RU2645823C1 - Capacitive dilatometer for operation in ppms qd installation - Google Patents

Capacitive dilatometer for operation in ppms qd installation Download PDF

Info

Publication number
RU2645823C1
RU2645823C1 RU2016150302A RU2016150302A RU2645823C1 RU 2645823 C1 RU2645823 C1 RU 2645823C1 RU 2016150302 A RU2016150302 A RU 2016150302A RU 2016150302 A RU2016150302 A RU 2016150302A RU 2645823 C1 RU2645823 C1 RU 2645823C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
measuring
ppms
capacitive
dilatometer
piezoelectric effect
Prior art date
Application number
RU2016150302A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Леонидович Фрейдман
Сергей Иванович Попков
Наталья Владимировна Михашенок
Сергей Георгиевич Антонов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук"
Priority to RU2016150302A priority Critical patent/RU2645823C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2645823C1 publication Critical patent/RU2645823C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/16—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal coefficient of expansion

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment for measuring small deformations, in particular to capacitive dilatometers, and can be used to determine the coefficient of linear temperature expansion, piezoelectric effect and magnetostriction. Capacitive dilatometer is realized on the basis of the industrial measuring complex PPMS QD and contains a system of indirect measurements of linear deformation by measuring capacitance of a measuring capacitor. New is that the dilatometer is equipped with additional current leads and a reducing gear, and also adapted for the main electrical connector of the cryostat PPMS QD to ensure the stabilization of the temperature in a vacuum.
EFFECT: technical result is measuring the piezoelectric effect and simplified procedure of preliminary adjusting the membrane tension.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике, предназначенной для измерения малых деформаций, емкостным дилатометрам, и может быть использовано для определения коэффициента линейного температурного расширения, пьезоэлектрического эффекта и магнитострикции.The invention relates to measuring technique, namely to a technique intended for measuring small deformations, capacitive dilatometers, and can be used to determine the coefficient of linear thermal expansion, piezoelectric effect and magnetostriction.

Известна работа [R.

Figure 00000001
Т. Bauer, М. Brando, and F. Steglich. A compact and miniaturized high resolution capacitance dilatometer for measuring thermal expansion and magnetostriction. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 83, 095102 (2012)], в которой описана реализация емкостного дилатометра для измерений коэффициента линейного термического расширения и магнитострикции на базе измерительного комплекса PPMS QD и емкостный метод измерения.Known work [R.
Figure 00000001
T. Bauer, M. Brando, and F. Steglich. A compact and miniaturized high resolution capacitance dilatometer for measuring thermal expansion and magnetostriction. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 83, 095102 (2012)], which describes the implementation of a capacitive dilatometer for measuring the coefficient of linear thermal expansion and magnetostriction based on the PPMS QD measuring complex and capacitive measurement method.

Отличие заключается в том, что в вышеобозначенной работе используется крепление к вставке общего пользования и отсутствует возможность измерения пьезоэффекта.The difference lies in the fact that in the aforementioned work, a mount to the public insert is used and there is no possibility of measuring the piezoelectric effect.

Аналог [R.

Figure 00000002
С. Stingl, and P. Gegenwart. A uniaxial stress capacitive dilatometer for high-resolution thermal expansion and magnetostriction under multiextreme conditions. Review of Scientific Instruments 87, 073903 (2016)] является модернизацией работы, обсуждаемой выше. Модернизация коснулась дополнительной опции приложения внешнего давления для измерения одноосного сжатия, однако, в остальном функциональные возможности и методы исполнения остались неизменными, поэтому общие черты и отличия также остались неизменными.The analogue of [R.
Figure 00000002
C. Stingl, and P. Gegenwart. A uniaxial stress capacitive dilatometer for high-resolution thermal expansion and magnetostriction under multiextreme conditions. Review of Scientific Instruments 87, 073903 (2016)] is a modernization of the work discussed above. The upgrade touched upon the additional option of applying external pressure for measuring uniaxial compression, however, in other respects, the functionality and execution methods remained unchanged, so the general features and differences also remained unchanged.

