专利名称：一种低温环境下力磁耦合气压加载系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超磁致伸缩材料的实验装置，具体地，涉及一种低温环境下力磁耦合气压加载系统。
背景技术：
目前，在大量的实验研究中，研究工作者发现超磁致伸缩材料的磁机耦合性能受到外加载荷、环境温度等变化的影响，特别是在低温环境下(液氮温度为-196°C )，超磁致伸缩材料具有比常温下(环境温度为20°C)大很多的磁致伸缩量。低温环境下超磁致伸缩材料的磁致伸缩量可以达到6000ppm，常温下超磁致伸缩材料的磁致伸缩量最大为2200ppm (ppm=l(T6)。但是，对于超磁致伸缩材料低温环境下的实验装置，有非常少的文献报道。并且， 目前关于超磁致伸缩材料的研究，大多都集中在常温下的特性研究。仅有的一些实验结果也只是在只有液氮温度，而没有力加载的情况下，测试出的实验结果。这些都不能较为全面的反映出该种材料在液氮低温下的力磁热多场耦合特性。综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在测试不全面与准确性差等缺陷。

发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种低温环境下力磁耦合气压加载系统， 以实现测试全面与准确性好的优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种低温环境下力磁耦合气压加载系统，包括低温环境提供装置、气压加载装置与高磁场环境提供装置，其中所述低温环境提供装置的气体入口与气压加载装置的气体出口配合连接，所述磁场环境提供装置分别与低温环境提供装置及气压加载装置配合连接。进一步地，还包括实验样品固定装置，所述实验样品固定装置配合设置在低温环境提供装置与气压加载装置之间。进一步地，所述低温环境提供装置包括液氮储存组件、液氮输送管与液氮保温组件，所述液氮储存组件的液氮输出端经液氮输送管与液氮保温组件的液氮注入口连接。进一步地，所述液氮储存组件包括液氮储存器，密封加盖在所述液氮储存器的开口端的密封盖，在所述密封盖上开设有加压口，在所述加压口安装有压力表；所述液氮输送管靠近液氮储存组件的一端穿过密封盖、并伸至液氮储存器的底部。进一步地，所述液氮保温组件包括承压杜瓦瓶，在所述承压杜瓦瓶的开口端覆盖有环氧板盖，在所述承压杜瓦瓶的底部中心设有承压支撑座；所述液氮输送管的另一端穿过环氧板盖；在所述环氧板盖上还开设有气体入口。进一步地，所述承压杜瓦瓶的瓶身包括双层真空无磁不锈钢外壁，所述承压支撑座位于双层真空无磁不锈钢外壁的底部中心空腔位置。进一步地，所述气压加载装置包括空气压缩机、气体输送管与气压组件，所述空气压缩机的气体出口通过气体输送管与气压组件的气体入口连接；在所述气体输送管上设有恒压表与三通阀门。进一步地，所述气压组件包括上下水平平行间隔设置的无磁不锈钢薄板与无磁不锈钢圆柱体，以及靠近所述无磁不锈钢圆柱体的侧壁、竖直设置在无磁不锈钢薄板与无磁不锈钢圆柱体之间的第一无磁波纹管与第二无磁波纹管；在所述无磁不锈钢薄板、无磁不锈钢圆柱体、第一无磁波纹管与第二无磁波纹管之间形成密闭的充气空腔；在所述无磁不锈钢圆柱体的侧壁，开设有连通气体输送管与充气空腔的气压输入口 ；在所述无磁不锈钢圆柱体的底部中心位置，开设有气体出口。进一步地，所述磁场环境提供装置包括霍姆赫兹线圈，所述霍姆赫兹线圈的上磁极头设置在气压加载装置的上方、下磁极头设置在低温环境提供装置的下方；所述上磁极头与下磁极头之间的距离不大于150mm。进一步地，所述实验样品固定装置包括竖直对称设置在实验样品两侧的第一固定骨架与第二固定骨架，以及水平对称设置在实验样品两端的上顶杆与下顶杆；在所述第一固定骨架与第二固定骨架形成的空腔内安装有低温霍尔传感器，在上顶杆处安装有薄膜压力传感器，在实验样品上粘贴有低温应变片、绕有5-6匝线圈；与所述低温霍尔传感器、薄膜压力传感器、低温应变片与线圈相配合，还设有屏蔽导线。