專利名稱：一種用于聚變超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
大型聚變超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)通常具有電流大、場(chǎng)強(qiáng)高、儲(chǔ)能大的特點(diǎn)。由于電流和磁場(chǎng)的相互作用，巨大的電磁力可能產(chǎn)生局部應(yīng)變集中，局部的大應(yīng)變將造成環(huán)氧樹(shù)脂破裂，而環(huán)氧樹(shù)脂破裂所帶來(lái)的機(jī)械擾動(dòng)將導(dǎo)致超導(dǎo)磁體在極低的電流下失超，達(dá)不到實(shí)際的設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)重情況下還將造成超導(dǎo)磁體的損壞，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此， 機(jī)械應(yīng)力應(yīng)變分析是超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)的重要一部分。目前，通常采用有限元(FE)方法研究超導(dǎo)磁體在各種工況下(如預(yù)緊，降溫，勵(lì)磁等)的應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題。此外，在超導(dǎo)磁體系統(tǒng)運(yùn)行前，結(jié)合FE分析結(jié)果，還必須在大應(yīng)力應(yīng)變位置安裝應(yīng)變測(cè)量裝置以精確測(cè)量各種結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變，以監(jiān)視磁體在各種工況下的受力情況，確定磁體結(jié)構(gòu)的安全性，并檢驗(yàn)機(jī)械應(yīng)力應(yīng)變有限元計(jì)算的精度。電阻應(yīng)變片由于體積小，能在低溫強(qiáng)磁環(huán)境下正常工作，原理簡(jiǎn)單，測(cè)量直觀方便等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地運(yùn)用于大型聚變超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測(cè)量。如中國(guó)的EAST托卡馬克，韓國(guó)的KASTAR托卡馬克等都采用了電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)量應(yīng)變。然而，電阻應(yīng)變片的靈敏度隨溫度和磁場(chǎng)的變化而變化，即所謂的溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。如何消除溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)的影響，是利用電阻應(yīng)變片進(jìn)行精確測(cè)量的關(guān)鍵。通常，在使用電阻應(yīng)變片前，對(duì)電阻應(yīng)變片進(jìn)行校正實(shí)驗(yàn)，得到電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變與溫度及磁場(chǎng)強(qiáng)度之間關(guān)系的擬合曲線，從而為電阻應(yīng)變片在低溫強(qiáng)磁環(huán)境下的測(cè)量提供參考。然而，校正實(shí)驗(yàn)搭建復(fù)雜，花費(fèi)大，校正結(jié)果精度難以保證。目前，廣泛采用補(bǔ)償應(yīng)變片來(lái)消除工作應(yīng)變片的溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)，如文獻(xiàn)JingQian, Peide ffeng, Jiarong Luo, Zhuomin Chen, and Yu Wu. Measurement System in Large-SealeSuperconducting Magnet Performance Test. IEEE Trans. App1. Supercond.，vol. 20，NO. 5，2010. pp2312_2316所述。