В качестве прототипа изобретения служит емкостный дилатометр, реализованный на базе промышленного измерительного комплекса PPMS QD, с возможностью измерения в вакууме емкостным методом [G. М. Schmiedeshoff, A. W. Lounsbury, D. J. Luna, S. J. Tracy, A. J. Schramm, S. W. Tozer, V. F. Correa, S. T. Hannahs, T. P. Murphy, E. C. Palm, A. H. Lacerda, S. L. Bud'ko, P. C. Canfield, J. L. Smith, J. C. Lashley, and J. C. Cooley. Versatile and compact capacitive dilatometer. Review of Scientific Instruments 77, 123907 (2006)(прототип)].As a prototype of the invention is a capacitive dilatometer, implemented on the basis of the industrial measuring complex PPMS QD, with the possibility of measurement in vacuum by the capacitive method [G. M. Schmiedeshoff, AW Lounsbury, DJ Luna, SJ Tracy, AJ Schramm, SW Tozer, VF Correa, ST Hannahs, TP Murphy, EC Palm, AH Lacerda, SL Bud'ko, PC Canfield, JL Smith, JC Lashley, and JC Cooley. Versatile and compact capacitive dilatometer. Review of Scientific Instruments 77, 123907 (2006) (prototype)].

В данной конструкции процесс измерения в вакууме реализован за счет использования опции PPMS QD Не3, которая является дополнительной вставкой в криостат. Теплообмен и терморегуляция при этом осуществляется через холодный палец, расположенный на дне вставки Не3.In this design, the measurement process in vacuum is implemented through the use of the PPMS QD Not 3 option, which is an additional insert in the cryostat. In this case, heat exchange and thermoregulation is carried out through a cold finger located at the bottom of the He 3 insert.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что для реализации измерений в вакууме необходимо использовать специальную вставку Не3, кроме того, возможности измерительной установки ограничены измерением линейной деформации, вызванной температурой и магнитным полем, но не электрическим полем, что не позволяет проводить измерения пьезоэлектрического эффекта. Кроме того, подготовка устройства к измерениям затруднительна, так как предполагает предварительную натяжку мембраны подвижной обкладки конденсатора, которая требует высокой точности, а устройство не включает вспомогательное оборудование для упрощения этой операции.The disadvantage of this technical solution is that for the implementation of measurements in vacuum it is necessary to use a special insert He 3 , in addition, the capabilities of the measuring installation are limited to measuring linear deformation caused by temperature and magnetic field, but not electric field, which does not allow to measure the piezoelectric effect . In addition, the preparation of the device for measurements is difficult, since it involves pre-tensioning the membrane of the movable capacitor plate, which requires high accuracy, and the device does not include auxiliary equipment to simplify this operation.

К тому же все упомянутые аналоги лишены возможности проводить измерения пьезоэлектрического эффекта.In addition, all the analogues mentioned are deprived of the ability to measure the piezoelectric effect.

Изобретение направлено на устранение этих недостатков.The invention addresses these drawbacks.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения пьезоэлектрического эффекта, упрощение процедуры предварительной настройки натяжения мембраны и удешевление процесса реализации измерений в вакууме.The technical result of the invention is the ability to measure the piezoelectric effect, simplifying the procedure for pre-setting the membrane tension and cheapening the process of implementing measurements in vacuum.

Технический результат достигается тем, что в емкостном дилатометре, реализованном на базе PPMS QD, содержащем систему косвенных измерений линейной деформации путем измерения емкости измерительного конденсатора, новым является то, что он снабжен дополнительными токовводами и понижающим редуктором, а также тем, что адаптирован под основной электрический разъем криостата PPMS QD для обеспечения стабилизации температуры в вакууме.The technical result is achieved by the fact that in a capacitive dilatometer based on PPMS QD, which contains a system of indirect measurements of linear deformation by measuring the capacitance of a measuring capacitor, it is new that it is equipped with additional current leads and a reduction gear, as well as that it is adapted for the main electric PPMS QD cryostat connector for temperature stabilization in vacuum.

