專利名稱：用于仿星器超導(dǎo)磁體的位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于應(yīng)變片的位移測量裝置，特別涉及超導(dǎo)磁體的位移測量裝置。
背景技術(shù)：
隨著世界經(jīng)濟和人口的增長，全球?qū)τ谀茉吹男枨蠹眲≡黾?。聚變能源是清潔和?jīng)濟的能源，是未來世界的主要能源。實現(xiàn)熱控核聚變的條件是具有較高的溫度，磁場用于平衡等離子體壓力從而實現(xiàn)磁約束等離子體。實現(xiàn)磁約束的裝置主要分為托卡馬克和仿星器兩種。其中，仿星器是磁約束聚變研究初期最主要的等離子裝置之一，它是由Spitzer于 1958年提出的。仿星器超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在運行時，導(dǎo)體要傳輸很大的電流。在大繞組尺寸下，超導(dǎo)線圈將產(chǎn)生很大的磁場。運行時還將產(chǎn)生巨大的電磁力，它隨著磁場的平方增大而增大，這將導(dǎo)致超導(dǎo)線圈的移動以及變形，而機械擾動和繞組形變恰恰是導(dǎo)致超導(dǎo)線圈失超的最主要因素。超導(dǎo)磁體失超過程中所釋放的熱能將使磁體局部溫度迅速升高，這將可能造成磁體系統(tǒng)的損壞。因此，為了確保超導(dǎo)磁體的安全穩(wěn)定運行，常常需要測量杜瓦容器內(nèi)超導(dǎo)磁體的相對位移變化。由于超導(dǎo)磁體運行在極低溫和復(fù)雜的電磁噪聲環(huán)境下，因此測量和分析超導(dǎo)線圈的位移是一項較為復(fù)雜的工作。測量位移的方法有電感式、電容式、光電式、超聲波式、霍爾式及電阻式等。其中，光電式位移傳感器近年來得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用，如大型強子對撞機(LHC)就采用了光纖位移傳感器來測量低溫容器與超導(dǎo)磁體之間的相對位移。與傳統(tǒng)的基于電信號測量的各種傳感器相比，光電式傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣和測量精度高的優(yōu)點。然而，與一般環(huán)境相比，在低溫強磁的極端環(huán)境下進行測量，往往受環(huán)境(溫度及磁場)及測量精度等限制。此外，由于仿星器超導(dǎo)磁體系統(tǒng)復(fù)雜的幾何特征以及緊湊的空間布局，測量裝置的幾何尺寸及安裝使用難易也是非常重要的參考依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有位移測量裝置不能滿足仿星器超導(dǎo)磁體系統(tǒng)位移精確測量的缺點，提供一種可在低溫強磁環(huán)境下精確測量位移的傳感裝置。該裝置尤其適用于仿星器等大型復(fù)雜超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的位移測量。本發(fā)明位移測量裝置基于以下基本原理當(dāng)被測對象間的相對位移發(fā)生變化時， 位移測量裝置的懸臂梁臂發(fā)生機械變形，這將導(dǎo)致安裝在懸臂梁臂上的應(yīng)變片的電阻值也發(fā)生相應(yīng)改變。同時，由于四片應(yīng)變片構(gòu)成了全橋差動電路的四個橋臂，應(yīng)變片電阻值的變化打破了電橋平衡，將產(chǎn)生電橋輸出電壓。通過測量電橋輸出電壓和已知的應(yīng)變片靈敏系數(shù)，可以得到相對應(yīng)的位移值。所述的位移測量裝置包括懸臂梁、彈簧、不銹鋼絲、鋁支撐結(jié)構(gòu)、焊接端子、懸臂梁超量程保護片、L型萬向連接、不銹鋼絲-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)、彈簧-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)和彈簧遠端固定結(jié)構(gòu)。