然而，目前的應(yīng)變測(cè)量裝置通常采用三線制連接，受導(dǎo)線自身電阻的影響較大。另外，應(yīng)變測(cè)量裝置受電磁干擾及自身發(fā)熱的影響也較大。這些干擾因素都將影響應(yīng)變測(cè)量裝置的測(cè)量精度。因此，必須發(fā)展受溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)影響小，抗干擾能力強(qiáng)的應(yīng)變測(cè)量裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有應(yīng)變測(cè)量裝置受溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)影響大的缺點(diǎn)，提供一種抗干擾能力強(qiáng)的超導(dǎo)磁體應(yīng)變測(cè)量裝置。該應(yīng)變測(cè)量裝置尤其適用于大型聚變超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，可精確測(cè)量超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在不同工況下各結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變。本發(fā)明應(yīng)變測(cè)量裝置主要包括補(bǔ)償塊、工作應(yīng)變片、補(bǔ)償應(yīng)變片和屏蔽罩。本發(fā)明應(yīng)變測(cè)量裝置的電氣連接為1/4電橋電路，工作應(yīng)變片電阻和補(bǔ)償應(yīng)變片電阻分別接入電橋的相鄰兩個(gè)橋臂，在電橋的另外兩個(gè)橋臂上分別接入第一固定橋臂電阻和第二固定橋臂電阻，所述的四個(gè)橋臂構(gòu)成了 1/4電橋電路。
所述的工作應(yīng)變片粘貼在超導(dǎo)磁體的不銹鋼鎧甲表面，用來(lái)測(cè)量超導(dǎo)磁體的應(yīng)變。為了消除工作應(yīng)變片的溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)，在工作應(yīng)變片附近安裝了補(bǔ)償塊。補(bǔ)償塊近似為L(zhǎng)形狀，固定在超導(dǎo)磁體的不銹鋼鎧甲表面，L形補(bǔ)償塊的長(zhǎng)邊表面與超導(dǎo)磁體的不銹鋼鎧甲表面平行。在L形補(bǔ)償塊長(zhǎng)邊的下表面粘貼了補(bǔ)償應(yīng)變片。補(bǔ)償應(yīng)變片的位置與工作應(yīng)變片的位置上下對(duì)稱，補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片之間的上下垂直距離很小，使補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度近似相同。補(bǔ)償塊采用不銹鋼材料制成，與超導(dǎo)磁體的鎧甲材料相同。為了使補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片的溫度近似相同，補(bǔ)償塊上，除粘貼有補(bǔ)償應(yīng)變片的表面外，在補(bǔ)償塊的其余表面上均鍍有銅膜。由于銅的良好導(dǎo)熱特性，補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片之間的溫差將縮小。此外，在補(bǔ)償塊、工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片的四周還安裝了屏蔽罩。屏蔽罩采用鋁材料制成，為長(zhǎng)方體形狀。屏蔽罩不僅能夠削弱電磁干擾對(duì)工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片的影響，還能夠?qū)ρa(bǔ)償塊、工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片起機(jī)械保護(hù)的作用。所述的工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片為電阻應(yīng)變片。