CN117168674A - 一种串联线圈预紧力无损测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联线圈预紧力无损测试方法及系统，所述方法包括：将线圈沿轴向压紧；将线圈置于绝缘平台上；在线圈的轴向的两端之间连接电压表、电流表以及电源；线圈通电后读取电压和电流值，计算线圈电阻，获取对应的预紧力；本发明的优点在于：测试过程不会破坏线圈整体预紧效果，在线圈的轴向的两端之间布线并检测能够测量线圈整体的预紧力情况，而非局部的预紧力，并且根据线圈两端电压电流等数据计算线圈电阻，通过电阻值的大小准确反映线圈的预紧力，测量精度高，操作简单。

Description

一种串联线圈预紧力无损测试方法及系统

技术领域

本发明涉及磁体技术领域，具体涉及一种串联线圈预紧力无损测试方法及系统。

背景技术

高场水冷磁体是强磁场实验室主体实验装置之一，它为物理、化学、生物、材料等基础学科众多重大原创性成果提供了重要的极端条件。随着科学技术的发展，新型电子材料研发、高温超导机理探索及特种功能材料制备等国家重大需求问题的解决都离不开更高的磁场环境，因此提升高场水冷磁体装置的性能意义重大。中国科学院强磁场科学中心已建成一台孔径Φ32mm场强38.5T的水冷磁体，性能指标世界第二；2022年8月创造世界最高稳态场记录45.22T的混合磁体中核心磁体之一即为内插型水冷磁体，它在11T的超导背景场下产生了34.22T的磁场。随着磁场强度进一步的升高，足够大的轴向预紧力可以防止高场线圈中Bitter片在径向电磁力作用下发生相对错位从而造成破坏，提高线圈在高场运行中的结构稳定性，但是过大的预紧力无疑会损坏线圈且越大的预紧力对施加预紧力的设备要求越高，设备成本越高。因此确定水冷磁体线圈轴向预紧力在合适的范围内至关重要。而确定水冷磁体线圈轴向预紧力在合适的范围内的前提是准确测量水冷磁体线圈轴向预紧力。

现有测量水冷磁体线圈轴向预紧力的方法主要是在线圈的轴向预紧杆上贴应变片检测线圈轴向预紧力，此种方法需抽取线圈其中一根拉杆贴上应变片，线圈压紧、拉杆固定之后通过应变片测出线圈预紧情况，此种方法测量线圈预紧力需要在线圈预紧前后对拉杆进行拆装，破坏了线圈整体预紧效果，且只能测量线圈局部的预紧力，操作繁琐。例如中国专利授权公告号CN216669092U公开的一种模拟水冷磁体实际工况的线圈预紧力测试装置，其测试原理也是通过轴向安装压力传感器、压力板等检测预紧力，但是其同样需要在线圈预紧前后对压力板等进行拆装，破坏了线圈整体预紧效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术测量水冷磁体线圈轴向预紧力的方法破坏了线圈整体预紧效果，且只能测量线圈局部的预紧力，测量精度低，操作繁琐的问题。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：一种串联线圈预紧力无损测试方法，所述方法包括：

步骤一：将线圈沿轴向压紧；

步骤二：将线圈置于绝缘平台上；

步骤三：在线圈的轴向的两端之间连接电压表、电流表以及电源；

步骤四：线圈通电后读取电压和电流值，计算线圈电阻，获取对应的预紧力。

进一步地，所述步骤一包括：

将线圈在液压机上轴向压紧，并使用预紧拉杆固定。

进一步地，所述步骤三包括：

在线圈的轴向的两端之间连接电压表，使得线圈与电压表以及连接导线形成一个闭合回路，在线圈的轴向的两端之间连接电流表以及电源，使得线圈与电流表、电源以及连接导线形成另一个闭合回路。

更进一步地，所述电压表的两个探针与电流表的两个探针不接触。

更进一步地，所述步骤四包括：

所述电压表的内阻等效为Rv，电压表两个探针的电阻等效为R2和R3，电流表的两个探针的电阻等效为电阻R1和电阻R4，线圈的电阻为Rs，则

Is＝Ig-Iv

Us＝Iv*(Rv+R2+R3)

