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专利名称：用于仿星器超导磁体的位移测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于应变片的位移测量装置，特别涉及超导磁体的位移测量装置。
背景技术：
随着世界经济和人口的增长，全球对于能源的需求急剧增加。聚变能源是清洁和经济的能源，是未来世界的主要能源。实现热控核聚变的条件是具有较高的温度，磁场用于平衡等离子体压力从而实现磁约束等离子体。实现磁约束的装置主要分为托卡马克和仿星器两种。其中，仿星器是磁约束聚变研究初期最主要的等离子装置之一，它是由Spitzer于 1958年提出的。仿星器超导磁体系统在运行时，导体要传输很大的电流。在大绕组尺寸下，超导线圈将产生很大的磁场。运行时还将产生巨大的电磁力，它随着磁场的平方增大而增大，这将导致超导线圈的移动以及变形，而机械扰动和绕组形变恰恰是导致超导线圈失超的最主要因素。超导磁体失超过程中所释放的热能将使磁体局部温度迅速升高，这将可能造成磁体系统的损坏。因此，为了确保超导磁体的安全稳定运行，常常需要测量杜瓦容器内超导磁体的相对位移变化。由于超导磁体运行在极低温和复杂的电磁噪声环境下，因此测量和分析超导线圈的位移是一项较为复杂的工作。测量位移的方法有电感式、电容式、光电式、超声波式、霍尔式及电阻式等。其中，光电式位移传感器近年来得到了较快的发展和应用，如大型强子对撞机(LHC)就采用了光纤位移传感器来测量低温容器与超导磁体之间的相对位移。与传统的基于电信号测量的各种传感器相比，光电式传感器具有抗电磁干扰、电绝缘和测量精度高的优点。然而，与一般环境相比，在低温强磁的极端环境下进行测量，往往受环境(温度及磁场)及测量精度等限制。此外，由于仿星器超导磁体系统复杂的几何特征以及紧凑的空间布局，测量装置的几何尺寸及安装使用难易也是非常重要的参考依据。

发明内容
本发明的目的是克服现有位移测量装置不能满足仿星器超导磁体系统位移精确测量的缺点，提供一种可在低温强磁环境下精确测量位移的传感装置。该装置尤其适用于仿星器等大型复杂超导磁体系统的位移测量。本发明位移测量装置基于以下基本原理当被测对象间的相对位移发生变化时， 位移测量装置的悬臂梁臂发生机械变形，这将导致安装在悬臂梁臂上的应变片的电阻值也发生相应改变。同时，由于四片应变片构成了全桥差动电路的四个桥臂，应变片电阻值的变化打破了电桥平衡，将产生电桥输出电压。通过测量电桥输出电压和已知的应变片灵敏系数，可以得到相对应的位移值。所述的位移测量装置包括悬臂梁、弹簧、不锈钢丝、铝支撑结构、焊接端子、悬臂梁超量程保护片、L型万向连接、不锈钢丝-悬臂梁连接结构、弹簧-悬臂梁连接结构和弹簧远端固定结构。其中，所述的悬臂梁包括悬臂梁臂、应变片和悬臂梁臂底座。所述的铝支撑结构包括水平端板、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为长方体，分别处于水平端板的右下角和右上角，与水平端板垂直。所述的悬臂梁包括悬臂梁臂、应变片和悬臂梁臂底座。悬臂梁臂的一端与悬臂梁臂底座相连。悬臂梁臂底座固定在铝支撑结构的右端垂直端板上。悬臂梁臂上安装有四片丝式电阻应变片，该应变片是将镍铬铁合金电阻丝粘贴在环氧基片上，然后在上面覆一层薄膜，使镍铬铁合金电阻丝和环氧基片成为一个整体。