、控制模块、传输线缆和采集模块；所述超导磁体包括超导线圈、超导电源和冷却组件；所述超导线圈由NbTi线材多匝绕制而成，并采用杜瓦和冷屏结构进行绝热处理，所述超导线圈室温孔直径不小于2.1m，所述超导线圈内设置有PCS开关，超导线圈励磁后能够脱开PCS开关工作于闭环状态；所述超导电源与超导线圈连接，为超导线圈提供直流供电；所述冷却组件设置在超导线圈外侧，使得超导线圈的温度稳定在设定值内；所述传感器模块包括由漆包康铜线绕制的若干圆形线圈，若干圆形线圈以模拟震源为中心，同轴布设于试验样品中，且与试验样品紧密贴合；所述试验样品布设于超导磁体的室温孔中心处，且试验样品与超导线圈的室温孔同心设置；所述传输线缆分别与传感器模块、采集模块连接，用于将圆形线圈产生的感生电压传输至采集模块；所述采集模块采用多通道瞬态数据采集系统，用于采集圆形线圈产生的感生电压；所述控制模块与模拟震源、采集模块的触发输入口连接，用于输出多路独立信号，分别控制模拟震源的激发和采集模块的触发。
进一步地，所述冷却组件包括制冷机和水冷机组；所述制冷机设置在超导线圈外侧；所述水冷机组与制冷机连接，用于给制冷机提供热交换通道。
进一步地，所述制冷机采用传导冷却方式，使得超导线圈的工作温度稳定在4.2K以下。
进一步地，所述圆形线圈的线径为0.2～0.3mm。
进一步地，所述采集模块的采样率不低于100MS/s，带宽不低于40MHz，记录深度不低于8MS，16位A/D转换器，噪声不大于10μVRMS。
进一步地，所述控制模块的输出信号脉冲宽度在0～150ms内连续可调，脉冲延时间隔150～220ms连续可调，延时精度在1ms以内。
进一步地，所述传输线缆采用SYV50-3或SYV50-5同轴线缆。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明装置所采用的超导磁体具备无磁损耗和无电损耗的特点，所产生磁场的磁感应强度大、稳定度高，为粒子速度测量提供了高强稳定磁场，从而使粒子速度电磁测量装置的测量能力较强，可以获取低至0.001m/s的微弱粒子速度信号。
2.本发明装置所采用的超导磁体室温孔直径不小于2.1m，磁场稳定度优于100ppm/h，从而使粒子速度电磁测量装置能够完成直径达2m的大型试样的粒子速度测量。
3.本发明控制模块可输出多路同步脉冲信号，其脉冲宽度、延迟时间可灵活调节，从而使粒子速度电磁测量装置能够与其他测量设备(如高速相机、脉冲光源等)实现时间同步，便于开展各类材料试验。
附图说明
图1为现有粒子速度电磁测量的基本原理示意图；
图2为本发明基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置结构示意图；
图3为本发明有机玻璃试验样品中粒子速度的电压测量结果示意图；
图4为本发明有机玻璃试验样品中粒子速度测量结果示意图。
附图标记：1-模拟震源，2-线圈，3-测试平面，4-测试材料，5-轴向磁场，6-超导磁体，61-超导线圈，62-超导电源，63-制冷机，64-水冷机组，7-传感器模块，8-控制模块，9-传输线缆，10-采集模块，11-试验样品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
如图2所示，本发明基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置包括超导磁体6、传感器模块7、控制模块8、传输线缆9和采集模块10。该超导磁体6主要由超导线圈61、超导电源62和冷却组件组成，超导线圈61由NbTi线材多匝绕制而成，并采用杜瓦和冷屏结构进行绝热处理；超导磁体6室温孔直径不小于2.1m、中心磁感应强度在3000Gauss以上，超导线圈61内设置有PCS开关，使得超导磁体6励磁后可脱开PCS工作于闭环状态，磁场稳定度优于100ppm/h。上述超导电源62为超导线圈61提供直流供电，工作电流约为123A；冷却组件具体可包括制冷机63和水冷机组64，制冷机63设置在超导线圈61外侧，采用传导冷却方式为超导线圈61降温，可使其工作温度稳定在4.2K以下左右；水冷机组64为制冷机63提供热交换通道。
本发明传感器模块7由直径0.2～0.3mm的漆包康铜线按圆形线圈结构布设于试验样品11中构成，圆形线圈与试验样品11紧密贴合，并以模拟震源(多为炸药球、炸药柱)为中心；同时，该传感器模块7布设于试验样品11的中心面上，并与试验样品11同心。控制模块8分别与模拟震源、采集模块10相连，用于控制模拟震源的激发和采集模块10的触发。具体的，控制模块8主要由控制脉冲调制部分、脉冲延时部分和放电控制部分组成，模块输出信号脉冲宽度在0～150ms内连续可调，脉冲延时间隔150～220ms连续可调，延时精度在1ms以内，模块可输出多路独立信号，分别用于控制震源激发装置和采集模块10。
本发明传感器模块7通过传输线缆9与采集模块10相连。传输线缆9具体可采用SYV50-3或SYV50-5同轴线缆，用于将线圈产生的感生电压传输至采集模块10。采集模块10具体可采用多通道瞬态数据采集系统，系统采样率不低于100MS/s，带宽不低于40MHz，记录深度不低于8MS，16位A/D转换器，噪声不大于10μVRMS。
