專利名稱：力、電、磁耦合試驗(yàn)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多場(chǎng)耦合測(cè)量裝置，屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
新材料的發(fā)展是支撐現(xiàn)代科技進(jìn)步的基石之一。隨著人類活動(dòng)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，許多材料的使用環(huán)境異常復(fù)雜，往往要同時(shí)滿足多項(xiàng)性能要求。例如，壓電材料在使用中要同時(shí)考慮其力學(xué)和電學(xué)性能，超導(dǎo)磁體在使用中往往要承受機(jī)械載荷、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的同時(shí)作用。
研究發(fā)現(xiàn)，許多材料在上述不同類型載荷(機(jī)械、電、磁等)同時(shí)作用下，往往表現(xiàn)出復(fù)雜性質(zhì)。例如，有些超導(dǎo)材料在單一機(jī)械載荷或單一外加磁場(chǎng)作用下，其超導(dǎo)性能較為優(yōu)良，但在機(jī)械載荷和外加磁場(chǎng)同時(shí)作用下，超導(dǎo)性能發(fā)生急劇下降，這時(shí)很難通過單獨(dú)測(cè)量這類材料的臨界機(jī)械強(qiáng)度和臨界磁性質(zhì)而給出其在機(jī)械載荷和磁場(chǎng)同時(shí)作用下的超導(dǎo)電學(xué)性質(zhì)，事實(shí)上，大多數(shù)材料都具有類似現(xiàn)象。不失一般性，材料的力、電關(guān)系和電、磁關(guān)系可表示為f(P，I)＝0，g(I，C)＝0上式中P、I、C分別代表力學(xué)中的載荷、電學(xué)中的電流和磁學(xué)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度參量，f、g分別表示它們存在的某種函數(shù)關(guān)系。
那么，即使通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法分別得到上面兩個(gè)關(guān)系式的具體表示形式，也無法給出方程k(P，I，C)＝0的具體形式，這里k表示這三種完全不同類型載荷(機(jī)械、電、磁)同時(shí)作用下，材料所表現(xiàn)出來的特性。
因此，從新材料研究和工程應(yīng)用角度出發(fā)，實(shí)驗(yàn)過程中必須要同時(shí)進(jìn)行多參數(shù)輸入和多參數(shù)測(cè)量，這在現(xiàn)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上是很難實(shí)現(xiàn)的，目前還沒有發(fā)現(xiàn)一套能同時(shí)測(cè)量力、電、磁耦合的試驗(yàn)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題設(shè)計(jì)一套能同時(shí)進(jìn)行力、電、磁三場(chǎng)耦合作用材料性能研究的試驗(yàn)裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)就是要在一套裝置上能同時(shí)實(shí)現(xiàn)力、電、磁測(cè)量。在本發(fā)明中，機(jī)械載荷通過一步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，利用機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)試件進(jìn)行軸向加載，載荷值由力傳感器記錄；電場(chǎng)通過一直流恒壓源提供，實(shí)驗(yàn)過程中采用標(biāo)準(zhǔn)四引線法進(jìn)行電阻值測(cè)量；外加磁場(chǎng)由高溫超導(dǎo)磁體提供。
本發(fā)明的有益效果目前工程上廣泛應(yīng)用的一些功能材料往往不僅要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，而且同時(shí)要實(shí)現(xiàn)某種功能，例如具有一定的導(dǎo)電或抗磁性質(zhì)。為此，對(duì)這些材料在設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮其力、電和磁學(xué)性質(zhì)，本發(fā)明為開展相關(guān)研究提供一種實(shí)驗(yàn)手段。


