一種低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統的製作方法

2023-05-28 14:59:31

專利名稱：一種低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及超磁致伸縮材料的實驗裝置，具體地，涉及一種低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統。
背景技術：
目前，在大量的實驗研究中，研究工作者發現超磁致伸縮材料的磁機耦合性能受到外加載荷、環境溫度等變化的影響，特別是在低溫環境下(液氮溫度為-196°C )，超磁致伸縮材料具有比常溫下(環境溫度為20°C)大很多的磁致伸縮量。低溫環境下超磁致伸縮材料的磁致伸縮量可以達到6000ppm，常溫下超磁致伸縮材料的磁致伸縮量最大為2200ppm (ppm=l(T6)。但是，對於超磁致伸縮材料低溫環境下的實驗裝置，有非常少的文獻報導。並且， 目前關於超磁致伸縮材料的研究，大多都集中在常溫下的特性研究。僅有的一些實驗結果也只是在只有液氮溫度，而沒有力加載的情況下，測試出的實驗結果。這些都不能較為全面的反映出該種材料在液氮低溫下的力磁熱多場耦合特性。綜上所述，在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在測試不全面與準確性差等缺陷。

發明內容
本發明的目的在於，針對上述問題，提出一種低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統， 以實現測試全面與準確性好的優點。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是一種低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，包括低溫環境提供裝置、氣壓加載裝置與高磁場環境提供裝置，其中所述低溫環境提供裝置的氣體入口與氣壓加載裝置的氣體出口配合連接，所述磁場環境提供裝置分別與低溫環境提供裝置及氣壓加載裝置配合連接。進一步地，還包括實驗樣品固定裝置，所述實驗樣品固定裝置配合設置在低溫環境提供裝置與氣壓加載裝置之間。進一步地，所述低溫環境提供裝置包括液氮儲存組件、液氮輸送管與液氮保溫組件，所述液氮儲存組件的液氮輸出端經液氮輸送管與液氮保溫組件的液氮注入口連接。進一步地，所述液氮儲存組件包括液氮儲存器，密封加蓋在所述液氮儲存器的開口端的密封蓋，在所述密封蓋上開設有加壓口，在所述加壓口安裝有壓力表；所述液氮輸送管靠近液氮儲存組件的一端穿過密封蓋、並伸至液氮儲存器的底部。進一步地，所述液氮保溫組件包括承壓杜瓦瓶，在所述承壓杜瓦瓶的開口端覆蓋有環氧板蓋，在所述承壓杜瓦瓶的底部中心設有承壓支撐座；所述液氮輸送管的另一端穿過環氧板蓋；在所述環氧板蓋上還開設有氣體入口。進一步地，所述承壓杜瓦瓶的瓶身包括雙層真空無磁不鏽鋼外壁，所述承壓支撐座位於雙層真空無磁不鏽鋼外壁的底部中心空腔位置。進一步地，所述氣壓加載裝置包括空氣壓縮機、氣體輸送管與氣壓組件，所述空氣壓縮機的氣體出口通過氣體輸送管與氣壓組件的氣體入口連接；在所述氣體輸送管上設有恆壓表與三通閥門。進一步地，所述氣壓組件包括上下水平平行間隔設置的無磁不鏽鋼薄板與無磁不鏽鋼圓柱體，以及靠近所述無磁不鏽鋼圓柱體的側壁、豎直設置在無磁不鏽鋼薄板與無磁不鏽鋼圓柱體之間的第一無磁波紋管與第二無磁波紋管；在所述無磁不鏽鋼薄板、無磁不鏽鋼圓柱體、第一無磁波紋管與第二無磁波紋管之間形成密閉的充氣空腔；在所述無磁不鏽鋼圓柱體的側壁，開設有連通氣體輸送管與充氣空腔的氣壓輸入口 ；在所述無磁不鏽鋼圓柱體的底部中心位置，開設有氣體出口。進一步地，所述磁場環境提供裝置包括霍姆赫茲線圈，所述霍姆赫茲線圈的上磁極頭設置在氣壓加載裝置的上方、下磁極頭設置在低溫環境提供裝置的下方；所述上磁極頭與下磁極頭之間的距離不大於150mm。進一步地，所述實驗樣品固定裝置包括豎直對稱設置在實驗樣品兩側的第一固定骨架與第二固定骨架，以及水平對稱設置在實驗樣品兩端的上頂杆與下頂杆；在所述第一固定骨架與第二固定骨架形成的空腔內安裝有低溫霍爾傳感器，在上頂杆處安裝有薄膜壓力傳感器，在實驗樣品上粘貼有低溫應變片、繞有5-6匝線圈；與所述低溫霍爾傳感器、薄膜壓力傳感器、低溫應變片與線圈相配合，還設有屏蔽導線。