在本發(fā)明應(yīng)變測(cè)量裝置的電氣連接方面，工作應(yīng)變片電阻和補(bǔ)償應(yīng)變片電阻分別接入電橋的相鄰兩個(gè)橋臂，在電橋的另外兩個(gè)橋臂上分別接入第一固定橋臂電阻和第二固定橋臂電阻，所述的四個(gè)橋臂構(gòu)成了 1/4 電橋電路。由于工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片所處的溫度磁場(chǎng)環(huán)境基本相同，工作應(yīng)變片熱磁電阻和補(bǔ)償應(yīng)變片熱磁電阻的電阻值完全一致，并在1/4電橋電路中由于對(duì)稱相減而被消除，即工作應(yīng)變片避免了工作應(yīng)變片熱磁電阻的干擾影響，工作應(yīng)變片所測(cè)的應(yīng)變完全為超導(dǎo)磁體所測(cè)位置的應(yīng)變。所述的第一固定橋臂電阻和第二固定橋臂電阻的電阻值均為350歐姆，與工作應(yīng)變片電阻和補(bǔ)償應(yīng)變片電阻的電阻值相同。直流電源與1/4電橋電路的一對(duì)角線相連，以提供電橋激勵(lì)。第一萬(wàn)用電表與1/4電橋電路的另一對(duì)角線相連，用來(lái)測(cè)量電橋輸出電壓。 此外，1/4電橋電路與直流電源的連接電纜一般較長(zhǎng)，連接電纜電阻較大。為了消除電纜的第一導(dǎo)線電阻和第二導(dǎo)線電阻對(duì)應(yīng)變測(cè)量裝置的影響，在直流電源輸入端靠近應(yīng)變測(cè)量裝置的地方，并聯(lián)了第二萬(wàn)用電表以精確測(cè)量電橋激勵(lì)電壓?？偠灾?，本發(fā)明應(yīng)變測(cè)量裝置采用了五線制連接，即工作應(yīng)變片的一端引出兩條導(dǎo)線分別與第二萬(wàn)用電表、直流電源的正極連接，補(bǔ)償應(yīng)變片的一端引出兩條導(dǎo)線分別與第二萬(wàn)用電表、直流電源的負(fù)極連接，工作應(yīng)變片與補(bǔ)償應(yīng)變片的公共端引出一條導(dǎo)線與第一萬(wàn)用電表連接。五線制連接可有效避免連接電纜的電阻對(duì)應(yīng)變測(cè)量精度的影響。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用補(bǔ)償方法消除了溫度和磁阻效應(yīng)對(duì)工作應(yīng)變片的影響，通過(guò)在補(bǔ)償塊上鍍銅膜減小了工作應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片之間的溫差，采用五線制連接消除了連接電纜電阻對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響，滿足超導(dǎo)磁體尤其是大型聚變超導(dǎo)磁體的精確應(yīng)變測(cè)量要求。


圖1是本發(fā)明應(yīng)變測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1超導(dǎo)磁體、2補(bǔ)償塊、3工作應(yīng)變片、4補(bǔ)償應(yīng)變片、5屏蔽罩；圖2是本發(fā)明應(yīng)變測(cè)量裝置的電路連接示意圖，圖中6工作應(yīng)變片電阻、7補(bǔ)償應(yīng)變片電阻、8第一固定橋臂電阻、9第二固定橋臂電阻、10工作應(yīng)變片熱磁電阻、11補(bǔ)償應(yīng)變
4片熱磁電阻、12第一導(dǎo)線電阻、13第二導(dǎo)線電阻、14第一萬(wàn)用電表、15第二萬(wàn)用電表、16直流電源。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明應(yīng)變測(cè)量裝置主要包括補(bǔ)償塊2、工作應(yīng)變片3、補(bǔ)償應(yīng)變片4和屏蔽罩5。如圖1所示，工作應(yīng)變片3粘貼在超導(dǎo)磁體1的不銹鋼鎧甲表面，用來(lái)測(cè)量超導(dǎo)磁體1的應(yīng)變。所采用的粘貼劑能夠?qū)⑺鶞y(cè)位置的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給工作應(yīng)變片3。為了消除工作應(yīng)變片3的溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)，工作應(yīng)變片3附近安裝了補(bǔ)償塊2。