強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力?電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，包括試驗(yàn)機(jī)模塊、磁場(chǎng)模塊、電源模塊、非接觸式光測(cè)變形模塊、加載控制模塊和數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊，所述磁場(chǎng)模塊安裝在試驗(yàn)機(jī)模塊的試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部，電源模塊為兩個(gè)大功率電源，分別用于所述低溫超導(dǎo)磁體的電源和對(duì)樣品的電流加載電源，非接觸式光測(cè)變形模塊包括CCD相機(jī)，加載控制模塊用于對(duì)樣品的磁場(chǎng)、光?電耦合和光測(cè)變形進(jìn)行加載與控制，本發(fā)明采用無(wú)液氮干式制冷超導(dǎo)磁體方式，且能對(duì)樣品進(jìn)行非接觸式CCD光學(xué)全場(chǎng)變形測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)低高溫超導(dǎo)材料（線材、帶材）載流的加載和控制(0~1000A)，具有適用范圍大、溫度誤差小、磁場(chǎng)度均勻、試驗(yàn)精度準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及超導(dǎo)材料性能測(cè)試領(lǐng)域，具體的涉及強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)現(xiàn)象作為20世紀(jì)的最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，具有非常廣闊的應(yīng)用前景?；谶~斯納效應(yīng)、零電阻等優(yōu)越特性而在高新工程與技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用潛力。超導(dǎo)材料(高溫、低溫)就是基于這些優(yōu)越特性發(fā)展起來(lái)的，如今，超導(dǎo)材料已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用到超導(dǎo)磁體的制造領(lǐng)域，而超導(dǎo)磁體在在大型科學(xué)裝置、醫(yī)療設(shè)備、能源、國(guó)防軍事等諸多領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用前景。
[0003]伴隨著超導(dǎo)材料技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)最高強(qiáng)度已由早期的0.5特斯拉增加到數(shù)十個(gè)特斯拉，但要是繼續(xù)提高磁場(chǎng)的強(qiáng)度以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，其磁體間的洛倫茲力必將大大地提高，對(duì)超導(dǎo)材料的力學(xué)性能要求也越來(lái)越高。因此，從探索超導(dǎo)材料力學(xué)性能的角度出發(fā)，揭示在極端復(fù)雜條件下(低溫、強(qiáng)電磁場(chǎng))超導(dǎo)材料的力學(xué)性能規(guī)律，提高超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的背景磁場(chǎng)是當(dāng)今工程界和學(xué)術(shù)界的迫切要求。
[0004]超導(dǎo)磁體(材料)在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下不能達(dá)到其設(shè)計(jì)要求的大部分誘因來(lái)源于與其力學(xué)性能相關(guān)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、大應(yīng)力、大變形、機(jī)械損傷和破壞等。因此，對(duì)于強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下，超導(dǎo)材料的力-電性能測(cè)量和光測(cè)變形的研究顯得非常重要且具有挑戰(zhàn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下、超導(dǎo)材料力-電性能的測(cè)試以及光測(cè)變形的研究，同時(shí)保證測(cè)量精度準(zhǔn)，穩(wěn)定性高及試驗(yàn)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，包括試驗(yàn)機(jī)模塊、磁場(chǎng)模塊、電源模塊、非接觸式光測(cè)變形模塊、加載控制模塊和數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊，
試驗(yàn)機(jī)模塊包括一臺(tái)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用門(mén)式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，用于測(cè)試樣品的力學(xué)性能，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)包括一真空箱，真空箱安裝于式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)下部，真空箱為一雙層真空的低溫杜瓦，低溫杜瓦內(nèi)部為高真空室，外殼為真空隔熱模式，杜瓦正面有上下兩個(gè)觀察窗，