Таким образом, заявляемый емкостный дилатометр отличается от прототипа тем, что снабжен дополнительными токовводами и понижающим редуктором, а также тем, что адаптирован под основной электрический разъем криостата PPMS QD для обеспечения стабилизации температуры в вакууме, поэтому соответствует критерию «новизна».Thus, the inventive capacitive dilatometer differs from the prototype in that it is equipped with additional current leads and a reduction gear, as well as in that it is adapted for the main electrical connector of the PPMS QD cryostat to ensure stabilization of temperature in vacuum, therefore it meets the criterion of "novelty."

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данных и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The features distinguishing the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying data and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана общая схема расположения измерительной ячейки в криостате PPMS QD, на фиг. 2 - измерительная ячейка дилатометра, на фиг. 3 - редуктор, на фиг. 4 - образец, подготовленный к измерениям пьезоэлектрического эффекта.In FIG. 1 shows a general arrangement of a measuring cell in a PPMS QD cryostat, FIG. 2 - measuring cell of the dilatometer, in FIG. 3 - gearbox, in FIG. 4 - a sample prepared for measuring the piezoelectric effect.

Измерительная ячейка 1 располагается в герметичном объеме 2, в котором может быть создан вакуум. Объем 3 заполнен теплообменным газообразным гелием. Охлаждение измерительной ячейки 1 осуществляется за счет теплообмена через медный корпус электрического разъема 4. В электрическом разъеме расположены контакты токоподводящих линий, которые используются для измерений емкости измерительного конденсатора, для снятия данных с дополнительного термодатчика и подачи напряжения на исследуемый образец при измерениях пьезоэлектрического эффекта. Образец 5 располагается на столике образца 6 и упирается в подвижную обкладку измерительного конденсатора 7, которая подвешена на пружине мембранного типа 8 (показано на местном виде). Подвижная обкладка 7 совместно с неподвижной обкладкой 9 образуют измерительный конденсатор. При подготовке измерительной ячейки к измерениям необходимо добиться предварительного натяга мембраны 8 и оптимального расстояния между обкладками 7 и 9. Для этого столик образца 6 совмещен с корпусом измерительной ячейки 10 посредством резьбового соединения и путем вращения может перемещаться относительно корпуса измерительной ячейки, двигаясь по резьбе. Для облегчения этой операции и повышения ее точности столик образца 6 снабжен зубчатым колесом, которое зацепляется за вал-шестерню редуктора. Стопорная гайка 12 служит для фиксации положения столика 6.The measuring cell 1 is located in a sealed volume 2 in which a vacuum can be created. Volume 3 is filled with heat-exchange gaseous helium. The cooling of the measuring cell 1 is carried out by heat exchange through the copper casing of the electrical connector 4. The contacts of the supply lines are located in the electrical connector, which are used to measure the capacitance of the measuring capacitor, to take data from an additional temperature sensor and supply voltage to the test sample when measuring the piezoelectric effect. Sample 5 is located on the table of sample 6 and abuts against the movable lining of the measuring capacitor 7, which is suspended on a spring of membrane type 8 (shown in local view). The movable plate 7 together with the stationary plate 9 form a measuring capacitor. When preparing the measuring cell for measurements, it is necessary to preload the membrane 8 and the optimal distance between the plates 7 and 9. For this, the table of sample 6 is aligned with the body of the measuring cell 10 by means of a threaded connection and can rotate relative to the body of the measuring cell by moving along the thread. To facilitate this operation and increase its accuracy, the table of sample 6 is equipped with a gear wheel, which engages in the gear shaft. Lock nut 12 serves to fix the position of the table 6.

