CN102226682A - 一种用于聚变超导磁体的应变测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于聚变超导磁体的应变测量装置，包括补偿块(2)、工作应变片(3)、补偿应变片(4)和屏蔽罩(5)；所述的工作应变片(3)粘贴在超导磁体(1)的不锈钢铠甲表面；补偿块(2)安装在工作应变片(3)附近，固定在超导磁体(1)的不锈钢铠甲表面；补偿块(2)近似为L形状，L形补偿块(2)的长边表面与超导磁体(1)的不锈钢铠甲表面平行；L形补偿块(2)的长边下表面粘贴了补偿应变片(4)；补偿应变片(4)的位置与工作应变片(3)的位置上下对称；补偿块(2)上除贴有补偿应变片(4)的表面外，其余表面上均镀有50微米的铜膜。补偿应变片(4)与工作应变片(3)所在位置的磁场强度近似相同。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导磁体的应变测量装置。
背景技术
大型聚变超导磁体系统在运行时通常具有电流大、场强高、储能大的特点。由于电流和磁场的相互作用，巨大的电磁力可能产生局部应变集中，局部的大应变将造成环氧树脂破裂，而环氧树脂破裂所带来的机械扰动将导致超导磁体在极低的电流下失超，达不到实际的设计要求，严重情况下还将造成超导磁体的损坏，从而产生巨大的经济损失。因此，机械应力应变分析是超导磁体设计的重要一部分。目前，通常采用有限元(FE)方法研究超导磁体在各种工况下(如预紧，降温，励磁等)的应力应变问题。此外，在超导磁体系统运行前，结合FE分析结果，还必须在大应力应变位置安装应变测量装置以精确测量各种结构材料的应变，以监视磁体在各种工况下的受力情况，确定磁体结构的安全性，并检验机械应力应变有限元计算的精度。
电阻应变片由于体积小，能在低温强磁环境下正常工作，原理简单，测量直观方便等优点，因而被广泛地运用于大型聚变超导磁体的应变测量。如中国的EAST托卡马克，韩国的KASTAR托卡马克等都采用了电阻应变片来测量应变。然而，电阻应变片的灵敏度随温度和磁场的变化而变化，即所谓的温度效应和磁阻效应。如何消除温度效应和磁阻效应的影响，是利用电阻应变片进行精确测量的关键。通常，在使用电阻应变片前，对电阻应变片进行校正实验，得到电阻应变片测量应变与温度及磁场强度之间关系的拟合曲线，从而为电阻应变片在低温强磁环境下的测量提供参考。然而，校正实验搭建复杂，花费大，校正结果精度难以保证。目前，广泛采用补偿应变片来消除工作应变片的温度效应和磁阻效应，如文献【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，目前的应变测量装置通常采用三线制连接，受导线自身电阻的影响较大。另外，应变测量装置受电磁干扰及自身发热的影响也较大。这些干扰因素都将影响应变测量装置的测量精度。因此，必须发展受温度效应和磁阻效应影响小，抗干扰能力强的应变测量装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有应变测量装置受温度效应和磁阻效应影响大的缺点，提供一种抗干扰能力强的超导磁体应变测量装置。该应变测量装置尤其适用于大型聚变超导磁体系统，可精确测量超导磁体系统在不同工况下各结构材料的应变。
本发明应变测量装置主要包括补偿块、工作应变片、补偿应变片和屏蔽罩。本发明应变测量装置的电气连接为1/4电桥电路，工作应变片电阻和补偿应变片电阻分别接入电桥的相邻两个桥臂，在电桥的另外两个桥臂上分别接入第一固定桥臂电阻和第二固定桥臂电阻，所述的四个桥臂构成了1/4电桥电路。