其中，所述的懸臂梁包括懸臂梁臂、應(yīng)變片和懸臂梁臂底座。所述的鋁支撐結(jié)構(gòu)包括水平端板、下端垂直端板和右端垂直端板。水平端板呈L 型，下端垂直端板和右端垂直端板為長方體，分別處于水平端板的右下角和右上角，與水平端板垂直。所述的懸臂梁包括懸臂梁臂、應(yīng)變片和懸臂梁臂底座。懸臂梁臂的一端與懸臂梁臂底座相連。懸臂梁臂底座固定在鋁支撐結(jié)構(gòu)的右端垂直端板上。懸臂梁臂上安裝有四片絲式電阻應(yīng)變片，該應(yīng)變片是將鎳鉻鐵合金電阻絲粘貼在環(huán)氧基片上，然后在上面覆一層薄膜，使鎳鉻鐵合金電阻絲和環(huán)氧基片成為一個整體。所述的四片應(yīng)變片粘貼在懸臂梁臂上靠近懸臂梁臂底座一側(cè)，應(yīng)變片的電阻絲方向與懸臂梁臂方向一致。其中一對應(yīng)變片粘貼在懸臂梁臂兩側(cè)的上表面，另一對應(yīng)變片粘貼在懸臂梁臂兩側(cè)的下表面，兩對應(yīng)變片關(guān)于懸臂梁臂上下對稱。當(dāng)懸臂梁臂受外力作用時，懸臂梁臂兩側(cè)的兩對應(yīng)變片分別受拉和壓作用，即這兩對應(yīng)變片的應(yīng)變符號總是相反。在電氣連接方面，四片應(yīng)變片接入電橋四臂，并將兩個應(yīng)變符號相反的應(yīng)變片接入相鄰橋臂上，構(gòu)成了全橋差動電路連接。全橋差動電路的四根Teflon電纜在懸臂梁臂與其底座結(jié)合處弓I出，雙絞為兩對Teflon雙絞纜，并用塑料套管固定。這兩對Teflon雙絞纜分別連接全橋差動電路的兩個對角線，并通過焊接端子與外接6芯Kapton電纜相連接，進而與直流電源及數(shù)字萬用表相連接。這樣，直流電源與全橋差動電路的一對角線串聯(lián)，以提供電橋激勵，數(shù)字萬用表與另一對角線串聯(lián)，用來測量電橋輸出電壓。所述的不銹鋼絲的一端通過不銹鋼絲-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)固定在懸臂梁臂上，另一端固定在被測對象表面。彈簧的一端通過彈簧-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)固定在懸臂梁臂上，另一端固定在彈簧遠端固定結(jié)構(gòu)。在位移零位置，不銹鋼絲與彈簧處于一條直線，此直線與懸臂梁臂垂直。懸臂梁臂自由端左側(cè)設(shè)有懸臂梁超量程保護片，以避免位移超量程損壞懸臂梁。 焊接端子粘貼在鋁支撐結(jié)構(gòu)水平端板上，在懸臂梁臂底座一側(cè)。接線片通過接線片固定螺孔固定在焊接端子中心的正下方。Kapton電纜的屏蔽線焊接在接線片上，以避免電磁干擾的影響。L型萬向連接的垂直面與鋁支撐結(jié)構(gòu)的下端垂直端板連接，其水平面固定在超導(dǎo)磁體表面上。這樣，位移測量裝置通過L型萬向連接固定在超導(dǎo)磁體表面，增強了安裝的靈活性。本發(fā)明裝置在鋁支撐結(jié)構(gòu)的下端垂直端板處連接了 L型萬向連接。L型萬向連接的兩個平面上各開有螺孔和60°的圓弧槽，使位移測量裝置在這2個平面內(nèi)能夠自由旋轉(zhuǎn) 60°，這將有助于其在仿星器超導(dǎo)磁體上的安裝。本發(fā)明裝置用彈簧將懸臂梁臂拉至負方向，然后不銹鋼絲將懸臂梁臂拉回平衡零位置，并與測量對象相連。這樣，當(dāng)測量對象間的位移增大或減小時，懸臂梁臂將相應(yīng)產(chǎn)生正方向或負方向的機械變形。如前所述，通過測量電橋輸出電壓和已知的應(yīng)變片靈敏系數(shù)， 就能得到相對應(yīng)的正或負位移值。因此，該位移測量裝置能測量被測對象正負兩方向的位移。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，通過它可以方便地在低溫強磁環(huán)境下完成對仿星器超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的位移測量。