圖1力、電、磁耦合試驗(yàn)測(cè)量裝置示意圖。
圖中步進(jìn)電機(jī)1、固定螺栓2、電機(jī)支座3、固定螺栓4、緊固夾具5、過渡件6、支撐桿7、軸承及其支座8、限位塊9、過渡桿10、支撐桿11、載荷傳感器12、密封金屬墊13、波紋管14、接線座15、密封墊16、上法蘭17、密封圈18、下法蘭19、移動(dòng)桿20、固定管21、超導(dǎo)磁體容器22、上支撐件23、絕緣過渡件24、上夾具25、固定螺栓26、梯形墊片27、反向支撐桿28、樣品29、平墊片30、熱電偶溫度計(jì)31、底座32、加熱箍33。
圖2緊固夾具3Bi(2223)高溫超導(dǎo)帶材外加載荷與臨界電流密度的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
以附圖1為實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明步進(jìn)電機(jī)1選用日本進(jìn)口RS250型，電機(jī)座沿圓周均布有四個(gè)φ6光孔。
電機(jī)支座3設(shè)計(jì)為與電機(jī)座直徑相等的圓盤，中間開通孔讓電機(jī)輸出軸自由穿過，在與步進(jìn)電機(jī)座上的安裝孔相對(duì)應(yīng)的直徑上均布四個(gè)螺紋孔，通過固定螺栓2與電機(jī)支座3固定，另外在電機(jī)支座3的下底面對(duì)稱加工兩螺紋孔，用于與支撐桿7擰緊。
緊固夾具5如圖2所示，為一環(huán)形緊固夾具，通過擰緊螺栓4和螺母，將電機(jī)的輸出軸和過渡件6的一端緊固在一起。
過渡件6為一臺(tái)階軸，其一端的直徑和電機(jī)輸出軸相同，在另一端的端面中心設(shè)一螺紋孔，用于和過渡桿10的一端連接。
支撐桿7和11均在兩端加工一定長(zhǎng)度的螺紋，分別與電機(jī)支座3、軸承及其支座8、上法蘭15擰緊。
軸承鑲嵌在支座的中心孔中，構(gòu)成軸承及其支座8。在支座的任一中心線對(duì)稱設(shè)六個(gè)螺紋孔，其內(nèi)一對(duì)螺紋孔用螺釘將限位塊9固定在支座上；中間一對(duì)螺紋孔用于與支撐桿7擰緊；最外一對(duì)螺紋孔用于與支撐桿11連接。
限位塊9為兩塊中間各開一通孔的長(zhǎng)方體不銹鋼塊。
過渡桿10兩端為螺紋桿，中間部位一段為圓形，一段為方形截面，其圓柱形段與軸承及其支座(8)中的軸承配合，方形段和左右兩塊限位塊9緊靠在一起。
載荷傳感器12的兩端通過螺母與移動(dòng)桿20的一端和過渡桿10的另一端連接。
密封金屬墊13中心開一孔，分別與波紋管14的一端、移動(dòng)桿20的一端焊接在一起，并保證密封。波紋管14的另一端焊接在上法蘭17的中部，并保證密封。
上法蘭17上開一中心孔，保證移動(dòng)桿20自由穿過；上法蘭17的左側(cè)開設(shè)一臺(tái)階孔，在孔內(nèi)固定一接線座15，通過密封墊16密封，上法蘭17和接線座15之間通過螺釘固定；這樣，通過接線座15上、下端面的引線接頭，將容器內(nèi)的信號(hào)引出容器外，再通過相關(guān)儀器檢測(cè)記錄。上法蘭17上還加工兩個(gè)螺紋孔，用于與支撐桿11連接。
下法蘭19的上面加工一環(huán)形槽，用于放置密封圈18密封，下法蘭19通過螺栓、螺母和上法蘭17擰緊。
移動(dòng)桿20的兩端加工有螺紋，其一端與載荷傳感器12和密封金屬墊13連接，另一端穿過固定管21與絕緣過渡件24螺紋連接。
固定管21為一圓管，一端安裝并焊接在上法蘭17的中間孔中，另一端安裝并焊接在上支撐件23的中心孔中。
超導(dǎo)磁體容器22為選用磁場(chǎng)強(qiáng)度為8特斯拉的標(biāo)準(zhǔn)超導(dǎo)容器，圖1中只給出內(nèi)外壁示意，因是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，沒有畫出詳細(xì)結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)磁體容器22的開口端與下法蘭19焊接。
上支撐件23為圓盤結(jié)構(gòu)，中間加工一圓孔，用于安裝并與固定管20的一端焊接在一起。
上支撐件23為圓盤結(jié)構(gòu)，上下均通過焊接與固定管21、反向支撐桿28聯(lián)結(jié)。
絕緣過渡件24為一圓柱體，兩端設(shè)螺紋孔與移動(dòng)桿20、上夾具25均為螺紋聯(lián)結(jié)。
