[發(fā)明專利]一種用于聚變超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測量裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110075877.3
• 申請日: 2011-03-29
• 公開（公告）號: CN102226682A
• 公開（公告）日: 2011-10-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳鵬;王秋良
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院電工研究所
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;G01L1/22
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 關(guān)玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測量裝置。

背景技術(shù)

大型聚變超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在運行時通常具有電流大、場強高、儲能大的特點。由于電流和磁場的相互作用，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)氧樹脂破裂，而環(huán)氧樹脂破裂所帶來的機械擾動將導(dǎo)致超導(dǎo)磁體在極低的電流下失超，達(dá)不到實際的設(shè)計要求，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)濟損失。因此，機械應(yīng)力應(yīng)變分析是超導(dǎo)磁體設(shè)計的重要一部分。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，勵磁等)的應(yīng)力應(yīng)變問題。此外，在超導(dǎo)磁體系統(tǒng)運行前，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)變測量裝置以精確測量各種結(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，并檢驗機械應(yīng)力應(yīng)變有限元計算的精度。

電阻應(yīng)變片由于體積小，能在低溫強磁環(huán)境下正常工作，原理簡單，測量直觀方便等優(yōu)點，因而被廣泛地運用于大型聚變超導(dǎo)磁體的應(yīng)變測量。如中國的EAST托卡馬克，韓國的KASTAR托卡馬克等都采用了電阻應(yīng)變片來測量應(yīng)變。然而，電阻應(yīng)變片的靈敏度隨溫度和磁場的變化而變化，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)行精確測量的關(guān)鍵。通常，在使用電阻應(yīng)變片前，對電阻應(yīng)變片進(jìn)行校正實驗，得到電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變與溫度及磁場強度之間關(guān)系的擬合曲線，從而為電阻應(yīng)變片在低溫強磁環(huán)境下的測量提供參考。然而，校正實驗搭建復(fù)雜，花費大，校正結(jié)果精度難以保證。目前，廣泛采用補償應(yīng)變片來消除工作應(yīng)變片的溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)，如文獻(xiàn)【JingQian，Peide?Weng，Jiarong?Luo，Zhuomin?Chen，and?Yu?Wu.Measurement?System?in?Large-ScaleSuperconducting?Magnet?Performance?Test.IEEE?Trans.Appl.Supercond.，vol.20，NO.5，2010.pp2312-2316】所述。然而，目前的應(yīng)變測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)變測量裝置的測量精度。因此，必須發(fā)展受溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)影響小，抗干擾能力強的應(yīng)變測量裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有應(yīng)變測量裝置受溫度效應(yīng)和磁阻效應(yīng)影響大的缺點，提供一種抗干擾能力強的超導(dǎo)磁體應(yīng)變測量裝置。該應(yīng)變測量裝置尤其適用于大型聚變超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，可精確測量超導(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)變測量裝置主要包括補償塊、工作應(yīng)變片、補償應(yīng)變片和屏蔽罩。本發(fā)明應(yīng)變測量裝置的電氣連接為1/4電橋電路，工作應(yīng)變片電阻和補償應(yīng)變片電阻分別接入電橋的相鄰兩個橋臂，在電橋的另外兩個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，用來測量超導(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)變片附近安裝了補償塊。補償塊近似為L形狀，固定在超導(dǎo)磁體的不銹鋼鎧甲表面，L形補償塊的長邊表面與超導(dǎo)磁體的不銹鋼鎧甲表面平行。在L形補償塊長邊的下表面粘貼了補償應(yīng)變片。補償應(yīng)變片的位置與工作應(yīng)變片的位置上下對稱，補償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片之間的上下垂直距離很小，使補償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片所在位置的磁場強度近似相同。補償塊采用不銹鋼材料制成，與超導(dǎo)磁體的鎧甲材料相同。為了使補償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片的溫度近似相同，補償塊上，除粘貼有補償應(yīng)變片的表面外，在補償塊的其余表面上均鍍有銅膜。由于銅的良好導(dǎo)熱特性，補償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片之間的溫差將縮小。此外，在補償塊、工作應(yīng)變片和補償應(yīng)變片的四周還安裝了屏蔽罩。屏蔽罩采用鋁材料制成，為長方體形狀。屏蔽罩不僅能夠削弱電磁干擾對工作應(yīng)變片和補償應(yīng)變片的影響，還能夠?qū)ρa償塊、工作應(yīng)變片和補償應(yīng)變片起機械保護(hù)的作用。

所述的工作應(yīng)變片和補償應(yīng)變片為電阻應(yīng)變片。在本發(fā)明應(yīng)變測量裝置的電氣連接方面，工作應(yīng)變片電阻和補償應(yīng)變片電阻分別接入電橋的相鄰兩個橋臂，在電橋的另外兩個橋臂上分別接入第一固定橋臂電阻和第二固定橋臂電阻，所述的四個橋臂構(gòu)成了1/4電橋電路。由于工作應(yīng)變片和補償應(yīng)變片所處的溫度磁場環(huán)境基本相同，工作應(yīng)變片熱磁電阻和補償應(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)變片所測的應(yīng)變完全為超導(dǎo)磁體所測位置的應(yīng)變。