CN106018071A - 极低变温环境下超导材料力-热耦合加载*** - Google Patents

极低变温环境下超导材料力-热耦合加载*** Download PDF

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Abstract

极低变温环境下超导材料力‑热耦合加载***，包括试验机、制冷机、加热单元和温度控制单元，其中试验机为电子万能试验机，电子万能试验机采用双重真空模式的低温杜瓦，低温杜瓦内部通过真空管道组件与真空泵连接，低温杜瓦前部还开有观察窗，制冷机安装在所述低温杜瓦背部，采用多级冷头方式制冷，加热单元包括加热器、温控器和温度传感器，温度控制单元包括智能PID调控单元、中央运算单元、人机界面HMI，本发明能用于测试极低或变温环境下超导材料的性能测试，具有温度范围大、温度误差小、试验精度准确、稳定性高和操作简单的优点。

Description

极低变温环境下超导材料力 - 热耦合加载***
技术领域
本发明涉及超导材料力-热耦合加载***，具体的涉及一种极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***。
背景技术
超导现象作为20世纪的最伟大的发现之一，具有非常广阔的应用前景。基于迈斯纳效应、零电阻等优越特性而在高新工程与技术领域表现出诱人的应用潜力。超导材料（高温、低温）就是基于这些优越特性发展起来的，如今，超导材料已经被广泛的运用到超导磁体的制造领域，而超导磁体在在大型科学装置、医疗设备、能源、国防军事等诸多领域有着非常重要的应用前景。
伴随着超导材料技术的快速发展，现代超导磁体磁场最高强度已由早期的0.5特斯拉增加到数十个特斯拉，但要是继续提高磁场的强度以满足国民经济发展的需要，其磁体间的洛伦兹力必将大大地提高，对超导材料的力学性能要求也越来越高。因此，从探索超导材料力学性能的角度出发，揭示在极端复杂条件下(低温、强电磁场) 超导材料的力学性能规律，提高超导磁体产生的背景磁场是当今工程界和学术界的迫切要求。
超导磁体(材料)在低温或变温环境下不能达到其设计要求的大部分诱因来源于与其力学性能相关的结构不稳定、大应力、大变形、机械损伤和破坏等。因此，对于低温或变温环境下，超导材料的力学性能测量的研究显得非常重要且具有挑战性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***，以实现在低温或变温的环境场下对超导材料力-热耦合性能的测试，同时保证测量精度准，稳定性高及试验时间短的优点。
本发明的目的是这样实现的：多极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***，包括试验机、制冷机、加热单元和温度控制单元，所述试验机为电子万能试验机，所述电子万能试验机为低温杜瓦，所述低温杜瓦采用双重真空模式，所述低温杜瓦内部空间为高真空室，所述低温杜瓦外壳采用真空隔热模式，所述低温杜瓦内部通过真空管道组件与真空泵连接，所述低温杜瓦前部开有观察窗，所述制冷机安装在所述低温杜瓦背部，所述制冷机的采用多级冷头方式，所述2支冷头立式安放于所述低温杜瓦内部，所述冷头通过接触的热传导方式进行低温冷却，所述加热单元包括加热器、温控器和温度传感器，所述温度控制单元包括智能PID调控单元、中央运算单元、人机界面HMI。
进一步，还包括可移动支架，所述低温杜瓦安装在所述可移动支架上，所述真空泵安装在所述可移动支架内部。
所述电子万能试验机采用门式预应力结构。
所述杜瓦的最低冷却温度4.0K。
所述观察窗包括上、下两个观察窗。
所述温控器通过调节所述加热器的输出功率大小实现变温，变温范围为300K—4.2K。
本发明的优点在于：
采用上述无液氦的制冷机冷却方式结构之后，可以对超导材料在变温或低温环境下进行力-热耦合测量，为刻画多场下超导材料的基本变形模式提供可靠的实验条件，同时实现变温范围广：300K—4.2K ，同时对传统的电子万能试验机进行加高改造和力学传感器的改造，加高改造是为了保证丝材的拉伸行程，而对力学传感器的改造，是考虑到了超导丝材的多尺度效应，通过运用更换不同力学传感器，可以精确的测量不同尺度下的超导丝材的力学效应，从而使本***具有温度范围大、温度误差小、试验精度准确、稳定性高和操作简单的优点。
附图说明
附图1为本发明的***结构左示图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***，包括试验机、制冷机、加热单元1和温度控制单元8，试验机为电子万能试验机2，此万能试验机2采用门式预应力结构，采用加宽、加高型设计，加载方式为全数字伺服***驱动，用于测试样品的力学性能，相关性能参数为：
试验力
最大试验力：200KN
有效测力范围：0.4%～100%FS
分辨力：1/300000
示值相对误差：±0.5%
负荷传感器：高精度200 KN、50KN、10KN、0.5KN、0.1KN、0.05KN多套传感器；
试验速度
调节范围：0.005～500mm/min（无级调速）
匀试验力速率、匀变形速率控制范围：0.01%～10%FS/S
匀试验力速率、匀变形速率控制误差：±0.5%
恒试验力、恒变形控制范围：0.5%～100%FS
控制误差：小于10%FS时为±1%，大于10%FS时为±0.1%
示值相对误差：±0.5%；
位移（移动横梁）
测量范围：0～999mm
分辨力：0.001mm
示值相对误差：±0.5%
变形
输出范围：0-5mm
有效测量范围：0.2%～100%FS
标距：50mm
分辨力：1/300000
示值相对误差：±0.5%
加载过程
采用伺服***驱动，圆弧同步带轮减速，滚珠丝杠副传动，实现无间隙传动，获得试验力和变形速度高精密控制。
万能试验机2包括真空箱3和可移动支架4，真空箱3安装于门式预应力结构下部，可移动支架4上面，真空箱3为一双层真空的低温杜瓦，最低冷却温度4.0K，低温杜瓦内部为高真空室，外壳为真空隔热模式，低温杜瓦内腔有效尺寸为Æ500mm×L600 mm, 其内腔中央放置试验样品，低温杜瓦前部开有两个观察窗5，低温杜瓦内部通过真空管道组件6与真空泵7连接，真空泵7安装在可移动支架4里面。
制冷机安装在杜瓦背部，用于真空箱2内制冷和变温，制冷机采用多级冷头方式，确保冷却效率：一级冷头冷却功率50W、冷却量55K，二级冷头冷却功率1.5W、冷却量4.2K，2支冷头立式安放于杜瓦内部。
加热单元1包括加热器、温控器和温度传感器，温控器通过调节所述加热器的输出功率大小实现变温，变温范围为300K—4.2K，温度传感器包括多个多点布置的高精度4.2K低温型区域温度传感器。
温度控制单元8包括智能PID调控单元、中央运算单元、人机界面HMI。
试验时：启动制冷机对***制冷，当达到试验的低温时，可以研究在极低温环境下超导材料样品的力-热耦合性能，当启动加热单元对***加热时，可以研究在变温环境下超导材料样品的力-热耦合性能。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (6)