本發明各實施例的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，由於包括低溫環境提供裝置、氣壓加載裝置與高磁場環境提供裝置，低溫環境提供裝置的氣體入口與氣壓加載裝置的氣體出口配合連接，磁場環境提供裝置分別與低溫環境提供裝置及氣壓加載裝置配合連接；低溫環境提供裝置可以保障實驗所需的低溫環境77K (零下196°C)、並承受8400N的高載荷，氣壓加載裝置在實驗中提供穩定的壓力條件、壓應力最大為64MPa，磁場環境提供裝置可以提供穩定的磁場、最大磁場為1910kA/m ；從而可以克服現有技術中測試不全面與準確性差的缺陷，以實現測試全面與準確性好的優點。本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。


附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中
圖1為根據本發明低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統的結構示意圖。結合附圖，本發明實施例中附圖標記如下
1-加壓口 ；2-壓力表；3-液氮儲存器；4-承壓杜瓦瓶；5-承壓支撐座；6-環氧板蓋；7-固定螺釘；8-空氣壓縮機；9-輸壓表；10-內壓表；11-三通閥門；12-氣壓輸入口 ；13-氣壓組件；14-無磁不鏽鋼薄板；15-充氣空腔；16-無磁波紋管；17-無磁不鏽鋼圓柱體； 18-上磁極頭；19-下磁極頭；20-霍爾傳感器；21-屏蔽導線；22-固定骨架；23-實驗樣品。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。根據本發明實施例，提供了一種低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統。如圖1所示， 本實施例包括低溫環境提供裝置、氣壓加載裝置、高磁場環境提供裝置與實驗樣品23固定裝置，其中，低溫環境提供裝置的氣體入口與氣壓加載裝置的氣體出口配合連接，磁場環境提供裝置分別與低溫環境提供裝置及氣壓加載裝置配合連接，實驗樣品23固定裝置配合設置在低溫環境提供裝置與氣壓加載裝置之間。進一步地，在上述實施例中，上述低溫環境提供裝置包括液氮儲存組件、液氮輸送管與液氮保溫組件，液氮儲存組件的液氮輸出端經液氮輸送管與液氮保溫組件的液氮注入口連接。其中，上述液氮儲存組件包括液氮儲存器3，密封加蓋在液氮儲存器3的開口端的密封蓋，在密封蓋上開設有加壓口 1，在加壓口 1安裝有壓力表2 ；液氮輸送管靠近液氮儲存組件的一端穿過密封蓋、並伸至液氮儲存器3的底部。通過實際測試，在液氮儲存器3充滿液氮之後，液氮儲存器3能夠保持1. 5個小時的低溫環境，從而保證完成在低溫環境下實驗測試。上述液氮保溫組件包括承壓杜瓦瓶4，在承壓杜瓦瓶4的開口端覆蓋有環氧板蓋 6，有利於減少液氮的揮發；環氧板蓋6通過固定螺釘7與承壓杜瓦瓶4連接，在承壓杜瓦瓶 4的底部中心設有承壓支撐座5 ；液氮輸送管的另一端穿過環氧板蓋6 ；在環氧板蓋6上還開設有氣體入口。這裡，承壓杜瓦瓶4的瓶身包括雙層真空無磁不鏽鋼外壁，無磁不鏽鋼材料本身剛度較高，承壓支撐座5位於雙層真空無磁不鏽鋼外壁的底部中心空腔位置，設計承壓力為8400N，實驗結果為能夠承受8600N的載荷。在上述低溫環境提供裝置中，通過加壓口 1，可以將儲存在液氮儲存器3中的液氮，輸入到承壓杜瓦瓶4中。進一步地，在上述實施例中，氣壓加載裝置包括空氣壓縮機8、氣體輸送管與氣壓組件13，空氣壓縮機8的氣體出口通過氣體輸送管與氣壓組件13的氣體入口連接；在氣體輸送管上設有恆壓表與三通閥門11。在空氣壓縮機8中還設有輸壓表9與內壓表10。其中，上述氣壓組件13包括上下水平平行間隔設置的無磁不鏽鋼薄板14與無磁不鏽鋼圓柱體17，以及靠近無磁不鏽鋼圓柱體17的側壁、豎直設置在無磁不鏽鋼薄板14與無磁不鏽鋼圓柱體17之間的第一無磁波紋管(如無磁波紋管16)與第二無磁波紋管；在無磁不鏽鋼薄板14、無磁不鏽鋼圓柱體17、第一無磁波紋管與第二無磁波紋管之間形成密閉的充氣空腔15 ；在無磁不鏽鋼圓柱體17的側壁，開設有連通氣體輸送管與充氣空腔15的氣壓輸入口 12 ；在無磁不鏽鋼圓柱體17的底部中心位置，開設有氣體出口。