CN114894126A - 一种实现高精度磁场输出的同轴测量工装、超导磁体结构及其装调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实现高精度磁场输出的同轴测量工装、超导磁体结构及其装调方法，所述同轴测量工装包括中心轴、位移传感器、胀紧套和高精度量筒；所述位移传感器沿径向安装在所述中心轴上；所述胀紧套安装在所述中心轴两侧，其内环抱紧所述中心轴。所述超导磁体结构包括超导线圈、线圈骨架、冷屏、真空容器、室温拉杆调节组件和光纤位移传感器。本发明利用超导磁体结构的室温孔管与磁轴同轴度的测量方法，用于保证超导磁体结构有个较好的、可测的初始同轴精度，并提供一种磁体位置可调可测的超导磁体结构，用于实时监测和调节磁轴和室温孔管的同轴度误差，以实现高精度磁场输出。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体应用领域，尤其涉及一种实现高精度磁场输出的同轴测量工装、超导磁体结构及其装调方法。
背景技术
超导磁体产生的强磁场环境广泛应用于各种高精密科学仪器设备中，随着仪器科学技术的发展，各种精密仪器设备也对磁场的形位精度提出了更高的要求。对于一些对磁场位形精度要求严格的应用场合，一般要求磁轴与室温孔管的同轴精度达到亚微米级(几十至几百微米)。为了实现高精度磁场输出，除了优化电磁方案，控制超导线圈绕制精度之外，超导磁体的装调精度也是至关重要的。目前国内外一些专用超导磁体的用户开发了基于离子束/电子束打靶的方式用于评价超导磁体的磁轴和室温孔管的同轴度，该方式直观、有效，但却严重依赖于超导磁体的规格，并且成本高，专业难度大，并不适用于超导磁体大多数的应用场合。
对于常用的卧式的超导磁体而言，超导磁体通过高强度低漏热的悬挂机构悬挂在真空容器内部的真空环境中，这种结构特点给磁轴与室温孔管的同轴精度保证带来了两个难题：一是磁轴与室温孔管的同轴精度测量的问题。超导磁体重量大，封闭式结构决定了常规的机床打表，三坐标测量仪，激光跟踪仪等手段难以测量磁轴和室温孔管的同轴度。二是如何实现保证亚微米级精度的装调工艺的问题。
发明内容
为克服上述技术问题，本发明提出一种实现高精度磁场输出的同轴测量工装、超导磁体结构及其装调方法，其主要包括三部分的内容：一是同轴测量的工装装置；二是一种磁体位置可调可测的超导磁体结构，用于实时监测和调节磁轴和室温孔管的同轴度误差，以实现高精度磁场输出；三是一种室温孔管与磁轴同轴度的测量方法，用于保证超导磁体有个较好的、可测的初始同轴精度。
本发明采用的技术方案如下：
一种实现高精度磁场输出的同轴测量工装，包括中心轴、位移传感器、胀紧套和高精度量筒；其中，所述位移传感器沿径向安装在所述中心轴上，共有8个；所述胀紧套安装在所述中心轴两侧，其内环抱紧所述中心轴；所述高精度量筒作为同轴测量工装的几何基准。
进一步地，所述同轴测量工装建立所述位移传感器的读数和高精度量筒的自身圆柱度一一对应的函数关系，将难以测量的和表征的同轴度误差通过所述位移传感器的读数转换为易于测量的所述高精度量筒的圆柱度误差。
进一步地，所述高精度量筒由机械精加工成型，其圆柱度小于0.01mm，通过三坐标测量仪、激光跟踪仪或机床打表的方式测得。
本发明还提供一种利用上述同轴测量工装进行装调的超导磁体结构，其包括超导线圈，线圈骨架，冷屏，真空容器和室温拉杆调节组件；所述超导线圈绕制在所述线圈骨架上，并通过所述磁体室温拉杆调节组件悬挂于所述真空容器中；所述冷屏位于所述真空容器和所述超导线圈之间，独立悬挂于所述真空容器中；所述真空容器包括真空容器外筒、真空容器端板和室温孔管；所述真空容器外筒上装有4个光纤位移传感器，所述超导线圈与之光纤位移传感器对应的位置有4块反射镜充当障碍物，所述光纤位移传感器通过发射和接受光谱来判断光纤位移传感器与所述障碍物之间的距离。
进一步地，通过所述位移传感器为中间量建立所述光纤位移传感器的读数与所述高精度量筒的圆柱度一一对应函数关系。
本发明还提供一种利用上述同轴测量工装实现上述超导磁体结构的高精度磁场输出的装调方法，包括如下步骤：
(1)采用所述高精度量筒标定所述同轴测量工装的精度，记录此时8个所述位移传感器的读数；