1.极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***，其特征在于，包括试验机、制冷机、加热单元和温度控制单元，所述制冷机安装在试验机背面，所述温度控制单元分别连接所述加热单元和所述制冷机，所述温度控制单元和所述加热单元安装在所述试验机内，所述所述试验机为电子万能试验机，所述电子万能试验机为低温杜瓦，所述低温杜瓦采用双重真空模式，所述低温杜瓦内部空间为高真空室，所述低温杜瓦外壳采用真空隔热模式，所述低温杜瓦内部通过真空管道组件与真空泵连接，所述低温杜瓦前部开有观察窗，所述制冷机的采用多级冷头方式，所述2支冷头立式安放于所述低温杜瓦内部，所述冷头通过接触的热传导方式进行低温冷却，所述加热单元包括加热器、温控器和温度传感器，所述温度控制单元包括智能PID调控单元、中央运算单元、人机界面HMI。
2.根据权利要求1所述的极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***，其特征在于，还包括可移动支架，所述低温杜瓦安装在所述可移动支架上，所述真空泵安装在所述可移动支架内部。
3.根据权利要求1所述的极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***，其特征在于，所述电子万能试验机采用门式预应力结构。
4.根据权利要求1所述的极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***，其特征在于，所述杜瓦的最低冷却温度4.0K。
5.根据权利要求1所述的极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***，其特征在于，所述观察窗包括上、下两个观察窗。
6.根据权利要求1所述的极低变温环境下超导材料力-热耦合加载***，其特征在于，所述温控器通过调节所述加热器的输出功率大小实现变温，变温范围为300K—4.2K。
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