圖1是本發(fā)明位移測量裝置的結(jié)構(gòu)俯視圖，圖中1懸臂梁、2彈簧、3不銹鋼絲、4 鋁支撐結(jié)構(gòu)、5焊接端子、6懸臂梁超量程保護片、7接線片固定螺孔、8L型萬向連接、9不銹鋼絲-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)、10彈簧-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)、11彈簧遠端固定結(jié)構(gòu)；圖2是本發(fā)明懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中12懸臂梁臂、13應(yīng)變片、14懸臂梁臂底座、15懸臂梁臂固定螺孔、16兩對Teflon雙絞纜、17連接固定孔；圖3是本發(fā)明全橋差動電路示意圖，圖中18第一應(yīng)變片、19第二應(yīng)變片、20第三應(yīng)變片、21第四應(yīng)變片；圖4是本發(fā)明位移測量裝置的力學(xué)模型示意圖，圖中1懸臂梁、2彈簧、3不銹鋼絲；圖5是本發(fā)明L型萬向連接8示意圖；圖6是本發(fā)明不銹鋼絲-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)9示意圖；圖7是本發(fā)明彈簧-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)10示意圖；圖8是本發(fā)明彈簧遠端固定結(jié)構(gòu)11示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方案對本發(fā)明進一步說明。本發(fā)明位移測量裝置包括懸臂梁1、彈簧2、不銹鋼絲3、鋁支撐結(jié)構(gòu)4、焊接端子5、 懸臂梁超量程保護片6、接線片固定螺孔7、L型萬向連接8、不銹鋼絲-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)9、 彈簧-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)10、彈簧遠端固定結(jié)構(gòu)11。其中，所述的懸臂梁1包括懸臂梁臂12、 應(yīng)變片13、懸臂梁臂底座14、懸臂梁臂固定螺孔15、兩對Teflon雙絞纜16、連接固定孔17。如圖1所示，本發(fā)明中，懸臂梁1通過螺釘固定在鋁支撐結(jié)構(gòu)4的右端垂直端板上。懸臂梁1電氣連接采用兩段式，即懸臂梁1的兩對Teflon電纜16分別連接全橋電路的兩個對角線并焊接在焊接端子5的上端，然后在焊接端子5的下端焊上外接6芯Kapton 電纜，進而與直流電源及數(shù)字萬用表相連接。這樣，直流電源與全橋電路的一對角線串聯(lián)， 以提供電橋激勵，而數(shù)字萬用表則與另一對角線串聯(lián)，用來測量電橋輸出電壓。不銹鋼絲3 的一端通過不銹鋼絲-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)9固定在懸臂梁臂12上，另一端固定在被測對象表面。彈簧2的一端通過彈簧-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)10固定在懸臂梁臂12上，另一端固定在彈簧遠端固定結(jié)構(gòu)11。彈簧2先將懸臂梁臂12拉至位移負方向處，再由不銹鋼絲3將懸臂梁臂12拉至平衡位置，然后將不銹鋼絲3固定在被測對象表面。在位移零位置，不銹鋼絲 3與彈簧2位置的連線與懸臂梁臂12垂直。