所述的四片应变片粘贴在悬臂梁臂上靠近悬臂梁臂底座一侧，应变片的电阻丝方向与悬臂梁臂方向一致。其中一对应变片粘贴在悬臂梁臂两侧的上表面，另一对应变片粘贴在悬臂梁臂两侧的下表面，两对应变片关于悬臂梁臂上下对称。当悬臂梁臂受外力作用时，悬臂梁臂两侧的两对应变片分别受拉和压作用，即这两对应变片的应变符号总是相反。在电气连接方面，四片应变片接入电桥四臂，并将两个应变符号相反的应变片接入相邻桥臂上，构成了全桥差动电路连接。全桥差动电路的四根Teflon电缆在悬臂梁臂与其底座结合处弓I出，双绞为两对Teflon双绞缆，并用塑料套管固定。这两对Teflon双绞缆分别连接全桥差动电路的两个对角线，并通过焊接端子与外接6芯Kapton电缆相连接，进而与直流电源及数字万用表相连接。这样，直流电源与全桥差动电路的一对角线串联，以提供电桥激励，数字万用表与另一对角线串联，用来测量电桥输出电压。所述的不锈钢丝的一端通过不锈钢丝-悬臂梁连接结构固定在悬臂梁臂上，另一端固定在被测对象表面。弹簧的一端通过弹簧-悬臂梁连接结构固定在悬臂梁臂上，另一端固定在弹簧远端固定结构。在位移零位置，不锈钢丝与弹簧处于一条直线，此直线与悬臂梁臂垂直。悬臂梁臂自由端左侧设有悬臂梁超量程保护片，以避免位移超量程损坏悬臂梁。 焊接端子粘贴在铝支撑结构水平端板上，在悬臂梁臂底座一侧。接线片通过接线片固定螺孔固定在焊接端子中心的正下方。Kapton电缆的屏蔽线焊接在接线片上，以避免电磁干扰的影响。L型万向连接的垂直面与铝支撑结构的下端垂直端板连接，其水平面固定在超导磁体表面上。这样，位移测量装置通过L型万向连接固定在超导磁体表面，增强了安装的灵活性。本发明装置在铝支撑结构的下端垂直端板处连接了 L型万向连接。L型万向连接的两个平面上各开有螺孔和60°的圆弧槽，使位移测量装置在这2个平面内能够自由旋转 60°，这将有助于其在仿星器超导磁体上的安装。本发明装置用弹簧将悬臂梁臂拉至负方向，然后不锈钢丝将悬臂梁臂拉回平衡零位置，并与测量对象相连。这样，当测量对象间的位移增大或减小时，悬臂梁臂将相应产生正方向或负方向的机械变形。如前所述，通过测量电桥输出电压和已知的应变片灵敏系数， 就能得到相对应的正或负位移值。因此，该位移测量装置能测量被测对象正负两方向的位移。本发明结构简单，精度较高，通过它可以方便地在低温强磁环境下完成对仿星器超导磁体系统的位移测量。


图1是本发明位移测量装置的结构俯视图，图中1悬臂梁、2弹簧、3不锈钢丝、4 铝支撑结构、5焊接端子、6悬臂梁超量程保护片、7接线片固定螺孔、8L型万向连接、9不锈钢丝-悬臂梁连接结构、10弹簧-悬臂梁连接结构、11弹簧远端固定结构；图2是本发明悬臂梁的结构示意图，图中12悬臂梁臂、13应变片、14悬臂梁臂底座、15悬臂梁臂固定螺孔、16两对Teflon双绞缆、17连接固定孔；图3是本发明全桥差动电路示意图，图中18第一应变片、19第二应变片、20第三应变片、21第四应变片；图4是本发明位移测量装置的力学模型示意图，图中1悬臂梁、2弹簧、3不锈钢丝；图5是本发明L型万向连接8示意图；图6是本发明不锈钢丝-悬臂梁连接结构9示意图；图7是本发明弹簧-悬臂梁连接结构10示意图；图8是本发明弹簧远端固定结构11示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。