補(bǔ)償塊2近似為L(zhǎng)形狀，通過(guò)一顆M6螺釘固定在超導(dǎo)磁體1的不銹鋼鎧甲表面，使L形補(bǔ)償塊2的長(zhǎng)邊表面與超導(dǎo)磁體1的不銹鋼鎧甲表面平行。在L形補(bǔ)償塊2的長(zhǎng)邊下表面粘貼了補(bǔ)償應(yīng)變片4。補(bǔ)償應(yīng)變片4的位置與工作應(yīng)變片3的位置上下對(duì)稱，補(bǔ)償應(yīng)變片4與工作應(yīng)變片3 之間的上下垂直距離很小，約為5毫米，使補(bǔ)償應(yīng)變片4與工作應(yīng)變片3所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度近似相同。補(bǔ)償塊2采用不銹鋼材料制成，與超導(dǎo)磁體1的鎧甲材料相同。為了使補(bǔ)償應(yīng)變片4與工作應(yīng)變片3的溫度近似相同，補(bǔ)償塊2上，除貼有補(bǔ)償應(yīng)變片4的表面外，補(bǔ)償塊2的其余表面上均鍍有50微米的銅膜。由于銅的良好導(dǎo)熱特性，補(bǔ)償應(yīng)變片4與工作應(yīng)變片3之間的溫差將縮小至0. 4K。此外，在補(bǔ)償塊2、工作應(yīng)變片3和補(bǔ)償應(yīng)變片4的四周還安裝了屏蔽罩5。屏蔽罩5采用鋁材料制成，為長(zhǎng)方體形狀，厚1毫米，通過(guò)四顆M3螺釘與補(bǔ)償塊2連接。屏蔽罩5不僅能夠削弱電磁干擾對(duì)工作應(yīng)變片3和補(bǔ)償應(yīng)變片4的影響，還能夠?qū)ρa(bǔ)償塊2、工作應(yīng)變片3和補(bǔ)償應(yīng)變片4起機(jī)械保護(hù)的作用。如圖2所示，本發(fā)明應(yīng)變測(cè)量裝置的電氣連接采用電橋電路。工作應(yīng)變片電阻6 和補(bǔ)償應(yīng)變片電阻7分別接入電橋的相鄰的兩個(gè)橋臂，在另兩個(gè)橋臂上分別接入第一固定橋臂電阻8和第二固定橋臂電阻9，所述的四個(gè)橋臂構(gòu)成了 1/4電橋電路。由于工作應(yīng)變片 3和補(bǔ)償應(yīng)變片4所處的溫度磁場(chǎng)環(huán)境基本相同，工作應(yīng)變片熱磁電阻10和補(bǔ)償應(yīng)變片熱磁電阻11的電阻值完全一致，并在1/4電橋電路中由于對(duì)稱相減而被消除，即工作應(yīng)變片 3避免了工作應(yīng)變片熱磁電阻10的干擾影響，工作應(yīng)變片3所測(cè)的應(yīng)變完全為超導(dǎo)磁體1 所測(cè)位置的應(yīng)變。第一固定橋臂電阻8和第二固定橋臂電阻9的電阻值均為350歐姆，與工作應(yīng)變片電阻6和補(bǔ)償應(yīng)變片電阻7的電阻值相同。直流電源16與1/4電橋電路的一對(duì)角線相連，以提供電橋激勵(lì)。第一萬(wàn)用電表14與1/4電橋電路的另一對(duì)角線相連，用來(lái)測(cè)量電橋輸出電壓。此外，1/4電橋電路與直流電源16的連接電纜一般較長(zhǎng)，約50米。為了消除電纜的第一導(dǎo)線電阻12和第二導(dǎo)線電阻13對(duì)應(yīng)變測(cè)量裝置的影響，在直流電源16輸入端靠近應(yīng)變測(cè)量裝置的地方，并聯(lián)了第二萬(wàn)用電表15以精確測(cè)量電橋激勵(lì)電壓?？偠灾?，本發(fā)明應(yīng)變測(cè)量裝置采用了五線制連接，即工作應(yīng)變片3的一端引出兩條導(dǎo)線分別與第二萬(wàn)用電表15、直流電源16的正極連接，補(bǔ)償應(yīng)變片4的一端引出兩條導(dǎo)線分別與第二萬(wàn)用電表15、直流電源16的負(fù)極連接，工作應(yīng)變片3與補(bǔ)償應(yīng)變片4的公共端引出一條導(dǎo)線與第一萬(wàn)用電表14連接。五線制連接可有效避免連接電纜的電阻對(duì)應(yīng)變測(cè)量精度的影響。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于聚變超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測(cè)量裝置，其特征在于所述的應(yīng)變測(cè)量裝置包括包括補(bǔ)償塊O)、工作應(yīng)變片(3)、補(bǔ)償應(yīng)變片(4)和屏蔽罩(5)；所述的工作應(yīng)變片(3)粘貼在超導(dǎo)磁體⑴的不銹鋼鎧甲表面；補(bǔ)償塊⑵安裝在工作應(yīng)變片⑶附近，固定在超導(dǎo)磁體 (1)的不銹鋼鎧甲表面；補(bǔ)償塊(2)近似為L(zhǎng)形狀，L形補(bǔ)償塊O)的長(zhǎng)邊表面與超導(dǎo)磁體 ⑴的不銹鋼鎧甲表面平行；L形補(bǔ)償塊(2)的長(zhǎng)邊下表面粘貼了補(bǔ)償應(yīng)變片⑷；補(bǔ)償應(yīng)變片的位置與工作應(yīng)變片( 的位置上下對(duì)稱；補(bǔ)償塊( 上除貼有補(bǔ)償應(yīng)變片(4) 的表面外，其余表面上均鍍有50微米的銅膜。