磁場(chǎng)模塊安裝于杜瓦內(nèi)部，磁場(chǎng)模塊包括低溫超導(dǎo)磁體、制冷機(jī)、高斯計(jì)和溫度探頭，低溫超導(dǎo)磁體為二極磁體結(jié)構(gòu)，采用跑道型超導(dǎo)線圈繞制而成，磁體內(nèi)部空腔用于安放樣品，制冷機(jī)安裝在杜瓦背部，所制冷機(jī)采用多級(jí)冷頭方式，冷頭立式安放于杜瓦內(nèi)部，溫度探頭工作端連接在磁體上，溫度探頭自由端與數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊連接，用于對(duì)磁體實(shí)時(shí)監(jiān)控和進(jìn)行溫度加載的調(diào)控，
電源模塊包括兩個(gè)大功率電源，兩個(gè)大功率電源分別用于低溫超導(dǎo)磁體的電源和對(duì)樣品的電流加載電源，
非接觸式光測(cè)變形模塊包括CCD相機(jī)，
數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊具有磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)(變形、力)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、檢索和分析功能，是集多場(chǎng)性能參數(shù)檢測(cè)、加(卸)載控制和多場(chǎng)行為測(cè)試為一體的集成軟、硬件系統(tǒng)。
[0007]所述觀察窗包括上、下兩個(gè)觀察窗。
[0008]所述制冷機(jī)包括兩個(gè)冷頭，其中一級(jí)冷頭冷卻功率50W、冷卻量55K，二級(jí)冷頭冷卻功率1.5W、冷卻量4.2K。
[0009]所述低溫超導(dǎo)磁體的電源采用專門(mén)的SMS超導(dǎo)電源，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒流與恒壓控制切換，和實(shí)現(xiàn)對(duì)磁體充放電過(guò)程的加電速率和恒流電壓的分段設(shè)置。
[0010]所述萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。
[0011]所述磁場(chǎng)模塊還包括低溫霍爾片，所述低溫霍爾片配合6個(gè)通道的高斯計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量。
[0012]所述加載控制模塊用于對(duì)樣品的磁場(chǎng)、光-電耦合和光測(cè)變形進(jìn)行加載與控制。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1、采用無(wú)液氦干式制冷超導(dǎo)磁體與樣品空間一體化，有效減小研制設(shè)備的體積和重量，制冷溫度最低達(dá)77K?4.2K，磁場(chǎng)最大強(qiáng)度:?12T，磁場(chǎng)均勻度:^ 1%，環(huán)境磁場(chǎng)的大小通過(guò)超導(dǎo)線圈的載流強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，磁體電源采用專門(mén)的超導(dǎo)電源(其功能包括了自動(dòng)恒流、恒壓控制與切換，特殊情況下的快速放電與保護(hù)，以及對(duì)磁體線圈充、放電過(guò)程的速率、恒流、電壓的可控等)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的需要；
2、樣品的電流加載采用更高電流輸出的大功率電源，最大功率:1250W、電流范圍:O?1000A、恒流電壓:+10V—4V、電流穩(wěn)定:ImA/h、10mA/24h，具備開(kāi)路、短路檢測(cè)功能以及遠(yuǎn)程接口等。
[0014]3、采用非接觸式CCD光學(xué)全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)可以大大提高超導(dǎo)絲材的測(cè)量精度，為超導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效參數(shù)的研究提供更高精度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0015]4、對(duì)傳統(tǒng)的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加高改造和力學(xué)傳感器的改造，加高改造是為了保證絲材的拉伸行程，而對(duì)力學(xué)傳感器的改造，是考慮到了超導(dǎo)絲材的多尺度效應(yīng)，通過(guò)運(yùn)用更換不同力學(xué)傳感器，可以精確的測(cè)量不同尺度下的超導(dǎo)絲材的力學(xué)效應(yīng)。
【附圖說(shuō)明】
[0016]附圖1為本發(fā)明的跑道型低溫超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明的非接觸式CCD光學(xué)全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)的光路測(cè)量圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0018]強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，其特征在于，包括試驗(yàn)機(jī)模塊、磁場(chǎng)模塊、電源模塊、非接觸式光測(cè)變形模塊、加載控制模塊和數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊。
[0019]試驗(yàn)機(jī)模塊包括一臺(tái)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，此萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用門(mén)式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用加寬、加高型設(shè)計(jì)，加載方式為全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，用于測(cè)試樣品的力學(xué)性能，相關(guān)性能參數(shù)為:
試驗(yàn)力
最大試驗(yàn)力:200KN 有效測(cè)力范圍:0.4%?100%FS 分辨力:1/300000 示值相對(duì)誤差:±0.5%
負(fù)荷傳感器:高精度200 KN、50KN、10KN、0.5KN、0.1KN、0.05KN多套傳感器；
試驗(yàn)速度
調(diào)節(jié)范圍:0.005?500mm/min(無(wú)級(jí)調(diào)速)
勻試驗(yàn)力速率、勻變形速率控制范圍:0.01%?10%FS/S 勻試驗(yàn)力速率、勻變形速率控制誤差:±0.5%
恒試驗(yàn)力、恒變形控制范圍:0.5%?100%FS 控制誤差:小于10%FS時(shí)為土 1%，大于10%FS時(shí)為土 0.1%
示值相對(duì)誤差:±0.5%;
位移(移動(dòng)橫梁)
測(cè)量范圍:O?999mm 分辨力:0.0Olmm 示值相對(duì)誤差:±0.5%
變形
輸出范圍:0-5mm
有效測(cè)量范圍:0.2%?100%FS
標(biāo)距:50mm
分辨力:1/300000
示值相對(duì)誤差:±0.5%
加載過(guò)程
采用伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，圓弧同步帶輪減速，滾珠絲杠副傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，獲得試驗(yàn)力和變形速度高精密控制。
[0020]萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)還包括一真空箱，真空箱安裝于門(mén)式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)下部，真空箱為一雙層真空的低溫杜瓦，最低冷卻溫度4.0K，低溫杜瓦內(nèi)部為高真空室，外殼為真空隔熱模式，低溫杜瓦內(nèi)腔有效尺寸為A 500mmX L600 mm,其內(nèi)腔中央放置可以產(chǎn)生均勻環(huán)境磁場(chǎng)的低溫超導(dǎo)磁體。
[0021 ] 磁場(chǎng)模塊包括低溫超導(dǎo)磁體、制冷機(jī)、高斯計(jì)和溫度探頭，低溫超導(dǎo)磁體為二極磁體結(jié)構(gòu)，采用跑道型超導(dǎo)線圈繞制而成，磁體尺寸:(內(nèi)徑A 120_、外徑? 160mm) XL350mm,磁體內(nèi)部空腔用于安放樣品，磁體內(nèi)部的有效磁場(chǎng)區(qū)域:R 80mnTL250mm，最高磁場(chǎng)可達(dá)12T(均勻度< 3%)、變磁場(chǎng)(O?4.12T，均勻度< 1%)。
[0022]制冷機(jī)安裝在杜瓦背部，用于磁體的工作溫度冷卻，制冷機(jī)采用多級(jí)冷頭方式，確保冷卻效率:一級(jí)冷頭冷卻功率50W、冷卻量55K，二級(jí)冷頭冷卻功率1.5W、冷卻量4.2K，2支冷頭立式安放于杜瓦內(nèi)部。
[0023]溫度探頭工作端連接在磁體上，溫度探頭自由端與數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊連接，用于對(duì)磁體實(shí)時(shí)監(jiān)控和進(jìn)行溫度加載的調(diào)控，
超電源模塊包括兩個(gè)專門(mén)定制的大功率電源，I臺(tái)用于超導(dǎo)磁體的電源、I臺(tái)用于電磁材料樣品的電流加載電源;超導(dǎo)磁體供電采用專門(mén)的SMS超導(dǎo)電源，可提供寬范圍的電流和電壓輸出:土 600A/5V、電流輸出分辨率:< 1mA，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒流、恒壓控制切換，對(duì)磁體充放電過(guò)程的加電速率和恒流電壓可實(shí)現(xiàn)分段設(shè)置，具備針對(duì)磁體的失超檢測(cè)和保護(hù)功能、實(shí)現(xiàn)特殊情況下的快速放電等;磁材料試件的電流加載采用更高電流輸出的大功率電源，最大功率:1250W、電流范圍:0?1000A、恒流電壓: + 10V~-4V、電流穩(wěn)定:ImA/h、10mA/24h，具備開(kāi)路、短路檢測(cè)功能以及遠(yuǎn)程接口等。
[0024]非接觸式光測(cè)變形模塊包括CCD相機(jī)，CXD相機(jī)(德國(guó))的參數(shù)為:位移精度:0.005像素，應(yīng)變精度:15微應(yīng)變，應(yīng)變測(cè)量范圍:0.01%-3000%，高倍鏡頭:12倍變焦，分辨率:1392 X 1040，最大拍攝速度:10-15張/秒，采集與接口: 1394卡、網(wǎng)卡等。
[0025]數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊具有磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)(變形、力)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、檢索和分析功能，是集多場(chǎng)性能參數(shù)檢測(cè)、加(卸)載控制和多場(chǎng)行為測(cè)試為一體的集成軟、硬件系統(tǒng)，其中磁場(chǎng)測(cè)量功能采用低溫霍爾片配合多通道的高斯計(jì)實(shí)現(xiàn)，所需測(cè)量?jī)x器及傳感器的技術(shù)參數(shù)，通道數(shù):6個(gè)，高斯計(jì)測(cè)量范圍:0.00ImG?30kG，準(zhǔn)確度:±0.05%，計(jì)算機(jī)接口:IEEE-488、RS-232、USB，刷新率:5次/秒，RS-232和IEEE-488 100次/秒。