本发明位移测量装置包括悬臂梁1、弹簧2、不锈钢丝3、铝支撑结构4、焊接端子5、 悬臂梁超量程保护片6、接线片固定螺孔7、L型万向连接8、不锈钢丝-悬臂梁连接结构9、 弹簧-悬臂梁连接结构10、弹簧远端固定结构11。其中，所述的悬臂梁1包括悬臂梁臂12、 应变片13、悬臂梁臂底座14、悬臂梁臂固定螺孔15、两对Teflon双绞缆16、连接固定孔17。如图1所示，本发明中，悬臂梁1通过螺钉固定在铝支撑结构4的右端垂直端板上。悬臂梁1电气连接采用两段式，即悬臂梁1的两对Teflon电缆16分别连接全桥电路的两个对角线并焊接在焊接端子5的上端，然后在焊接端子5的下端焊上外接6芯Kapton 电缆，进而与直流电源及数字万用表相连接。这样，直流电源与全桥电路的一对角线串联， 以提供电桥激励，而数字万用表则与另一对角线串联，用来测量电桥输出电压。不锈钢丝3 的一端通过不锈钢丝-悬臂梁连接结构9固定在悬臂梁臂12上，另一端固定在被测对象表面。弹簧2的一端通过弹簧-悬臂梁连接结构10固定在悬臂梁臂12上，另一端固定在弹簧远端固定结构11。弹簧2先将悬臂梁臂12拉至位移负方向处，再由不锈钢丝3将悬臂梁臂12拉至平衡位置，然后将不锈钢丝3固定在被测对象表面。在位移零位置，不锈钢丝 3与弹簧2位置的连线与悬臂梁臂12垂直。悬臂梁臂12左侧处设有悬臂梁超量程保护片 6，以避免位移超量程给悬臂梁1所带来的损坏。在悬臂梁臂底座14的左侧，焊接端子5粘贴在铝支撑结构4的水平端板上。在焊接端子5中心下方，接线片通过接线片固定螺孔7 固定在铝支撑结构4的水平端板上；所述的Kapton电缆的屏蔽线焊接在接线片上；L型万向连接8的垂直面与铝支撑结构4的下端垂直端板连接，L型万向连接8的水平面固定在超导磁体表面。这样，本发明位移测量装置通过L型万向连接8固定在超导磁体表面，增强了安装的灵活性。如图2所示，本发明中所使用悬臂梁臂12采用抗磁材料铍青铜，长105mm，宽10m， 厚ail。悬臂梁臂12通过悬臂梁臂底座15上的4颗M3螺孔14固定在铝支撑结构4上。在悬臂梁臂12靠近悬臂梁臂底座14侧装配了 4片阻值为350 Ω的低温电阻应变片13，它们分别接入电桥四臂构成了惠斯通全桥电路，其电压灵敏度比用单片应变片提高了 4倍。悬臂梁1的四根Teflon电缆在悬臂梁臂12与悬臂梁臂底座14结合处引出，双绞为两对TefIon 双绞缆16，并用塑料套管固定。这两对Teflon双绞缆16焊接在焊接端子5的上端，与焊在焊接端子5下端的Kapton电缆形成通路。连接固定孔17将用于连接悬臂梁1、弹簧2和不锈钢丝3。如图3为本发明全桥差动电路示意图。一对应变片第一应变片18和第二应变片 19粘贴在悬臂梁臂两侧的上表面，另一对应变片第三应变片20和第四应变片21粘贴在悬臂梁臂两侧的下表面，两对应变片第一应变片18、第二应变片19和第三应变片20、第四应变片21关于悬臂梁臂上下对称。当悬臂梁臂受外力作用时，悬臂梁臂两侧的两对应变片分别受拉和压作用，即这两对应变片的应变符号总是相反。第一应变片18、第二应变片19、 第三应变片20和第四应变片21接入电桥四臂，并将两个应变符号相反的应变片接入相邻桥臂上，构成了全桥差动电路连接。直流电源与全桥差动电路的一对角线串联，以提供电桥激励，数字万用表与另一对角线串联，用来测量电桥输出电压。如图4所示，本发明位移测量装置力学模型可简化为3根弹簧的组合，这三根等效弹簧分别代表悬臂梁1、弹簧2和不锈钢丝3。根据力学公式
权利要求