本发明基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置的工作过程为：
先采用压制或粘接的方式，将传感器模块7布设于试验样品11中，对于黄土、粘土等颗粒状介质材料，可采用材料试验机对样品进行压制，对于有机玻璃或岩石类材料可采用环氧树脂胶对样品进行粘接；再将试验样品11布设于超导磁体6的室温孔中心处，并保证试验样品11与室温孔同心，并将传感器模块7通过传输线缆9与采集模块10相连。控制模块8分别与试验样品11中心模拟震源、采集模块10触发输入口连接。
随后，打开制冷机63和水冷机组64，对超导线圈61进行降温，温度达到4.2K以下后，打开超导电源62对超导线圈61进行励磁。磁场磁感应强度达到3000Gauss并处于稳定状态后，脱开PCS开关使超导磁体6工作于闭环状态。此时，磁场处于高稳定状态。
调整采集模块10参数，使其采样率为100MS/s，记录深度为8MS，并处于待触发状态。操作控制模块8激发试验样品11中心模拟震源，同时触发采集模块10，使其开始采集。模拟震源在试验样品11中产生球面应力波，由内向外依次传播至传感器模块7中的各路圆形线圈，圆形线圈扩张切割超导磁体6室温孔中的轴向磁力线，产生感应电压，经传输线缆9进入采集模块10完成存储记录。
本发明装置已应用于不同材料中应力波传播规律的相关研究中。图3给出了有机玻璃样品中粒子速度测量时所获取的感应电压波形，已知传感器模块7中各路线圈周长以及超导磁体6磁场的磁感应强度，通过法拉第电磁感应原理对感应电压进行换算处理，最终得到了有机玻璃中不同位置的粒子速度波形，如图4所示。

Claims (7)

1.一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，其特征在于：包括超导磁体(6)、传感器模块(7)、控制模块(8)、传输线缆(9)和采集模块(10)；
所述超导磁体(6)包括超导线圈(61)、超导电源(62)和冷却组件；所述超导线圈(61)由NbTi线材多匝绕制而成，并采用杜瓦和冷屏结构进行绝热处理，所述超导线圈(61)室温孔直径不小于2.1m，且超导线圈(61)内设置有PCS开关，超导线圈(61)励磁后能够脱开PCS开关工作于闭环状态；所述超导电源(62)与超导线圈(61)连接，为超导线圈(61)提供直流供电；所述冷却组件设置在超导线圈(61)外侧，使得超导线圈(61)的温度稳定在设定值内；
所述传感器模块(7)包括由漆包康铜线绕制的若干圆形线圈，若干圆形线圈以模拟震源为中心，同轴布设于试验样品(11)中，且与试验样品(11)紧密贴合；所述试验样品(11)布设于超导磁体(6)的室温孔中心处，且试验样品(11)与超导线圈(61)的室温孔同心设置；
所述传输线缆(9)分别与传感器模块(7)、采集模块(10)连接，用于将圆形线圈产生的感生电压传输至采集模块(10)；所述采集模块(10)为多通道瞬态数据采集系统，用于采集圆形线圈产生的感生电压；
所述控制模块(8)分别与模拟震源、采集模块(10)的触发输入口连接，用于输出多路独立信号，分别控制模拟震源的激发和采集模块(10)的触发。
2.根据权利要求1所述的基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，其特征在于：所述冷却组件包括制冷机(63)和水冷机组(64)；所述制冷机(63)设置在超导线圈(61)外侧；所述水冷机组(64)与制冷机(63)连接，用于给制冷机(63)提供热交换通道。
3.根据权利要求2所述的基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，其特征在于：所述制冷机(63)采用传导冷却方式，使得超导线圈(61)的工作温度稳定在4.2K以下。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，其特征在于：所述圆形线圈的线径为0.2～0.3mm。
5.根据权利要求1所述的基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，其特征在于：所述采集模块(10)的采样率不低于100MS/s，带宽不低于40MHz，记录深度不低于8MS，噪声不大于10μVRMS。
6.根据权利要求1所述的基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，其特征在于：所述控制模块(8)的输出信号脉冲宽度在0～150ms内连续可调，脉冲延时间隔150～220ms连续可调，延时精度在1ms以内。
7.根据权利要求1所述的基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，其特征在于：所述传输线缆(9)采用SYV50-3或SYV50-5同轴线缆。
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