本发明各实施例的低温环境下力磁耦合气压加载系统，由于包括低温环境提供装置、气压加载装置与高磁场环境提供装置，低温环境提供装置的气体入口与气压加载装置的气体出口配合连接，磁场环境提供装置分别与低温环境提供装置及气压加载装置配合连接；低温环境提供装置可以保障实验所需的低温环境77K (零下196°C)、并承受8400N的高载荷，气压加载装置在实验中提供稳定的压力条件、压应力最大为64MPa，磁场环境提供装置可以提供稳定的磁场、最大磁场为1910kA/m ；从而可以克服现有技术中测试不全面与准确性差的缺陷，以实现测试全面与准确性好的优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。


附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中
图1为根据本发明低温环境下力磁耦合气压加载系统的结构示意图。结合附图，本发明实施例中附图标记如下
1-加压口 ；2-压力表；3-液氮储存器；4-承压杜瓦瓶；5-承压支撑座；6-环氧板盖；7-固定螺钉；8-空气压缩机；9-输压表；10-内压表；11-三通阀门；12-气压输入口 ；13-气压组件；14-无磁不锈钢薄板；15-充气空腔；16-无磁波纹管；17-无磁不锈钢圆柱体； 18-上磁极头；19-下磁极头；20-霍尔传感器；21-屏蔽导线；22-固定骨架；23-实验样品。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。根据本发明实施例，提供了一种低温环境下力磁耦合气压加载系统。如图1所示， 本实施例包括低温环境提供装置、气压加载装置、高磁场环境提供装置与实验样品23固定装置，其中，低温环境提供装置的气体入口与气压加载装置的气体出口配合连接，磁场环境提供装置分别与低温环境提供装置及气压加载装置配合连接，实验样品23固定装置配合设置在低温环境提供装置与气压加载装置之间。进一步地，在上述实施例中，上述低温环境提供装置包括液氮储存组件、液氮输送管与液氮保温组件，液氮储存组件的液氮输出端经液氮输送管与液氮保温组件的液氮注入口连接。其中，上述液氮储存组件包括液氮储存器3，密封加盖在液氮储存器3的开口端的密封盖，在密封盖上开设有加压口 1，在加压口 1安装有压力表2 ；液氮输送管靠近液氮储存组件的一端穿过密封盖、并伸至液氮储存器3的底部。通过实际测试，在液氮储存器3充满液氮之后，液氮储存器3能够保持1. 5个小时的低温环境，从而保证完成在低温环境下实验测试。上述液氮保温组件包括承压杜瓦瓶4，在承压杜瓦瓶4的开口端覆盖有环氧板盖 6，有利于减少液氮的挥发；环氧板盖6通过固定螺钉7与承压杜瓦瓶4连接，在承压杜瓦瓶 4的底部中心设有承压支撑座5 ；液氮输送管的另一端穿过环氧板盖6 ；在环氧板盖6上还开设有气体入口。这里，承压杜瓦瓶4的瓶身包括双层真空无磁不锈钢外壁，无磁不锈钢材料本身刚度较高，承压支撑座5位于双层真空无磁不锈钢外壁的底部中心空腔位置，设计承压力为8400N，实验结果为能够承受8600N的载荷。在上述低温环境提供装置中，通过加压口 1，可以将储存在液氮储存器3中的液氮，输入到承压杜瓦瓶4中。进一步地，在上述实施例中，气压加载装置包括空气压缩机8、气体输送管与气压组件13，空气压缩机8的气体出口通过气体输送管与气压组件13的气体入口连接；在气体输送管上设有恒压表与三通阀门11。在空气压缩机8中还设有输压表9与内压表10。其中，上述气压组件13包括上下水平平行间隔设置的无磁不锈钢薄板14与无磁不锈钢圆柱体17，以及靠近无磁不锈钢圆柱体17的侧壁、竖直设置在无磁不锈钢薄板14与无磁不锈钢圆柱体17之间的第一无磁波纹管(如无磁波纹管16)与第二无磁波纹管；在无磁不锈钢薄板14、无磁不锈钢圆柱体17、第一无磁波纹管与第二无磁波纹管之间形成密闭的充气空腔15 ；在无磁不锈钢圆柱体17的侧壁，开设有连通气体输送管与充气空腔15的气压输入口 12 ；在无磁不锈钢圆柱体17的底部中心位置，开设有气体出口。