(2)将所述的超导磁体结构组装完成后，取下所述同轴测量工装上的所述高精度量筒，将所述同轴测量工装安装在所述室温孔管的位置，其中所述胀紧套的外环卡紧所述真空容器端板；调节所述位移传感器的位置，保证所述位移传感器的探针顶住所述线圈骨架，并有2-3mm压紧量；
(3)通过所述磁体室温拉杆调节组件调节所述超导线圈的空间位置，直到所述位移传感器的读数接近所述步骤(1)中的读数；
(4)所述超导线圈的位置调整完成后，记录所述光纤位移传感器的读数，作为此后所述超导磁体结构运行过程中的同轴基准；
(5)撤下所述同轴测量工装，装回所述室温孔管，并完成所述超导磁体结构的抽真空、降温和励磁测试，此过程中如果所述光纤位移传感器的读数有变化，调节所述磁体室温拉杆调节组件，使读数接近所述步骤(4)中记录的数据。
进一步地，所述位移传感器采用回弹式直线位移传感器。
进一步地，所述光纤位移传感器采用间断式工作模式降低室温端向低温环境的漏热。
进一步地，配置不同精度的所述高精度量筒表征所述室温孔管与磁轴的同轴精度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的同轴测量工装采用系列化标准化的胀紧套，可满足不同规格不同口径的卧式超导磁体结构的同轴度的测量需求，结构简单，操作容易，成本低。
2.本发明通过测量基准转移的方式将难以测量的物理量转化为容易读取的数字量，在保证测量精度的同时，也有效的保证了装调精度，可实现高精度磁场的有效测量和输出。
附图说明
图1为本发明的同轴测量工装示意图；
图2为本发明的超导磁体结构示意图；
图3为本发明的同轴测量工装安装在超导磁体结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，同轴测量工装包括中心轴21，位移传感器22，胀紧套20以及高精度量筒23。所述位移传感器22沿径向安装在所述中心轴21上，共有8个。所述胀紧套20安装在所述中心轴21两侧，其内环抱紧所述中心轴21。所述高精度量筒23由机械精加工成型，其自身圆柱度须小于0.01mm，该指标可通过三坐标测量仪，激光跟踪仪或机床打表等常规手段测得。所述高精度量筒23作为同轴测量工装的几何基准。所述同轴测量工装的设计原理是建立所述位移传感器22的读数和高精度量筒23自身圆柱度一一对应的函数关系，将难以测量和表征的同轴度误差通过所述位移传感器22的读数转换为易于测量的所述高精度量筒23的圆柱度误差。同轴度定义为被测圆柱面轴线与基准轴线的不共轴的程度，这里的高精度量筒充当基准轴线的作用，称为几何基准。
如图2所示，本发明的超导磁体结构包括超导线圈1，线圈骨架2，冷屏，真空容器，磁体室温拉杆调节组件11等部分。所述超导线圈1绕制在所述线圈骨架2上，并通过所述磁体室温拉杆调节组件11悬挂于所述真空容器中。所述冷屏由冷屏外筒7，冷屏内筒8以及冷屏端板6组成。所述冷屏位于所述真空容器和所述超导线圈1之间，独立悬挂于所述真空容器中。所述真空容器包括真空容器外筒5，真空容器端板4以及室温孔管3。所述真空容器外筒5上装有4个光纤位移传感器9，所述超导线圈1与光纤位移传感器9对应的位置有4块反射镜10充当障碍物。
所述超导磁体结构的光纤位移传感器9通过发射和接受光谱来判断光纤位移传感器9与障碍物之间的距离。通过所述光纤位移传感器9的读数可以判断所述超导线圈1的空间位置。通过所述位移传感器22为中间量建立所述光纤位移传感器9的读数与所述高精度量筒23圆柱度一一对应函数关系。
进一步的，所述位移传感器22采用回弹式直线位移传感器，该类传感器体积小巧，重复精度高。
进一步的，所述光纤位移传感器9采用低热量，光斑小的光源，可采用间断式工作模式降低室温端向低温环境的漏热。
进一步的，用于反射光谱的反射镜10采用低漏热的环氧块作为支架，其反射面贴铝箔作为反射镜，所述支架用于构建所述反射面与超导线圈1之间的温度梯度，有利于减少漏热。
进一步的，可配置一系列不同精度的高精度量筒23来表征所述室温孔管3与磁轴的同轴精度，用于满足不同应用场景的技术需求。
根据图3所示的所述同轴测量工装安装在超导磁体结构的示意图，本发明的实现高精度磁场输出的装调方法包括如下步骤：
1.采用高精度量筒23标定同轴测量工装的精度，记录此时8个位移传感器22的读数；