懸臂梁臂12左側(cè)處設(shè)有懸臂梁超量程保護片 6，以避免位移超量程給懸臂梁1所帶來的損壞。在懸臂梁臂底座14的左側(cè)，焊接端子5粘貼在鋁支撐結(jié)構(gòu)4的水平端板上。在焊接端子5中心下方，接線片通過接線片固定螺孔7 固定在鋁支撐結(jié)構(gòu)4的水平端板上；所述的Kapton電纜的屏蔽線焊接在接線片上；L型萬向連接8的垂直面與鋁支撐結(jié)構(gòu)4的下端垂直端板連接，L型萬向連接8的水平面固定在超導(dǎo)磁體表面。這樣，本發(fā)明位移測量裝置通過L型萬向連接8固定在超導(dǎo)磁體表面，增強了安裝的靈活性。如圖2所示，本發(fā)明中所使用懸臂梁臂12采用抗磁材料鈹青銅，長105mm，寬10m， 厚ail。懸臂梁臂12通過懸臂梁臂底座15上的4顆M3螺孔14固定在鋁支撐結(jié)構(gòu)4上。在懸臂梁臂12靠近懸臂梁臂底座14側(cè)裝配了 4片阻值為350 Ω的低溫電阻應(yīng)變片13，它們分別接入電橋四臂構(gòu)成了惠斯通全橋電路，其電壓靈敏度比用單片應(yīng)變片提高了 4倍。懸臂梁1的四根Teflon電纜在懸臂梁臂12與懸臂梁臂底座14結(jié)合處引出，雙絞為兩對TefIon 雙絞纜16，并用塑料套管固定。這兩對Teflon雙絞纜16焊接在焊接端子5的上端，與焊在焊接端子5下端的Kapton電纜形成通路。連接固定孔17將用于連接懸臂梁1、彈簧2和不銹鋼絲3。如圖3為本發(fā)明全橋差動電路示意圖。一對應(yīng)變片第一應(yīng)變片18和第二應(yīng)變片 19粘貼在懸臂梁臂兩側(cè)的上表面，另一對應(yīng)變片第三應(yīng)變片20和第四應(yīng)變片21粘貼在懸臂梁臂兩側(cè)的下表面，兩對應(yīng)變片第一應(yīng)變片18、第二應(yīng)變片19和第三應(yīng)變片20、第四應(yīng)變片21關(guān)于懸臂梁臂上下對稱。當(dāng)懸臂梁臂受外力作用時，懸臂梁臂兩側(cè)的兩對應(yīng)變片分別受拉和壓作用，即這兩對應(yīng)變片的應(yīng)變符號總是相反。第一應(yīng)變片18、第二應(yīng)變片19、 第三應(yīng)變片20和第四應(yīng)變片21接入電橋四臂，并將兩個應(yīng)變符號相反的應(yīng)變片接入相鄰橋臂上，構(gòu)成了全橋差動電路連接。直流電源與全橋差動電路的一對角線串聯(lián)，以提供電橋激勵，數(shù)字萬用表與另一對角線串聯(lián)，用來測量電橋輸出電壓。如圖4所示，本發(fā)明位移測量裝置力學(xué)模型可簡化為3根彈簧的組合，這三根等效彈簧分別代表懸臂梁1、彈簧2和不銹鋼絲3。根據(jù)力學(xué)公式
權(quán)利要求
1.一種用于仿星器超導(dǎo)磁體的位移測量裝置，其特征在于，所述位移測量裝置包括懸臂梁(1)、彈簧O)、不銹鋼絲(3)、鋁支撐結(jié)構(gòu)G)、焊接端子(5)、懸臂梁超量程保護片 (6)、接線片固定螺孔(7)、L型萬向連接⑶、不銹鋼絲-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)(9)、彈簧-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)(10)、彈簧遠端固定結(jié)構(gòu)(11)；懸臂梁(1)固定在鋁支撐結(jié)構(gòu)的右端垂直端板上；懸臂梁(1)的兩對Teflon雙絞纜(16)通過焊接端子(5)與外接的Kapton電纜相連接；懸臂梁臂(1 兩側(cè)的上表面粘貼有一對應(yīng)變片第一應(yīng)變片(18)和第二應(yīng)變片 (19)，懸臂梁臂(1 兩側(cè)的下表面粘貼有另一對應(yīng)變片第三應(yīng)變片00)和第四應(yīng)變片 (21)，所述的兩對應(yīng)變片關(guān)于懸臂梁臂(12)上下對稱；臂梁臂兩側(cè)的兩對應(yīng)變片的應(yīng)變符號相反；第一應(yīng)變片(18)、第二應(yīng)變片(19)、第三應(yīng)變片00)和第四應(yīng)變片分別接入全橋差動電橋的四個臂，兩個應(yīng)變符號相反的應(yīng)變片接入相鄰橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路；直流電源與全橋差動電路的一對角線串聯(lián)，數(shù)字萬用表與全橋差動電路的另一對角線串聯(lián)；不銹鋼絲(3)的一端通過不銹鋼絲-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)(9)固定在懸臂梁臂(12)上， 另一端固定在被測對象表面；彈簧(2)的一端通過彈簧-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)(10)固定在懸臂梁臂(12)上，另一端固定在彈簧遠端固定結(jié)構(gòu)(11)上；在位移零位置，不銹鋼絲(3)與彈簧(2)位置的連線與懸臂梁臂(12)垂直；懸臂梁臂(12)左側(cè)處設(shè)有懸臂梁超量程保護片 (6)；在懸臂梁臂底座(14)的左側(cè)，焊接端子(5)粘貼在鋁支撐結(jié)構(gòu)的水平端板上；在焊接端子(5)中心下方，接線片通過接線片固定螺孔(7)固定在鋁支撐結(jié)構(gòu)的水平端板上；Kapton電纜的屏蔽線焊接在接線片上；L型萬向連接(8)的垂直面與鋁支撐結(jié)構(gòu)(4) 的下端垂直端板連接，L型萬向連接(8)的水平面固定在超導(dǎo)磁體表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于仿星器超導(dǎo)磁體的位移測量裝置，其特征在于所述的彈簧(2)先將懸臂梁臂(12)拉至位移負方向處，再由不銹鋼絲(3)將懸臂梁臂(12)拉至平衡位置，然后將不銹鋼絲(3)固定在被測對象表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于仿星器超導(dǎo)磁體的位移測量裝置，其特征在于所述的L 型萬向連接(8)的垂直面和水平面上均開有60°的圓弧槽，所述的位移測量裝置在所述的垂直面和水平面內(nèi)可自由旋轉(zhuǎn)60°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于仿星器超導(dǎo)磁體的位移測量裝置，其特征在于所述的不銹鋼絲-懸臂梁連接結(jié)構(gòu)(9)的中間位置開有凹槽，不銹鋼絲(3)彎曲成矩形環(huán)形狀放置在凹槽內(nèi)。
全文摘要
一種用于仿星器超導(dǎo)磁體的位移測量裝置，懸臂梁(1)固定在鋁支撐結(jié)構(gòu)(4)的右端垂直端板上，不銹鋼絲(3)的一端固定在懸臂梁臂(12)上，另一端固定在被測對象表面，彈簧(2)的一端固定在懸臂梁臂(12)上，另一端固定在彈簧遠端固定結(jié)構(gòu)(11)上，在位移零位置，不銹鋼絲(3)與彈簧(2)位置的連線與懸臂梁臂(12)垂直，在懸臂梁臂底座(14)的左側(cè)，焊接端子(5)粘貼在鋁支撐結(jié)構(gòu)(4)的水平端板上，L型萬向連接(8)的垂直面與鋁支撐結(jié)構(gòu)(4)的下端垂直端板連接，L型萬向連接(8)的水平面固定在超導(dǎo)磁體表面，本發(fā)明可用于仿星器超導(dǎo)磁體的位移測量。
文檔編號G01B7/02GK102175129SQ20111004188
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月21日
發(fā)明者王秋良, 胡新寧, 陳鵬 申請人:中國科學(xué)院電工研究所