Измерительная ячейка 1 крепится в редукторе, при этом осуществляется зацепление зубчатого колеса 11 с системой зубчатых колес и шестерней редуктора. Поворот ручки редуктора 13 приводит к вращению столика образца 6 и его смещению вдоль своей оси. Редуктор является понижающим, таким образом позволяя плавно настраивать высоту столика и натяжение мембраны. Процесс натяжения контролируется измерителем емкости, подключаемым к электрическому разъему 14, который фиксирует емкость измерительного конденсатора, определяемое расстоянием между его обкладками. После настройки натяжения мембраны осуществляется фиксация столика образца контргайкой 12.The measuring cell 1 is mounted in the gearbox, while the gear 11 is engaged with the system of gears and gear of the gearbox. The rotation of the handle of the gearbox 13 leads to the rotation of the stage of the sample 6 and its displacement along its axis. The gearbox is lowering, thus allowing smooth adjustment of the table height and the membrane tension. The tension process is controlled by a capacitance meter connected to an electrical connector 14, which fixes the capacitance of the measuring capacitor, determined by the distance between its plates. After adjusting the membrane tension, the sample stage is locked with lock nut 12.

Для проведения измерений пьезоэлектрического эффекта на образец 5 наносится тонкий слой токопроводящего клея 15 и приклеиваются токопроводящие обкладки 16. Для исключения возникновения дополнительных емкостных цепей на обкладки 16 приклеивается тонкий слой диэлектрика 17. К обкладкам 16 подпаиваются токоподводящие провода, которые подключены к источнику постоянного напряжения. При подаче постоянного напряжения к пьезоэлектрику возникает его деформация, таким образом происходит смещение подвижной обкладки измерительного конденсатора 7, что приводит к изменению емкости измерительного конденсатора. Последнее фиксируется измерителем емкости.To measure the piezoelectric effect, a thin layer of conductive adhesive 15 is applied to sample 5 and conductive plates 16 are glued. To prevent the occurrence of additional capacitive circuits, a thin dielectric layer 17 is glued to plates 16. Current-carrying wires connected to a constant voltage source are soldered to the plates 16. When a constant voltage is applied to the piezoelectric, its deformation occurs, thus, the movable plate of the measuring capacitor 7 is displaced, which leads to a change in the capacitance of the measuring capacitor. The latter is recorded by a capacitance meter.

Таким образом, предлагаемое изобретение использует нижний электрический разъем криостата PPMS QD для крепления измерительной ячейки, что избавляет от необходимости использования газообразной теплообменной среды, так как теплообмен осуществляется через корпус электрического разъема, что открывает возможность проведения измерений в вакууме, кроме того, предусмотрены дополнительные токовыводы. Для обеспечения возможности измерения пьезоэлектрического эффекта измерительная установка снабжена дополнительными токовводами. Для облегчения предварительной настройки натяжения мембраны используется понижающий редуктор.Thus, the present invention uses the lower electrical connector of the PPMS QD cryostat to mount the measuring cell, which eliminates the need for a gaseous heat transfer medium, since heat exchange is carried out through the housing of the electrical connector, which opens up the possibility of measurements in vacuum, in addition, additional current outputs are provided. To ensure the possibility of measuring the piezoelectric effect, the measuring unit is equipped with additional current leads. To facilitate the preliminary adjustment of the membrane tension a reduction gear is used.

К технико-экономическим преимуществам данного устройства относится то, что оно позволяет проводить измерения пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов, а также коэффициента линейного температурного расширения образца в вакууме.The technical and economic advantages of this device include the fact that it allows measurements of the piezoelectric and magnetostrictive effects, as well as the coefficient of linear thermal expansion of the sample in vacuum.

Claims (1)

Емкостный дилатометр для работы в составе установки PPMS QD, содержащий систему косвенных измерений линейной деформации путем измерения емкости измерительного конденсатора, отличающийся тем, что снабжен дополнительными токовводами и понижающим редуктором, а также тем, что адаптирован под основной электрический разъем криостата PPMS QD для обеспечения стабилизации температуры в вакууме.A capacitive dilatometer for operation as part of the PPMS QD installation, containing a system of indirect linear strain measurements by measuring the capacitance of the measuring capacitor, characterized in that it is equipped with additional current leads and a reduction gear, as well as that it is adapted for the main electrical connector of the PPMS QD cryostat to ensure temperature stabilization in a vacuum.
RU2016150302A 2016-12-20 2016-12-20 Capacitive dilatometer for operation in ppms qd installation RU2645823C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016150302A RU2645823C1 (en) 2016-12-20 2016-12-20 Capacitive dilatometer for operation in ppms qd installation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016150302A RU2645823C1 (en) 2016-12-20 2016-12-20 Capacitive dilatometer for operation in ppms qd installation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2645823C1 true RU2645823C1 (en) 2018-02-28