这里，第一无磁波纹管、第二无磁波纹管、无磁不锈钢薄板14和无磁不锈钢圆柱体17，选用的材料均不会对磁场产生影响；可以采用氩弧焊，将第一无磁波纹管、第二无磁波纹管、无磁不锈钢薄板14和无磁不锈钢圆柱体17焊接为一个密闭的容器(即充气空腔 15)，通过空气压缩机8进行气体的输入；空气压缩机8，提供气压，在空气压缩机8与气压组件13中间接有恒压表和三通阀门11，使充入气压组件13中的气压保持在恒定值，气压的精度为1N。进一步地，在上述实施例中，磁场环境提供装置包括霍姆赫兹线圈，霍姆赫兹线圈的上磁极头18设置在气压加载装置的上方、下磁极头19设置在低温环境提供装置的下方； 上磁极头18与下磁极头19之间的距离可调、且不大于150mm。这里，霍姆赫兹线圈可以提供稳定的磁场，当上磁极头18与下磁极头19的直径均为100mm、且上磁极头18与下磁极头 19之间的距离为IOOmm时，最大磁场为1910kA/m。进一步地，在上述实施例中，实验样品23固定装置包括竖直对称设置在实验样品 23两侧的第一固定骨架(如固定骨架22)与第二固定骨架，以及水平对称设置在实验样品 23两端的上顶杆与下顶杆；在第一固定骨架与第二固定骨架形成的空腔内安装有低温霍尔传感器20，在上顶杆处安装有薄膜压力传感器，在实验样品23上粘贴有低温应变片(适应温度为4K-常温)、绕有5-6匝线圈，可以分别测试实验样品23在多场环境下的机械特性与磁特性；与低温霍尔传感器20、薄膜压力传感器、低温应变片与线圈相配合，还设有屏蔽导线21。这里，实验样品23固定装置也选用非磁性材料，上下有两个平行端面，平行度不超过公差等级7级，能够实现实验样品23受力的均勻，且不会发生由于放置实验样品23不当，而引起压力加载过程的失稳或者剪切破坏。在上述实施例中，实验样品23、气压加载装置、实验样品23固定装置和承压杜瓦瓶4装配后的整体尺寸高度不能大于150mm，并且应尽可能控制在100_130mm之间；经实验，该整体尺寸高度为125mm时，能够满足实验的要求。使用上述实施例的低温环境下力磁耦合气压加载系统时，需要在低温环境提供装置中，首先将超磁致伸缩棒贴上低温应变片，将输出铜导棒与超磁致伸缩棒连接起来，放置在低温环境提供装置中，然后倒入液氮，以能够完全浸泡超磁致伸缩棒为宜，盖上低温环境提供装置环氧板盖，将低温环境装置和气压加载装置放于霍姆赫兹线圈的上磁极头与下磁极头之间，调整霍姆赫兹线圈的上磁极头与下磁极头发热距离至有压力临近位置，此时就可以进行加压，驱动霍姆赫兹线圈磁场的开启，进行低温实验研究。上述实施例的低温环境下力磁耦合气压加载系统，可以满足低温环境下超磁致伸缩材料的力磁耦合特性的测试，即力-磁-热多场耦合的超磁致伸缩材料特性测试，从而实现为该种材料更为广泛的应用研究提供良好的平台。与现有技术相比，上述实施例的低温环境下力磁耦合气压加载系统具有以下特性⑴内部结构选用的材料都是非磁性材料，在满足力学性能的同时，不会对磁场强度的均勻性产生影响；⑵选用的材料在液氮温度下不会发生变形或者发生力学特性的实效，以免在机械加载过程中受到破坏；⑶选用的机械信号、磁信号的传感器都是适应于低温环境测量的，可以保证在低温环境下的准确测试。综上所述，本发明各实施例的低温环境下力磁耦合气压加载系统，由于包括低温环境提供装置、气压加载装置与高磁场环境提供装置，低温环境提供装置的气体入口与气压加载装置的气体出口配合连接，磁场环境提供装置分别与低温环境提供装置及气压加载装置配合连接；低温环境提供装置可以保障实验所需的低温环境77K (零下196°C)、并承受 8400N的高载荷，气压加载装置在实验中提供稳定的压力条件、压应力最大为64MPa，磁场环境提供装置可以提供稳定的磁场、最大磁场为1910kA/m ；从而可以克服现有技术中测试不全面与准确性差的缺陷，以实现测试全面与准确性好的优点。 最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，包括低温环境提供装置、气压加载装置与高磁场环境提供装置，其中所述低温环境提供装置的气体入口与气压加载装置的气体出口配合连接，所述磁场环境提供装置分别与低温环境提供装置及气压加载装置配合连接。