所述的工作应变片粘贴在超导磁体的不锈钢铠甲表面，用来测量超导磁体的应变。为了消除工作应变片的温度效应和磁阻效应，在工作应变片附近安装了补偿块。补偿块近似为L形状，固定在超导磁体的不锈钢铠甲表面，L形补偿块的长边表面与超导磁体的不锈钢铠甲表面平行。在L形补偿块长边的下表面粘贴了补偿应变片。补偿应变片的位置与工作应变片的位置上下对称，补偿应变片与工作应变片之间的上下垂直距离很小，使补偿应变片与工作应变片所在位置的磁场强度近似相同。补偿块采用不锈钢材料制成，与超导磁体的铠甲材料相同。为了使补偿应变片与工作应变片的温度近似相同，补偿块上，除粘贴有补偿应变片的表面外，在补偿块的其余表面上均镀有铜膜。由于铜的良好导热特性，补偿应变片与工作应变片之间的温差将缩小。此外，在补偿块、工作应变片和补偿应变片的四周还安装了屏蔽罩。屏蔽罩采用铝材料制成，为长方体形状。屏蔽罩不仅能够削弱电磁干扰对工作应变片和补偿应变片的影响，还能够对补偿块、工作应变片和补偿应变片起机械保护的作用。
所述的工作应变片和补偿应变片为电阻应变片。在本发明应变测量装置的电气连接方面，工作应变片电阻和补偿应变片电阻分别接入电桥的相邻两个桥臂，在电桥的另外两个桥臂上分别接入第一固定桥臂电阻和第二固定桥臂电阻，所述的四个桥臂构成了1/4电桥电路。由于工作应变片和补偿应变片所处的温度磁场环境基本相同，工作应变片热磁电阻和补偿应变片热磁电阻的电阻值完全一致，并在1/4电桥电路中由于对称相减而被消除，即工作应变片避免了工作应变片热磁电阻的干扰影响，工作应变片所测的应变完全为超导磁体所测位置的应变。
所述的第一固定桥臂电阻和第二固定桥臂电阻的电阻值均为350欧姆，与工作应变片电阻和补偿应变片电阻的电阻值相同。直流电源与1/4电桥电路的一对角线相连，以提供电桥激励。第一万用电表与1/4电桥电路的另一对角线相连，用来测量电桥输出电压。此外，1/4电桥电路与直流电源的连接电缆一般较长，连接电缆电阻较大。为了消除电缆的第一导线电阻和第二导线电阻对应变测量装置的影响，在直流电源输入端靠近应变测量装置的地方，并联了第二万用电表以精确测量电桥激励电压。总而言之，本发明应变测量装置采用了五线制连接，即工作应变片的一端引出两条导线分别与第二万用电表、直流电源的正极连接，补偿应变片的一端引出两条导线分别与第二万用电表、直流电源的负极连接，工作应变片与补偿应变片的公共端引出一条导线与第一万用电表连接。五线制连接可有效避免连接电缆的电阻对应变测量精度的影响。
本发明结构简单，采用补偿方法消除了温度和磁阻效应对工作应变片的影响，通过在补偿块上镀铜膜减小了工作应变片和补偿应变片之间的温差，采用五线制连接消除了连接电缆电阻对应变测量的影响，满足超导磁体尤其是大型聚变超导磁体的精确应变测量要求。
附图说明
图1是本发明应变测量装置的结构示意图，图中：1超导磁体、2补偿块、3工作应变片、4补偿应变片、5屏蔽罩；
图2是本发明应变测量装置的电路连接示意图，图中：6工作应变片电阻、7补偿应变片电阻、8第一固定桥臂电阻、9第二固定桥臂电阻、10工作应变片热磁电阻、11补偿应变片热磁电阻、12第一导线电阻、13第二导线电阻、14第一万用电表、15第二万用电表、16直流电源。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明应变测量装置主要包括补偿块2、工作应变片3、补偿应变片4和屏蔽罩5。
如图1所示，工作应变片3粘贴在超导磁体1的不锈钢铠甲表面，用来测量超导磁体1的应变。所采用的粘贴剂能够将所测位置的应变准确地传递给工作应变片3。为了消除工作应变片3的温度效应和磁阻效应，工作应变片3附近安装了补偿块2。补偿块2近似为L形状，通过一颗M6螺钉固定在超导磁体1的不锈钢铠甲表面，使L形补偿块2的长边表面与超导磁体1的不锈钢铠甲表面平行。在L形补偿块2的长边下表面粘贴了补偿应变片4。补偿应变片4的位置与工作应变片3的位置上下对称，补偿应变片4与工作应变片3之间的上下垂直距离很小，约为5毫米，使补偿应变片4与工作应变片3所在位置的磁场强度近似相同。补偿块2采用不锈钢材料制成，与超导磁体1的铠甲材料相同。为了使补偿应变片4与工作应变片3的温度近似相同，补偿块2上，除贴有补偿应变片4的表面外，补偿块2的其余表面上均镀有50微米的铜膜。由于铜的良好导热特性，补偿应变片4与工作应变片3之间的温差将缩小至0.4K。此外，在补偿块2、工作应变片3和补偿应变片4的四周还安装了屏蔽罩5。屏蔽罩5采用铝材料制成，为长方体形状，厚1毫米，通过四颗M3螺钉与补偿块2连接。屏蔽罩5不仅能够削弱电磁干扰对工作应变片3和补偿应变片4的影响，还能够对补偿块2、工作应变片3和补偿应变片4起机械保护的作用。
