極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力?熱耦合加載系統(tǒng)，包括試驗機、制冷機、加熱單元和溫度控制單元，其中試驗機為電子萬能試驗機，電子萬能試驗機采用雙重真空模式的低溫杜瓦，低溫杜瓦內(nèi)部通過真空管道組件與真空泵連接，低溫杜瓦前部還開有觀察窗，制冷機安裝在所述低溫杜瓦背部，采用多級冷頭方式制冷，加熱單元包括加熱器、溫控器和溫度傳感器，溫度控制單元包括智能PID調(diào)控單元、中央運算單元、人機界面HMI，本發(fā)明能用于測試極低或變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料的性能測試，具有溫度范圍大、溫度誤差小、試驗精度準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高和操作簡單的優(yōu)點。
【專利說明】
極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，具體的涉及一種極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)現(xiàn)象作為20世紀(jì)的最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，具有非常廣闊的應(yīng)用前景?；谶~斯納效應(yīng)、零電阻等優(yōu)越特性而在高新工程與技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用潛力。超導(dǎo)材料(高溫、低溫)就是基于這些優(yōu)越特性發(fā)展起來的，如今，超導(dǎo)材料已經(jīng)被廣泛的運用到超導(dǎo)磁體的制造領(lǐng)域，而超導(dǎo)磁體在在大型科學(xué)裝置、醫(yī)療設(shè)備、能源、國防軍事等諸多領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用前景。
[0003]伴隨著超導(dǎo)材料技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代超導(dǎo)磁體磁場最高強度已由早期的0.5特斯拉增加到數(shù)十個特斯拉，但要是繼續(xù)提高磁場的強度以滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，其磁體間的洛倫茲力必將大大地提高，對超導(dǎo)材料的力學(xué)性能要求也越來越高。因此，從探索超導(dǎo)材料力學(xué)性能的角度出發(fā)，揭示在極端復(fù)雜條件下(低溫、強電磁場)超導(dǎo)材料的力學(xué)性能規(guī)律，提高超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的背景磁場是當(dāng)今工程界和學(xué)術(shù)界的迫切要求。
[0004]超導(dǎo)磁體(材料)在低溫或變溫環(huán)境下不能達到其設(shè)計要求的大部分誘因來源于與其力學(xué)性能相關(guān)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、大應(yīng)力、大變形、機械損傷和破壞等。因此，對于低溫或變溫環(huán)境下，超導(dǎo)材料的力學(xué)性能測量的研究顯得非常重要且具有挑戰(zhàn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，以實現(xiàn)在低溫或變溫的環(huán)境場下對超導(dǎo)材料力-熱耦合性能的測試，同時保證測量精度準(zhǔn)，穩(wěn)定性高及試驗時間短的優(yōu)點。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:多極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，包括試驗機、制冷機、加熱單元和溫度控制單元，所述試驗機為電子萬能試驗機，所述電子萬能試驗機為低溫杜瓦，所述低溫杜瓦采用雙重真空模式，所述低溫杜瓦內(nèi)部空間為高真空室，所述低溫杜瓦外殼采用真空隔熱模式，所述低溫杜瓦內(nèi)部通過真空管道組件與真空栗連接，所述低溫杜瓦前部開有觀察窗，所述制冷機安裝在所述低溫杜瓦背部，所述制冷機的采用多級冷頭方式，所述2支冷頭立式安放于所述低溫杜瓦內(nèi)部，所述冷頭通過接觸的熱傳導(dǎo)方式進行低溫冷卻，所述加熱單元包括加熱器、溫控器和溫度傳感器，所述溫度控制單元包括智能PID調(diào)控單元、中央運算單元、人機界面HMI。
[0007]進一步，還包括可移動支架，所述低溫杜瓦安裝在所述可移動支架上，所述真空栗安裝在所述可移動支架內(nèi)部。
[0008]所述電子萬能試驗機采用門式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。
[0009]所述杜瓦的最低冷卻溫度4.0K。
[0010]所述觀察窗包括上、下兩個觀察窗。
[0011]所述溫控器通過調(diào)節(jié)所述加熱器的輸出功率大小實現(xiàn)變溫，變溫范圍為300K—41
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
采用上述無液氦的制冷機冷卻方式結(jié)構(gòu)之后，可以對超導(dǎo)材料在變溫或低溫環(huán)境下進行力-熱耦合測量，為刻畫多場下超導(dǎo)材料的基本變形模式提供可靠的實驗條件，同時實現(xiàn)變溫范圍廣:300K—4.2K，同時對傳統(tǒng)的電子萬能試驗機進行加高改造和力學(xué)傳感器的改造，加高改造是為了保證絲材的拉伸行程，而對力學(xué)傳感器的改造，是考慮到了超導(dǎo)絲材的多尺度效應(yīng)，通過運用更換不同力學(xué)傳感器，可以精確的測量不同尺度下的超導(dǎo)絲材的力學(xué)效應(yīng)，從而使本系統(tǒng)具有溫度范圍大、溫度誤差小、試驗精度準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高和操作簡單的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0013]附圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)左示圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0015]極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，包括試驗機、制冷機、加熱單元I和溫度控制單元8，試驗機為電子萬能試驗機2，此萬能試驗機2采用門式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用加寬、加高型設(shè)計，加載方式為全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動，用于測試樣品的力學(xué)性能，相關(guān)性能參數(shù)為:
試驗力
最大試驗力:200ΚΝ 有效測力范圍:0.4%?100%FS 分辨力:1/300000 示值相對誤差:±0.5%
負(fù)荷傳感器:高精度200 KN、50KN、10KN、0.5KN、0.1KN、0.05KN多套傳感器；
試驗速度
調(diào)節(jié)范圍:0.005?500mm/min(無級調(diào)速)
勻試驗力速率、勻變形速率控制范圍:0.01%?10%FS/S 勻試驗力速率、勻變形速率控制誤差:±0.5%
恒試驗力、恒變形控制范圍:0.5%?100%FS 控制誤差:小于10%FS時為土 1%，大于10%FS時為土 0.1%
示值相對誤差:±0.5%;
位移(移動橫梁)
測量范圍:O?999mm 分辨力:0.0Olmm 示值相對誤差:±0.5%
變形
輸出范圍:0-5mm 有效測量范圍:0.2%?100%FS 標(biāo)距:50mm 分辨力:1/300000 示值相對誤差:±0.5%
加載過程
采用伺服系統(tǒng)驅(qū)動，圓弧同步帶輪減速，滾珠絲杠副傳動，實現(xiàn)無間隙傳動，獲得試驗力和變形速度高精密控制。
[0016]萬能試驗機2包括真空箱3和可移動支架4，真空箱3安裝于門式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)下部，可移動支架4上面，真空箱3為一雙層真空的低溫杜瓦，最低冷卻溫度4.0K，低溫杜瓦內(nèi)部為高真空室，夕卜殼為真空隔熱模式，低溫杜瓦內(nèi)腔有效尺寸為A 500mmXL600 mm,其內(nèi)腔中央放置試驗樣品，低溫杜瓦前部開有兩個觀察窗5，低溫杜瓦內(nèi)部通過真空管道組件6與真空栗7連接，真空栗7安裝在可移動支架4里面。
[0017]制冷機安裝在杜瓦背部，用于真空箱2內(nèi)制冷和變溫，制冷機采用多級冷頭方式，確保冷卻效率:一級冷頭冷卻功率50W、冷卻量55K，二級冷頭冷卻功率1.5W、冷卻量4.2K，2支冷頭立式安放于杜瓦內(nèi)部。
[0018]加熱單元I包括加熱器、溫控器和溫度傳感器，溫控器通過調(diào)節(jié)所述加熱器的輸出功率大小實現(xiàn)變溫，變溫范圍為300Κ—4.2Κ，溫度傳感器包括多個多點布置的高精度4.2Κ低溫型區(qū)域溫度傳感器。
[0019]溫度控制單元8包括智能PID調(diào)控單元、中央運算單元、人機界面HMI。
[0020]試驗時:啟動制冷機對系統(tǒng)制冷，當(dāng)達到試驗的低溫時，可以研究在極低溫環(huán)境下超導(dǎo)材料樣品的力-熱耦合性能，當(dāng)啟動加熱單元對系統(tǒng)加熱時，可以研究在變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料樣品的力-熱耦合性能。
[0021]最后應(yīng)說明的是:顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本申請所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本申請型的保護范圍之中。
【主權(quán)項】
1.極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，其特征在于，包括試驗機、制冷機、加熱單元和溫度控制單元，所述制冷機安裝在試驗機背面，所述溫度控制單元分別連接所述加熱單元和所述制冷機，所述溫度控制單元和所述加熱單元安裝在所述試驗機內(nèi)，所述所述試驗機為電子萬能試驗機，所述電子萬能試驗機為低溫杜瓦，所述低溫杜瓦采用雙重真空模式，所述低溫杜瓦內(nèi)部空間為高真空室，所述低溫杜瓦外殼采用真空隔熱模式，所述低溫杜瓦內(nèi)部通過真空管道組件與真空栗連接，所述低溫杜瓦前部開有觀察窗，所述制冷機的采用多級冷頭方式，所述2支冷頭立式安放于所述低溫杜瓦內(nèi)部，所述冷頭通過接觸的熱傳導(dǎo)方式進行低溫冷卻，所述加熱單元包括加熱器、溫控器和溫度傳感器，所述溫度控制單元包括智能PID調(diào)控單元、中央運算單元、人機界面HMI。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，其特征在于，還包括可移動支架，所述低溫杜瓦安裝在所述可移動支架上，所述真空栗安裝在所述可移動支架內(nèi)部。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，其特征在于，所述電子萬能試驗機采用門式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，其特征在于，所述杜瓦的最低冷卻溫度4.0K。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，其特征在于，所述觀察窗包括上、下兩個觀察窗。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極低變溫環(huán)境下超導(dǎo)材料力-熱耦合加載系統(tǒng)，其特征在于，所述溫控器通過調(diào)節(jié)所述加熱器的輸出功率大小實現(xiàn)變溫，變溫范圍為300K—4.2K。
【文檔編號】G01N3/02GK106018071SQ201610576812
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月20日
【發(fā)明人】王省哲, 高配峰, 關(guān)明智
【申請人】蘭州大學(xué)