1.一种用于仿星器超导磁体的位移测量装置，其特征在于，所述位移测量装置包括悬臂梁(1)、弹簧O)、不锈钢丝(3)、铝支撑结构G)、焊接端子(5)、悬臂梁超量程保护片 (6)、接线片固定螺孔(7)、L型万向连接⑶、不锈钢丝-悬臂梁连接结构(9)、弹簧-悬臂梁连接结构(10)、弹簧远端固定结构(11)；悬臂梁(1)固定在铝支撑结构的右端垂直端板上；悬臂梁(1)的两对Teflon双绞缆(16)通过焊接端子(5)与外接的Kapton电缆相连接；悬臂梁臂(1 两侧的上表面粘贴有一对应变片第一应变片(18)和第二应变片 (19)，悬臂梁臂(1 两侧的下表面粘贴有另一对应变片第三应变片00)和第四应变片 (21)，所述的两对应变片关于悬臂梁臂(12)上下对称；臂梁臂两侧的两对应变片的应变符号相反；第一应变片(18)、第二应变片(19)、第三应变片00)和第四应变片分别接入全桥差动电桥的四个臂，两个应变符号相反的应变片接入相邻桥臂上，构成全桥差动电路；直流电源与全桥差动电路的一对角线串联，数字万用表与全桥差动电路的另一对角线串联；不锈钢丝(3)的一端通过不锈钢丝-悬臂梁连接结构(9)固定在悬臂梁臂(12)上， 另一端固定在被测对象表面；弹簧(2)的一端通过弹簧-悬臂梁连接结构(10)固定在悬臂梁臂(12)上，另一端固定在弹簧远端固定结构(11)上；在位移零位置，不锈钢丝(3)与弹簧(2)位置的连线与悬臂梁臂(12)垂直；悬臂梁臂(12)左侧处设有悬臂梁超量程保护片 (6)；在悬臂梁臂底座(14)的左侧，焊接端子(5)粘贴在铝支撑结构的水平端板上；在焊接端子(5)中心下方，接线片通过接线片固定螺孔(7)固定在铝支撑结构的水平端板上；Kapton电缆的屏蔽线焊接在接线片上；L型万向连接(8)的垂直面与铝支撑结构(4) 的下端垂直端板连接，L型万向连接(8)的水平面固定在超导磁体表面。
2.根据权利要求1所述的用于仿星器超导磁体的位移测量装置，其特征在于所述的弹簧(2)先将悬臂梁臂(12)拉至位移负方向处，再由不锈钢丝(3)将悬臂梁臂(12)拉至平衡位置，然后将不锈钢丝(3)固定在被测对象表面。
3.根据权利要求1所述的用于仿星器超导磁体的位移测量装置，其特征在于所述的L 型万向连接(8)的垂直面和水平面上均开有60°的圆弧槽，所述的位移测量装置在所述的垂直面和水平面内可自由旋转60°。
4.根据权利要求1所述的用于仿星器超导磁体的位移测量装置，其特征在于所述的不锈钢丝-悬臂梁连接结构(9)的中间位置开有凹槽，不锈钢丝(3)弯曲成矩形环形状放置在凹槽内。
全文摘要
一种用于仿星器超导磁体的位移测量装置，悬臂梁(1)固定在铝支撑结构(4)的右端垂直端板上，不锈钢丝(3)的一端固定在悬臂梁臂(12)上，另一端固定在被测对象表面，弹簧(2)的一端固定在悬臂梁臂(12)上，另一端固定在弹簧远端固定结构(11)上，在位移零位置，不锈钢丝(3)与弹簧(2)位置的连线与悬臂梁臂(12)垂直，在悬臂梁臂底座(14)的左侧，焊接端子(5)粘贴在铝支撑结构(4)的水平端板上，L型万向连接(8)的垂直面与铝支撑结构(4)的下端垂直端板连接，L型万向连接(8)的水平面固定在超导磁体表面，本发明可用于仿星器超导磁体的位移测量。
文档编号G01B7/02GK102175129SQ20111004188
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者王秋良, 胡新宁, 陈鹏 申请人:中国科学院电工研究所