上夾具25為目前材料試驗(yàn)機(jī)選用的標(biāo)準(zhǔn)板材拉伸實(shí)驗(yàn)夾具。
反向支撐桿28的兩端分別焊接在上支撐件23和底座32上。
底座32上部分也是標(biāo)準(zhǔn)板材拉伸實(shí)驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)，只是在下部分增加一圓盤狀基座，用來固定環(huán)形加熱箍33和反向支撐桿28。
上夾具25、底座32上分別鉆一φ3孔，用來安裝熱電偶溫度計(jì)31。
力、電、磁耦合試驗(yàn)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理步進(jìn)電機(jī)1通過固定螺栓2固定在電機(jī)支座3上，再通過支撐桿7、軸承及其支座8和支撐桿11，最終固定在上法蘭17上。步進(jìn)電機(jī)1的輸出軸通過固定螺栓4和緊固夾具5與過渡件6緊固在一起，使步進(jìn)電機(jī)1的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)過渡件6一起轉(zhuǎn)動(dòng)。過渡件6由軸承及其支座8支撐，而且能與軸承內(nèi)圈一起自由轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承支座下端面固定兩塊方形限位塊9。過渡件6下部分中間有一螺紋孔，與過渡件10螺紋連結(jié)，這樣過渡件6轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)過渡桿10產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于限位塊9的限制作用，只允許過渡桿10發(fā)生上下移動(dòng)、不允許轉(zhuǎn)動(dòng)，這部分機(jī)構(gòu)的工作原理類似于渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，主要是將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為垂直移動(dòng)。
過渡桿10垂直移動(dòng)，帶動(dòng)載荷傳感器12、移動(dòng)桿20、絕緣過渡件24、上夾具25發(fā)生垂直移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品29進(jìn)行軸向拉伸或壓縮。因?yàn)槌瑢?dǎo)磁體容器22工作時(shí)必須進(jìn)行密封，為了實(shí)現(xiàn)密封，又能保證移動(dòng)桿20上下自由移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的垂直加載，密封部分必須采用波紋管14這樣的彈性大變形密封過渡件。另外，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)裝置中絕大多數(shù)部件均為金屬件，絕緣過渡件24的作用是樣品上焊線進(jìn)行電測(cè)量時(shí)，保證電流只在樣品上流過，不會(huì)通過連結(jié)件部分產(chǎn)生其它旁路。
超導(dǎo)磁體容器22為標(biāo)準(zhǔn)商用儀器，為內(nèi)外雙層薄壁容器，下端面內(nèi)壁不能承受機(jī)械載荷，這樣樣品垂直加載過程中，底座32所受載荷通過反向支撐桿28、上支撐件23和固定管21將載荷施加在上法蘭17上，從而避免對(duì)容器壁的直接承載。此外，夾持樣品的上下夾具中均各有一個(gè)梯形墊片27和一個(gè)平墊片30，這樣能保證在拉伸過程中越拉越緊，避免樣品打滑。加熱器33固定在底座32上，用來進(jìn)行升溫，熱電偶溫度計(jì)31用來測(cè)量實(shí)驗(yàn)溫度。
實(shí)驗(yàn)時(shí)利用步進(jìn)電機(jī)1加載，載荷由載荷傳感器12記錄，磁場(chǎng)由超導(dǎo)磁體容器22提供，實(shí)驗(yàn)前在樣品上焊四根線(兩根電流線、兩根電壓線)，分別通過接線座15連接到外面的恒流源和萬用表(圖中未畫)進(jìn)行電流輸入和電壓測(cè)量。
下面以Bi(2223)銀包套高溫超導(dǎo)帶材液氮溫度下力、電耦合實(shí)驗(yàn)為例(要同時(shí)加磁場(chǎng)也非常簡(jiǎn)單，只需通過超導(dǎo)磁體容器22設(shè)置不同磁場(chǎng)力)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3，測(cè)量步驟主要包括一、連接測(cè)量系統(tǒng)，在樣品上焊四根線(兩根電流線、兩根電壓線)，分別通過接線座15與外面的恒流源和萬用表連接，實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行電流輸入和電壓測(cè)量。