其中，Us表示线圈的电阻的压降，Is表示线圈电阻的支路电流，Ig为电流表读数，Iv为电压表支路电流。

更进一步地，若Rv+R2+R3远大于Rs，则由并联电路电流分配规律可知，Is远大于Iv，进而推断出Is≈Ig，同样的，若Rv远大于R2+R3，则有

Us≈Iv*Rv＝Uv

则线圈的电阻为

进一步地，所述步骤四还包括：

计算出线圈电阻以后，根据预先测试获取的线圈电阻与预紧力的正相关关系曲线，获取对应的预紧力。

进一步地，所述线圈为水冷磁体线圈。

本发明还提供一种串联线圈预紧力无损测试系统，所述系统包括：

压紧模块，用于将线圈沿轴向压紧；

绝缘模块，用于将线圈置于绝缘平台上；

接线模块，用于在线圈的轴向的两端之间连接电压表、电流表以及电源；

测试模块，用于线圈通电后读取电压和电流值，计算线圈电阻，获取对应的预紧力。

进一步地，所述压紧模块还用于：

将线圈在液压机上轴向压紧，并使用预紧拉杆固定。

进一步地，所述接线模块还用于：

在线圈的轴向的两端之间连接电压表，使得线圈与电压表以及连接导线形成一个闭合回路，在线圈的轴向的两端之间连接电流表以及电源，使得线圈与电流表、电源以及连接导线形成另一个闭合回路。

更进一步地，所述电压表的两个探针与电流表的两个探针不接触。

更进一步地，所述测试模块还用于：

所述电压表的内阻等效为Rv，电压表两个探针的电阻等效为R2和R3，电流表的两个探针的电阻等效为电阻R1和电阻R4，线圈的电阻为Rs，则

Is＝Ig-Iv

Us＝Iv*(Rv+R2+R3)

其中，Us表示线圈的电阻的压降，Is表示线圈电阻的支路电流，Ig为电流表读数，Iv为电压表支路电流。

更进一步地，若Rv+R2+R3远大于Rs，则由并联电路电流分配规律可知，Is远大于Iv，进而推断出Is≈Ig，同样的，若Rv远大于R2+R3，则有

Us≈Iv*Rv＝Uv

则线圈的电阻为

进一步地，所述测试模块还用于：

计算出线圈电阻以后，根据预先测试获取的线圈电阻与预紧力的正相关关系曲线，获取对应的预紧力。

进一步地，所述线圈为水冷磁体线圈。

本发明的优点在于：

(1)本发明将线圈沿轴向压紧后测试，线圈处于压紧紧固状态，是无损测试方法，测量后不影响水冷磁体线圈的紧固效果，从而不会破坏线圈整体预紧效果，在线圈的轴向的两端之间布线并检测能够测量线圈整体的预紧力情况，而非局部的预紧力，并且根据线圈两端电压电流等数据计算线圈电阻，通过电阻值的大小准确反映线圈的预紧力，测量精度高，操作简单。

(2)本发明利用金属间的接触电阻与压力正相关的原理，根据测得的电阻能够相对准确的获得对应的预紧力，测试精度高，测试过程简单。

附图说明

图1为本发明实施例所公开的一种串联线圈预紧力无损测试方法的流程图；

图2为本发明实施例所公开的一种串联线圈预紧力无损测试方法中线路接线图；

图3为本发明实施例所公开的一种串联线圈预紧力无损测试方法中线路接线图对应的等效电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种串联线圈预紧力无损测试方法，利用了金属间的接触电阻与压力正相关的原理。金属间接触压力是指彼此接触的表面产生并垂直于接触表面的力。随压力增加，接触微点数量及面积也逐渐增加，同时接触微点从弹性变形过渡到塑性变形。由于集中电阻逐渐减小，而使接触电阻降低。水冷磁体线圈1有多个金属Bitter片层层螺旋叠加而成，线圈1的轴向预紧力越大，接触压力越大，接触微点数量及面积也越大，线圈1整体的接触电阻越小。可以通过预先通过实验等方式确定线圈1的电阻与预紧力之间的线性关系，从而实际应用中测量线圈1总体的接触电阻判断线圈1轴向预紧力的情况。所述方法包括：