2.将超导磁体结构组装完成后，取下同轴测量工装上的所述高精度量筒23，将所述同轴测量工装安装在室温孔管3的位置，其中胀紧套20的外环卡紧真空容器端板4。调节所述位移传感器22的位置，保证所述位移传感器22的探针顶住线圈骨架2，并有2-3mm压紧量；
3.通过磁体室温拉杆调节组件11调节超导线圈1的空间位置，直到所述位移传感器22的读数接近步骤1中的读数。
4.超导线圈1的位置调整完成后，记录所述光纤位移传感器9的读数，作为此后超导磁体结构运行过程中的同轴基准。
5.撤下所述同轴测量工装，装回所述室温孔管3，并完成超导磁体结构的抽真空、降温和励磁测试，此过程中如果所述光纤位移传感器9的读数有变化，调节磁体室温拉杆调节组件11，使读数接近步骤4中记录的数据即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种实现高精度磁场输出的同轴测量工装，其特征在于：包括中心轴、位移传感器、胀紧套和高精度量筒；其中，所述位移传感器沿径向安装在所述中心轴上，共有8个；所述胀紧套安装在所述中心轴两侧，其内环抱紧所述中心轴；所述高精度量筒作为同轴测量工装的几何基准。
2.根据权利要求1所述的同轴测量工装，其特征在于：所述同轴测量工装建立所述位移传感器的读数和高精度量筒的自身圆柱度一一对应的函数关系，将难以测量和表征的同轴度误差通过所述位移传感器的读数转换为易于测量的所述高精度量筒的圆柱度误差。
3.根据权利要求1所述的同轴测量工装，其特征在于：所述高精度量筒由机械精加工成型，其圆柱度小于0.01mm，通过三坐标测量仪、激光跟踪仪或机床打表的方式测得。
4.一种利用权利要求1-3之一中所述同轴测量工装进行装调的超导磁体结构，其特征在于：所述超导磁体结构包括超导线圈，线圈骨架，冷屏，真空容器和磁体室温拉杆调节组件；所述超导线圈绕制在所述线圈骨架上，并通过所述磁体室温拉杆调节组件悬挂于所述真空容器中；所述冷屏位于所述真空容器和所述超导线圈之间，独立悬挂于所述真空容器中；所述真空容器包括真空容器外筒、真空容器端板和室温孔管；所述真空容器外筒上装有4个光纤位移传感器，所述超导线圈与光纤位移传感器对应的位置有4块反射镜充当障碍物，所述光纤位移传感器通过发射和接受光谱来判断光纤位移传感器与所述障碍物之间的距离。
5.根据权利要求4所述的超导磁体结构，其特征在于：通过所述位移传感器为中间量建立所述光纤位移传感器的读数与所述高精度量筒的圆柱度一一对应函数关系。
6.一种利用权利要求1-3之一的同轴测量工装实现权利要求5所述的超导磁体结构的高精度磁场输出的装调方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用所述高精度量筒标定所述同轴测量工装的精度，记录此时8个所述位移传感器的读数；
(2)将所述的超导磁体结构组装完成后，取下所述同轴测量工装上的所述高精度量筒，将所述同轴测量工装安装在所述室温孔管的位置，其中所述胀紧套的外环卡紧所述真空容器端板；调节所述位移传感器的位置，保证所述位移传感器的探针顶住所述线圈骨架，并有2-3mm压紧量；
(3)通过所述磁体室温拉杆调节组件调节所述超导线圈的空间位置，直到所述位移传感器的读数接近所述步骤(1)中的读数；
(4)所述超导线圈的位置调整完成后，记录所述光纤位移传感器的读数，作为此后所述超导磁体结构运行过程中的同轴基准；
(5)撤下所述同轴测量工装，装回所述室温孔管，并完成所述超导磁体结构的抽真空、降温和励磁测试，此过程中如果所述光纤位移传感器的读数有变化，调节所述磁体室温拉杆调节组件，使读数接近所述步骤(4)中记录的数据。
7.根据权利要求5所述的实现高精度磁场输出的装调方法，其特征在于：所述位移传感器采用回弹式直线位移传感器。
8.根据权利要求5所述的实现高精度磁场输出的装调方法，其特征在于：所述光纤位移传感器采用间断式工作模式降低室温端向低温环境的漏热。
9.根据权利要求5所述的实现高精度磁场输出的装调方法，其特征在于：配置不同精度的所述高精度量筒表征所述室温孔管与磁轴的同轴精度。
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| CN114894126B (zh) | 2023-11-10 |
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