這裡，第一無磁波紋管、第二無磁波紋管、無磁不鏽鋼薄板14和無磁不鏽鋼圓柱體17，選用的材料均不會對磁場產生影響；可以採用氬弧焊，將第一無磁波紋管、第二無磁波紋管、無磁不鏽鋼薄板14和無磁不鏽鋼圓柱體17焊接為一個密閉的容器(即充氣空腔 15)，通過空氣壓縮機8進行氣體的輸入；空氣壓縮機8，提供氣壓，在空氣壓縮機8與氣壓組件13中間接有恆壓表和三通閥門11，使充入氣壓組件13中的氣壓保持在恆定值，氣壓的精度為1N。進一步地，在上述實施例中，磁場環境提供裝置包括霍姆赫茲線圈，霍姆赫茲線圈的上磁極頭18設置在氣壓加載裝置的上方、下磁極頭19設置在低溫環境提供裝置的下方； 上磁極頭18與下磁極頭19之間的距離可調、且不大於150mm。這裡，霍姆赫茲線圈可以提供穩定的磁場，當上磁極頭18與下磁極頭19的直徑均為100mm、且上磁極頭18與下磁極頭 19之間的距離為IOOmm時，最大磁場為1910kA/m。進一步地，在上述實施例中，實驗樣品23固定裝置包括豎直對稱設置在實驗樣品 23兩側的第一固定骨架(如固定骨架22)與第二固定骨架，以及水平對稱設置在實驗樣品 23兩端的上頂杆與下頂杆；在第一固定骨架與第二固定骨架形成的空腔內安裝有低溫霍爾傳感器20，在上頂杆處安裝有薄膜壓力傳感器，在實驗樣品23上粘貼有低溫應變片(適應溫度為4K-常溫)、繞有5-6匝線圈，可以分別測試實驗樣品23在多場環境下的機械特性與磁特性；與低溫霍爾傳感器20、薄膜壓力傳感器、低溫應變片與線圈相配合，還設有屏蔽導線21。這裡，實驗樣品23固定裝置也選用非磁性材料，上下有兩個平行端面，平行度不超過公差等級7級，能夠實現實驗樣品23受力的均勻，且不會發生由於放置實驗樣品23不當，而引起壓力加載過程的失穩或者剪切破壞。在上述實施例中，實驗樣品23、氣壓加載裝置、實驗樣品23固定裝置和承壓杜瓦瓶4裝配後的整體尺寸高度不能大於150mm，並且應儘可能控制在100_130mm之間；經實驗，該整體尺寸高度為125mm時，能夠滿足實驗的要求。使用上述實施例的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統時，需要在低溫環境提供裝置中，首先將超磁致伸縮棒貼上低溫應變片，將輸出銅導棒與超磁致伸縮棒連接起來，放置在低溫環境提供裝置中，然後倒入液氮，以能夠完全浸泡超磁致伸縮棒為宜，蓋上低溫環境提供裝置環氧板蓋，將低溫環境裝置和氣壓加載裝置放於霍姆赫茲線圈的上磁極頭與下磁極頭之間，調整霍姆赫茲線圈的上磁極頭與下磁極頭髮熱距離至有壓力臨近位置，此時就可以進行加壓，驅動霍姆赫茲線圈磁場的開啟，進行低溫實驗研究。上述實施例的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，可以滿足低溫環境下超磁致伸縮材料的力磁耦合特性的測試，即力-磁-熱多場耦合的超磁致伸縮材料特性測試，從而實現為該種材料更為廣泛的應用研究提供良好的平臺。與現有技術相比，上述實施例的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統具有以下特性⑴內部結構選用的材料都是非磁性材料，在滿足力學性能的同時，不會對磁場強度的均勻性產生影響；⑵選用的材料在液氮溫度下不會發生變形或者發生力學特性的實效，以免在機械加載過程中受到破壞；⑶選用的機械信號、磁信號的傳感器都是適應於低溫環境測量的，可以保證在低溫環境下的準確測試。綜上所述，本發明各實施例的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，由於包括低溫環境提供裝置、氣壓加載裝置與高磁場環境提供裝置，低溫環境提供裝置的氣體入口與氣壓加載裝置的氣體出口配合連接，磁場環境提供裝置分別與低溫環境提供裝置及氣壓加載裝置配合連接；低溫環境提供裝置可以保障實驗所需的低溫環境77K (零下196°C)、並承受 8400N的高載荷，氣壓加載裝置在實驗中提供穩定的壓力條件、壓應力最大為64MPa，磁場環境提供裝置可以提供穩定的磁場、最大磁場為1910kA/m ；從而可以克服現有技術中測試不全面與準確性差的缺陷，以實現測試全面與準確性好的優點。 最後應說明的是以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明， 儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，包括低溫環境提供裝置、氣壓加載裝置與高磁場環境提供裝置，其中所述低溫環境提供裝置的氣體入口與氣壓加載裝置的氣體出口配合連接，所述磁場環境提供裝置分別與低溫環境提供裝置及氣壓加載裝置配合連接。