S101：将线圈1在液压机上轴向压紧，并使用预紧拉杆固定。所述线圈1为水冷磁体线圈1。

S102：将线圈1置于绝缘平台上，使线圈1本体不与其他导电体接触。

S103：在线圈1的轴向的两端之间连接电压表2，使得线圈1与电压表2以及连接导线5形成一个闭合回路，在线圈1的轴向的两端之间连接电流表3以及电源4，使得线圈1与电流表3、电源4以及连接导线5形成另一个闭合回路。具体参阅图2以及图3。具体过程为：

因线圈1的接触电阻通常较小(毫欧级甚至更低)，采用传统的伏安法检测时，导线电阻以及探针接触电阻的引入，会导致无法得到准确的测量结果，而采用本发明的方法则很好的解决了这个问题。图2为电路接线图，图3为图2的等效电路图，其中直流电源4等效为图3中的A2。

所述电压表2的内阻等效为Rv，电压表2两个探针的电阻等效为R2和R3，电流表3的两个探针的电阻等效为电阻R1和电阻R4，线圈1的电阻为Rs，则

Is＝Ig-Iv

Us＝Iv*(Rv+R2+R3)

其中，Us表示线圈1的电阻的压降，Is表示线圈1电阻的支路电流，Ig为电流表3读数，Iv为电压表2支路电流。

对于上式中各电阻，若Rv+R2+R3远大于Rs，则由并联电路电流分配规律可知，Is远大于Iv，进而推断出Is≈Ig，同样的，若Rv远大于R2+R3，则有

Us≈Iv*Rv＝Uv

则线圈1的电阻为

S104：线圈1通电后读取电压和电流值，根据预先测试获取的线圈1电阻与预紧力的正相关关系曲线，获取对应的预紧力。

需要指出的是，对于上述方法测量水冷磁体的接触电阻应当注意一下两点：

1).所选电压表2内阻应足够大，使其支路电流以及布线压降的影响可以忽略。

2).电压表2的两探针须与电流表3的两探针分离，因电压表2检测两探针所接之处，两点之间所有的主回路电阻都将计入测量电阻，探针短接，则有可能将电流源探针接触电阻带入测量结果。

还需要说明的是：

1).电源4、电压表2及电流表3需与线圈1接触良好，防止虚接导致测量误差。

2).电源4无需通过大电流，大电流不仅会产生较大热效应与磁效应，而且热效应引起的磁体升温会较大的影响线圈1电阻，本实施例中电源4通电范围为10-50A。

3).线圈1电压电流值需多次多个电流值测量，取平均值，减少测量误差。

4).测量需在恒温环境下进行，避免环境温差对线圈1电阻的影响。

5).电压表2选用纳伏表，保证测量精度。

6).电源4选用直流电源4。

通过以上技术方案，本发明将线圈1沿轴向压紧后测试，线圈1处于压紧紧固状态，是无损测试方法，测量后不影响水冷磁体线圈1的紧固效果，从而不会破坏线圈1整体预紧效果，在线圈1的轴向的两端之间布线并检测能够测量线圈1整体的预紧力情况，而非局部的预紧力，并且根据线圈1两端电压电流等数据计算线圈1电阻，通过电阻值的大小准确反映线圈1的预紧力，测量精度高，操作简单。

实施例2

基于实施例1，本发明实施例2还提供一种串联线圈1预紧力无损测试系统，所述系统包括：

压紧模块，用于将线圈1沿轴向压紧；

绝缘模块，用于将线圈1置于绝缘平台上；

接线模块，用于在线圈1的轴向的两端之间连接电压表2、电流表3以及电源4；

测试模块，用于线圈1通电后读取电压和电流值，计算线圈1电阻，获取对应的预紧力。

进一步地，所述压紧模块还用于：

将线圈1在液压机上轴向压紧，并使用预紧拉杆固定。

具体的，所述接线模块还用于：

在线圈1的轴向的两端之间连接电压表2，使得线圈1与电压表2以及连接导线5形成一个闭合回路，在线圈1的轴向的两端之间连接电流表3以及电源4，使得线圈1与电流表3、电源4以及连接导线5形成另一个闭合回路。

