[发明专利]一种用于聚变超导磁体的应变测量装置

说明书

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。