如图2所示，本发明应变测量装置的电气连接采用电桥电路。工作应变片电阻6和补偿应变片电阻7分别接入电桥的相邻的两个桥臂，在另两个桥臂上分别接入第一固定桥臂电阻8和第二固定桥臂电阻9，所述的四个桥臂构成了1/4电桥电路。由于工作应变片3和补偿应变片4所处的温度磁场环境基本相同，工作应变片热磁电阻10和补偿应变片热磁电阻11的电阻值完全一致，并在1/4电桥电路中由于对称相减而被消除，即工作应变片3避免了工作应变片热磁电阻10的干扰影响，工作应变片3所测的应变完全为超导磁体1所测位置的应变。
第一固定桥臂电阻8和第二固定桥臂电阻9的电阻值均为350欧姆，与工作应变片电阻6和补偿应变片电阻7的电阻值相同。直流电源16与1/4电桥电路的一对角线相连，以提供电桥激励。第一万用电表14与1/4电桥电路的另一对角线相连，用来测量电桥输出电压。此外，1/4电桥电路与直流电源16的连接电缆一般较长，约50米。为了消除电缆的第一导线电阻12和第二导线电阻13对应变测量装置的影响，在直流电源16输入端靠近应变测量装置的地方，并联了第二万用电表15以精确测量电桥激励电压。总而言之，本发明应变测量装置采用了五线制连接，即工作应变片3的一端引出两条导线分别与第二万用电表15、直流电源16的正极连接，补偿应变片4的一端引出两条导线分别与第二万用电表15、直流电源16的负极连接，工作应变片3与补偿应变片4的公共端引出一条导线与第一万用电表14连接。五线制连接可有效避免连接电缆的电阻对应变测量精度的影响。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种用于聚变超导磁体的应变测量装置，其特征在于所述的应变测量装置包括包括补偿块(2)、工作应变片(3)、补偿应变片(4)和屏蔽罩(5)；所述的工作应变片(3)粘贴在超导磁体(1)的不锈钢铠甲表面；补偿块(2)安装在工作应变片(3)附近，固定在超导磁体(1)的不锈钢铠甲表面；补偿块(2)近似为L形状，L形补偿块(2)的长边表面与超导磁体(1)的不锈钢铠甲表面平行；L形补偿块(2)的长边下表面粘贴了补偿应变片(4)；补偿应变片(4)的位置与工作应变片(3)的位置上下对称；补偿块(2)上除贴有补偿应变片(4)的表面外，其余表面上均镀有50微米的铜膜。
2.如权利要求1所述的用于聚变超导磁体的应变测量装置，其特征在于所述的补偿应变片(4)与工作应变片(3)之间的上下垂直距离为5毫米，使补偿应变片(4)与工作应变片(3)所在位置的磁场强度近似相同。
3.如权利要求1所述的用于聚变超导磁体的应变测量装置，其特征在于所述的补偿块(2)采用不锈钢材料制成，与超导磁体(1)的铠甲材料相同。
4.如权利要求1所述的用于聚变超导磁体的应变测量装置，其特征在于所述的应变测量装置的电气连接采用电桥电路；工作应变片电阻(6)和补偿应变片电阻(7)分别接入电桥的相邻的两个桥臂，在电桥的另两个桥臂上分别接入第一固定桥臂电阻(8)和第二固定桥臂电阻(9)，所述的电桥的四个桥臂构成了1/4电桥电路；直流电源(16)与1/4电桥电路的一对角线相连；第一万用电表(14)与1/4电桥电路的另一对角线相连；在直流电源(16)的输入端靠近应变测量装置之处并联了第二万用电表(15)；所述的应变测量装置采用了五线制连接，即工作应变片(3)的一端引出两条导线分别与第二万用电表(15)的正极，以及直流电源(16)的正极连接，补偿应变片(4)的一端引出两条导线分别与第二万用电表(15)的负极，以及直流电源(16)的负极连接；工作应变片(3)与补偿应变片(4)的公共端引出一条导线与第一万用电表(14)连接。
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