2.如權(quán)利要求1所述的用于聚變超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測(cè)量裝置，其特征在于所述的補(bǔ)償應(yīng)變片(4)與工作應(yīng)變片(3)之間的上下垂直距離為5毫米，使補(bǔ)償應(yīng)變片(4)與工作應(yīng)變片(3)所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度近似相同。
3.如權(quán)利要求1所述的用于聚變超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測(cè)量裝置，其特征在于所述的補(bǔ)償塊 ⑵采用不銹鋼材料制成，與超導(dǎo)磁體⑴的鎧甲材料相同。
4.如權(quán)利要求1所述的用于聚變超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測(cè)量裝置，其特征在于所述的應(yīng)變測(cè)量裝置的電氣連接采用電橋電路；工作應(yīng)變片電阻(6)和補(bǔ)償應(yīng)變片電阻(7)分別接入電橋的相鄰的兩個(gè)橋臂，在電橋的另兩個(gè)橋臂上分別接入第一固定橋臂電阻(8)和第二固定橋臂電阻(9)，所述的電橋的四個(gè)橋臂構(gòu)成了 1/4電橋電路；直流電源(16)與1/4電橋電路的一對(duì)角線相連；第一萬(wàn)用電表(14)與1/4電橋電路的另一對(duì)角線相連；在直流電源(16) 的輸入端靠近應(yīng)變測(cè)量裝置之處并聯(lián)了第二萬(wàn)用電表(1 ；所述的應(yīng)變測(cè)量裝置采用了五線制連接，即工作應(yīng)變片(3)的一端引出兩條導(dǎo)線分別與第二萬(wàn)用電表(15)的正極，以及直流電源(16)的正極連接，補(bǔ)償應(yīng)變片(4)的一端引出兩條導(dǎo)線分別與第二萬(wàn)用電表 (15)的負(fù)極，以及直流電源(16)的負(fù)極連接；工作應(yīng)變片(3)與補(bǔ)償應(yīng)變片⑷的公共端引出一條導(dǎo)線與第一萬(wàn)用電表(14)連接。
全文摘要
一種用于聚變超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測(cè)量裝置，包括補(bǔ)償塊(2)、工作應(yīng)變片(3)、補(bǔ)償應(yīng)變片(4)和屏蔽罩(5)；所述的工作應(yīng)變片(3)粘貼在超導(dǎo)磁體(1)的不銹鋼鎧甲表面；補(bǔ)償塊(2)安裝在工作應(yīng)變片(3)附近，固定在超導(dǎo)磁體(1)的不銹鋼鎧甲表面；補(bǔ)償塊(2)近似為L(zhǎng)形狀，L形補(bǔ)償塊(2)的長(zhǎng)邊表面與超導(dǎo)磁體(1)的不銹鋼鎧甲表面平行；L形補(bǔ)償塊(2)的長(zhǎng)邊下表面粘貼了補(bǔ)償應(yīng)變片(4)；補(bǔ)償應(yīng)變片(4)的位置與工作應(yīng)變片(3)的位置上下對(duì)稱；補(bǔ)償塊(2)上除貼有補(bǔ)償應(yīng)變片(4)的表面外，其余表面上均鍍有50微米的銅膜。補(bǔ)償應(yīng)變片(4)與工作應(yīng)變片(3)所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度近似相同。
文檔編號(hào)G01L1/22GK102226682SQ20111007587
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者王秋良, 陳鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所