二、固定樣品，利用步進(jìn)電機(jī)加載到預(yù)定值(通過載荷傳感器確定)，保持該載荷值，利用恒流源從低到高依次加電流，同時(shí)測(cè)量其電壓值，記錄在機(jī)械載荷作用下的電流～電壓關(guān)系。
三、通過步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)加載改變機(jī)械載荷，測(cè)量不同力值條件下電流～電壓關(guān)系。
四、給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪圖得到Bi(2223)高溫超導(dǎo)帶材外加載荷與臨界電流密布的關(guān)系，如圖3所示。其中這里臨界電流密布已進(jìn)行歸一化處理，即圖中縱坐標(biāo)給出的是不同載荷時(shí)的臨界電流密布除以無外載時(shí)的臨界電流密布值。
權(quán)利要求
1.一種力、電、磁耦合試驗(yàn)測(cè)量裝置，其特征在于固定在電機(jī)支座(3)上的步進(jìn)電機(jī)(1)的輸出軸，通過緊固夾具(5)與過渡件(6)的一端連接；過渡件(6)的另一端與過渡桿(10)的一端螺紋連接；過渡件(10)的圓柱形部位與軸承及其支座(8)中的軸承配合，過渡件(10)的方形部位置于左右兩塊限位塊(9)之間，過渡件(10)的另一用螺母與載荷傳感器(12)的一端連接；支撐桿(7)的兩端分別與電機(jī)支座(3)和軸承及其支座(8)螺紋連接；用螺釘將兩限位塊(9)對(duì)稱固定在軸承及其支座(8)上；支撐桿(11)的兩端分別與軸承及其支座(8)和上法蘭(17)螺紋連接；波紋管(14)的一端與密封金屬墊13焊接，波紋管14的另一端焊接在上法蘭(17)的中部，并保證密封。上法蘭(17)和下法蘭(19)用螺栓螺母固定，其間由密封圈(18)密封；密封金屬墊(13)焊接在移動(dòng)桿(20)的一端，其端用螺母與載荷傳感器(12)的另一端連接；移動(dòng)桿(20)另一端穿過焊接于上法蘭(17)和上支撐件(23)間的固定管(21)，與絕緣過渡件(24)的另一端螺紋連接；超導(dǎo)磁體容器(22)的開口端與下法蘭(19)焊接；反向支撐桿(28)的兩端分別焊接在上支撐件(23)和底座(32)上；絕緣過渡件(24)的另一端與上夾具(25)螺紋連接；環(huán)形加熱箍(33)固定在底座(32)下部的圓盤狀基座上；熱電偶溫度計(jì)(31)分別安裝在上夾具(25)、底座(32)上的鉆孔中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能同時(shí)進(jìn)行力、電、磁耦合試驗(yàn)測(cè)量裝置。該裝置的步進(jìn)電機(jī)(1)帶動(dòng)過渡件(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于兩限位塊(9)的作用，使與過渡件(6)連接的過渡桿(10)作垂直移動(dòng)，帶動(dòng)載荷傳感器(12)、移動(dòng)桿(20)、絕緣過渡件(24)、上夾具(25)發(fā)生垂直移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品(29)進(jìn)行軸向拉伸或壓縮。載荷值由載荷傳感器(12)記錄；通過一直流恒壓源提供電場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)過程中采用標(biāo)準(zhǔn)四引線法進(jìn)行電流電壓值的測(cè)量；外加磁場(chǎng)由超導(dǎo)磁體容器(22)提供。該裝置為進(jìn)行材料相關(guān)耦合性質(zhì)的研究提供一種實(shí)驗(yàn)手段。
文檔編號(hào)G01N35/00GK1696704SQ20051001177
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2005年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月24日
發(fā)明者王正道, 郭雅芳, 黃海明 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)