[0026]測(cè)試時(shí)，加載控制模塊啟動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)樣品分別進(jìn)行機(jī)械力學(xué)性能測(cè)試、電學(xué)性能測(cè)試以及通過(guò)CCD相機(jī)進(jìn)行非接觸式光學(xué)全場(chǎng)變形測(cè)量，測(cè)試所得到數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)與圖像采集處理模塊，由于數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊具有磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)(變形、力)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、檢索與分析等功能，能夠集多場(chǎng)性能參數(shù)檢測(cè)、加(卸)載控制和多場(chǎng)行為測(cè)試為一體，為刻畫(huà)多場(chǎng)下超導(dǎo)材料的基本變形模式提供可靠的實(shí)驗(yàn)條件。
[0027]最后應(yīng)說(shuō)明的是:顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本申請(qǐng)型的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，其特征在于，包括試驗(yàn)機(jī)模塊、磁場(chǎng)模塊、電源模塊、非接觸式光測(cè)變形模塊、加載控制模塊和數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊，所述試驗(yàn)機(jī)模塊分別連接所述磁場(chǎng)模塊、電源模塊、非接觸式光測(cè)變形模塊、加載控制模塊和數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊，所述磁場(chǎng)模塊還與電源模塊連接， 所述試驗(yàn)機(jī)模塊包括一臺(tái)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，所述萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用門(mén)式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，用于測(cè)試樣品的力學(xué)性能，所述萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)包括一真空箱，所述真空箱安裝于所述式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)下部，所述真空箱為一雙層真空的低溫杜瓦，所述低溫杜瓦內(nèi)部為高真空室，外殼為真空隔熱模式，所述杜瓦正面有觀察窗， 所述磁場(chǎng)模塊安裝于杜瓦內(nèi)部，所述磁場(chǎng)模塊包括低溫超導(dǎo)磁體、制冷機(jī)和溫度探頭，所述低溫超導(dǎo)磁體為二極磁體結(jié)構(gòu)，采用跑道型超導(dǎo)線圈繞制而成，所述磁體內(nèi)部空腔用于安放樣品，所述制冷機(jī)安裝在所述杜瓦背部，所述制冷機(jī)采用多級(jí)冷頭方式，所述冷頭立式安放于所述杜瓦內(nèi)部，所述溫度探頭工作端與所述磁體連接，所述溫度探頭自由端與所述數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊連接，用于對(duì)磁體實(shí)時(shí)監(jiān)控和進(jìn)行溫度加載的調(diào)控， 所述電源模塊包括兩個(gè)大功率電源，兩個(gè)所述大功率電源分別用于所述低溫超導(dǎo)磁體的電源和對(duì)樣品的電流加載電源， 所述非接觸式光測(cè)變形模塊包括CCD相機(jī)， 所述數(shù)據(jù)與圖像采集處理模塊包括高斯計(jì)，所述高斯計(jì)用于磁場(chǎng)度測(cè)量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，其特征在于，所述觀察窗包括上、下兩個(gè)觀察窗。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷機(jī)包括兩個(gè)冷頭，其中一級(jí)冷頭冷卻功率50W、冷卻量55K，二級(jí)冷頭冷卻功率1.5W、冷卻量4.2K。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，其特征在于，所述低溫超導(dǎo)磁體的電源采用專門(mén)的SMS超導(dǎo)電源，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒流與恒壓控制切換，和實(shí)現(xiàn)對(duì)磁體充放電過(guò)程的加電速率和恒流電壓的分段設(shè)置。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，其特征在于，所述萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集與處理模塊還包括低溫霍爾片，所述低溫霍爾片配合6個(gè)通道的高斯計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下力-電耦合加載與非接觸式光測(cè)變形系統(tǒng)，其特征在于，所述加載控制模塊用于對(duì)樣品的磁場(chǎng)、光-電耦合和光測(cè)變形進(jìn)行加載與控制。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK106018707SQ201610573492
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月20日
【發(fā)明人】王省哲, 關(guān)明智, 周又和
【申請(qǐng)人】蘭州大學(xué)