2.根據權利要求1所述的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，還包括實驗樣品固定裝置，所述實驗樣品固定裝置配合設置在低溫環境提供裝置與氣壓加載裝置之間。
3.根據權利要求1或2所述的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，所述低溫環境提供裝置包括液氮儲存組件、液氮輸送管與液氮保溫組件，所述液氮儲存組件的液氮輸出端經液氮輸送管與液氮保溫組件的液氮注入口連接。
4.根據權利要求3所述的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，所述液氮儲存組件包括液氮儲存器，密封加蓋在所述液氮儲存器的開口端的密封蓋，在所述密封蓋上開設有加壓口，在所述加壓口安裝有壓力表；所述液氮輸送管靠近液氮儲存組件的一端穿過密封蓋、並伸至液氮儲存器的底部。
5.根據權利要求4所述的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，所述液氮保溫組件包括承壓杜瓦瓶，在所述承壓杜瓦瓶的開口端覆蓋有環氧板蓋，在所述承壓杜瓦瓶的底部中心設有承壓支撐座；所述液氮輸送管的另一端穿過環氧板蓋；在所述環氧板蓋上還開設有氣體入口。
6.根據權利要求5所述的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，所述承壓杜瓦瓶的瓶身包括雙層真空無磁不鏽鋼外壁，所述承壓支撐座位於雙層真空無磁不鏽鋼外壁的底部中心空腔位置。
7.根據權利要求1或2所述的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，所述氣壓加載裝置包括空氣壓縮機、氣體輸送管與氣壓組件，所述空氣壓縮機的氣體出口通過氣體輸送管與氣壓組件的氣體入口連接；在所述氣體輸送管上設有恆壓表與三通閥門。
8.根據權利要求7所述的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，所述氣壓組件包括上下水平平行間隔設置的無磁不鏽鋼薄板與無磁不鏽鋼圓柱體，以及靠近所述無磁不鏽鋼圓柱體的側壁、豎直設置在無磁不鏽鋼薄板與無磁不鏽鋼圓柱體之間的第一無磁波紋管與第二無磁波紋管；在所述無磁不鏽鋼薄板、無磁不鏽鋼圓柱體、第一無磁波紋管與第二無磁波紋管之間形成密閉的充氣空腔；在所述無磁不鏽鋼圓柱體的側壁，開設有連通氣體輸送管與充氣空腔的氣壓輸入口 ；在所述無磁不鏽鋼圓柱體的底部中心位置，開設有氣體出口。
9.根據權利要求1或2所述的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，所述磁場環境提供裝置包括霍姆赫茲線圈，所述霍姆赫茲線圈的上磁極頭設置在氣壓加載裝置的上方、下磁極頭設置在低溫環境提供裝置的下方；所述上磁極頭與下磁極頭之間的距離不大於150mm。
10.根據權利要求1或2所述的低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，其特徵在於，所述實驗樣品固定裝置包括豎直對稱設置在實驗樣品兩側的第一固定骨架與第二固定骨架，以及水平對稱設置在實驗樣品兩端的上頂杆與下頂杆；在所述第一固定骨架與第二固定骨架形成的空腔內安裝有低溫霍爾傳感器，在上頂杆處安裝有薄膜壓力傳感器，在實驗樣品上粘貼有低溫應變片、繞有5-6匝線圈；與所述低溫霍爾傳感器、薄膜壓力傳感器、低溫應變片與線圈相配合，還設有屏蔽導線。
全文摘要
本發明公開了一種低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，包括低溫環境提供裝置、氣壓加載裝置與高磁場環境提供裝置，其中所述低溫環境提供裝置的氣體入口與氣壓加載裝置的氣體出口配合連接，所述磁場環境提供裝置分別與低溫環境提供裝置及氣壓加載裝置配合連接。本發明所述低溫環境下力磁耦合氣壓加載系統，可以克服現有技術中測試不全面與準確性差等缺陷，以具有測試全面與準確性好的優點。
文檔編號G01N3/18GK102252914SQ20111011784
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月9日 優先權日2011年5月9日
發明者周又和, 趙沛 申請人:蘭州大學