更具体的，所述电压表2的两个探针与电流表3的两个探针不接触。

更具体的，所述测试模块还用于：

所述电压表2的内阻等效为Rv，电压表2两个探针的电阻等效为R2和R3，电流表3的两个探针的电阻等效为电阻R1和电阻R4，线圈1的电阻为Rs，则

Is＝Ig-Iv

Us＝Iv*(Rv+R2+R3)

其中，Us表示线圈1的电阻的压降，Is表示线圈1电阻的支路电流，Ig为电流表3读数，Iv为电压表2支路电流。

更具体的，若Rv+R2+R3远大于Rs，则由并联电路电流分配规律可知，Is远大于Iv，进而推断出Is≈Ig，同样的，若Rv远大于R2+R3，则有

Us≈Iv*Rv＝Uv

则线圈1的电阻为

具体的，所述测试模块还用于：

计算出线圈1电阻以后，根据预先测试获取的线圈1电阻与预紧力的正相关关系曲线，获取对应的预紧力。

具体的，所述线圈1为水冷磁体线圈1。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种串联线圈预紧力无损测试方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：将线圈沿轴向压紧；

步骤二：将线圈置于绝缘平台上；

步骤三：在线圈的轴向的两端之间连接电压表、电流表以及电源；

步骤四：线圈通电后读取电压和电流值，计算线圈电阻，获取对应的预紧力。

2.根据权利要求1所述的一种串联线圈预紧力无损测试方法，其特征在于，所述步骤一包括：

将线圈在液压机上轴向压紧，并使用预紧拉杆固定。

3.根据权利要求1所述的一种串联线圈预紧力无损测试方法，其特征在于，所述步骤三包括：

在线圈的轴向的两端之间连接电压表，使得线圈与电压表以及连接导线形成一个闭合回路，在线圈的轴向的两端之间连接电流表以及电源，使得线圈与电流表、电源以及连接导线形成另一个闭合回路。

4.根据权利要求3所述的一种串联线圈预紧力无损测试方法，其特征在于，所述电压表的两个探针与电流表的两个探针不接触。

5.根据权利要求4所述的一种串联线圈预紧力无损测试方法，其特征在于，所述步骤四包括：

所述电压表的内阻等效为Rv，电压表两个探针的电阻等效为R2和R3，电流表的两个探针的电阻等效为电阻R1和电阻R4，线圈的电阻为Rs，则

Is＝Ig-Iv

Us＝Iv*(Rv+R2+R3)

其中，Us表示线圈的电阻的压降，Is表示线圈电阻的支路电流，Ig为电流表读数，Iv为电压表支路电流。

6.根据权利要求1所述的一种串联线圈预紧力无损测试方法，其特征在于，所述步骤四还包括：

计算出线圈电阻以后，根据预先测试获取的线圈电阻与预紧力的正相关关系曲线，获取对应的预紧力。

7.根据权利要求1所述的一种串联线圈预紧力无损测试方法，其特征在于，所述线圈为水冷磁体线圈。

8.一种串联线圈预紧力无损测试系统，其特征在于，所述系统包括：

压紧模块，用于将线圈沿轴向压紧；

绝缘模块，用于将线圈置于绝缘平台上；

接线模块，用于在线圈的轴向的两端之间连接电压表、电流表以及电源；

测试模块，用于线圈通电后读取电压和电流值，计算线圈电阻，获取对应的预紧力。

9.根据权利要求8所述的一种串联线圈预紧力无损测试系统，其特征在于，所述压紧模块还用于：

将线圈在液压机上轴向压紧，并使用预紧拉杆固定。

10.根据权利要求8所述的一种串联线圈预紧力无损测试系统，其特征在于，所述接线模块还用于：

在线圈的轴向的两端之间连接电压表，使得线圈与电压表以及连接导线形成一个闭合回路，在线圈的轴向的两端之间连接电流表以及电源，使得线圈与电流表、电源以及连接导线形成另一个闭合回路。