Family

ID=61568419

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016150302A RU2645823C1 (en) 2016-12-20 2016-12-20 Capacitive dilatometer for operation in ppms qd installation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2645823C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110146542A (en) * 2019-05-17 2019-08-20 中国科学院上海技术物理研究所 The test device and test method of material thermal expansion coefficient under a kind of low temperature

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU219260A1 (en) * И. С. Демчук
US3898836A (en) * 1974-04-08 1975-08-12 Theta Ind Inc Differential dilatometer
SU1661634A1 (en) * 1988-12-01 1991-07-07 Воронежский Политехнический Институт Dilatometer for testing polymeric materials
DE102012109841A1 (en) * 2011-11-17 2013-05-23 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Miniature dilatometer for measurements of thermal expansion and magnetostriction for use within a multifunctional insert of a PPMS instrument
US8992077B2 (en) * 2013-03-07 2015-03-31 Quantum Design International, Inc. Ultrasensitive ratiometric capacitance dilatometer and related methods

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU219260A1 (en) * И. С. Демчук
US3898836A (en) * 1974-04-08 1975-08-12 Theta Ind Inc Differential dilatometer
SU1661634A1 (en) * 1988-12-01 1991-07-07 Воронежский Политехнический Институт Dilatometer for testing polymeric materials
DE102012109841A1 (en) * 2011-11-17 2013-05-23 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Miniature dilatometer for measurements of thermal expansion and magnetostriction for use within a multifunctional insert of a PPMS instrument
US8992077B2 (en) * 2013-03-07 2015-03-31 Quantum Design International, Inc. Ultrasensitive ratiometric capacitance dilatometer and related methods

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110146542A (en) * 2019-05-17 2019-08-20 中国科学院上海技术物理研究所 The test device and test method of material thermal expansion coefficient under a kind of low temperature
CN110146542B (en) * 2019-05-17 2024-02-20 中国科学院上海技术物理研究所 Device and method for testing thermal expansion coefficient of material at low temperature

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN201016946Y (en) Heat conductive material parameter testing device
TW201344189A (en) Testing apparatus for spring
US20120327969A1 (en) Test method and device for testing heat sink
RU2596631C1 (en) Temperature diagnostics for monocrystalline working fluid pressure sensor
RU2645823C1 (en) Capacitive dilatometer for operation in ppms qd installation
Liu et al. A simple setup to test thermal contact resistance between interfaces of two contacted solid materials
CN101526404A (en) Temperature and pressure compound sensor
US10615095B1 (en) Implementing strain sensing thermal interface materials
TW201043809A (en) Sensing module applied to ball-screw mechanism
CN102032846B (en) Pressure calibration device for coil caliper rule of motor
CN110662953B (en) Stress unit
CN109860453A (en) A kind of cell apparatus for underground storage type pressure gauge
CN106855444A (en) A kind of low pressure signalling means
TW200722707A (en) Expansion sensor for electrical measure of negative and positive surface expansions
CN113484144B (en) Open type multi-field coupling test system
CN115684904A (en) Key testing device, clamp of key testing device and using method of clamp
CN205691445U (en) Measure the assay device of High Temperature High Pressure lower straighttube road ratcheting
CN102297649A (en) Apparatus for measuring diameter of instrument indicator of automobile
CN102058401A (en) Screwed-in capillary pressure measuring device
CN109085196A (en) Single capacitor expansion indicator
JPH10332519A (en) Characteristic measuring instrument for pressure sensor
CN112857654B (en) Non-contact magnetic sensor
CN110657755B (en) Speckle interference deformation measurement system calibration method and loading device
CN201145619Y (en) Friction contact face temperature measurement system
CN219511790U (en) Special detection device for springs