2.根据权利要求1所述的低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，还包括实验样品固定装置，所述实验样品固定装置配合设置在低温环境提供装置与气压加载装置之间。
3.根据权利要求1或2所述的低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，所述低温环境提供装置包括液氮储存组件、液氮输送管与液氮保温组件，所述液氮储存组件的液氮输出端经液氮输送管与液氮保温组件的液氮注入口连接。
4.根据权利要求3所述的低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，所述液氮储存组件包括液氮储存器，密封加盖在所述液氮储存器的开口端的密封盖，在所述密封盖上开设有加压口，在所述加压口安装有压力表；所述液氮输送管靠近液氮储存组件的一端穿过密封盖、并伸至液氮储存器的底部。
5.根据权利要求4所述的低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，所述液氮保温组件包括承压杜瓦瓶，在所述承压杜瓦瓶的开口端覆盖有环氧板盖，在所述承压杜瓦瓶的底部中心设有承压支撑座；所述液氮输送管的另一端穿过环氧板盖；在所述环氧板盖上还开设有气体入口。
6.根据权利要求5所述的低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，所述承压杜瓦瓶的瓶身包括双层真空无磁不锈钢外壁，所述承压支撑座位于双层真空无磁不锈钢外壁的底部中心空腔位置。
7.根据权利要求1或2所述的低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，所述气压加载装置包括空气压缩机、气体输送管与气压组件，所述空气压缩机的气体出口通过气体输送管与气压组件的气体入口连接；在所述气体输送管上设有恒压表与三通阀门。
8.根据权利要求7所述的低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，所述气压组件包括上下水平平行间隔设置的无磁不锈钢薄板与无磁不锈钢圆柱体，以及靠近所述无磁不锈钢圆柱体的侧壁、竖直设置在无磁不锈钢薄板与无磁不锈钢圆柱体之间的第一无磁波纹管与第二无磁波纹管；在所述无磁不锈钢薄板、无磁不锈钢圆柱体、第一无磁波纹管与第二无磁波纹管之间形成密闭的充气空腔；在所述无磁不锈钢圆柱体的侧壁，开设有连通气体输送管与充气空腔的气压输入口 ；在所述无磁不锈钢圆柱体的底部中心位置，开设有气体出口。
9.根据权利要求1或2所述的低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，所述磁场环境提供装置包括霍姆赫兹线圈，所述霍姆赫兹线圈的上磁极头设置在气压加载装置的上方、下磁极头设置在低温环境提供装置的下方；所述上磁极头与下磁极头之间的距离不大于150mm。
10.根据权利要求1或2所述的低温环境下力磁耦合气压加载系统，其特征在于，所述实验样品固定装置包括竖直对称设置在实验样品两侧的第一固定骨架与第二固定骨架，以及水平对称设置在实验样品两端的上顶杆与下顶杆；在所述第一固定骨架与第二固定骨架形成的空腔内安装有低温霍尔传感器，在上顶杆处安装有薄膜压力传感器，在实验样品上粘贴有低温应变片、绕有5-6匝线圈；与所述低温霍尔传感器、薄膜压力传感器、低温应变片与线圈相配合，还设有屏蔽导线。
全文摘要
本发明公开了一种低温环境下力磁耦合气压加载系统，包括低温环境提供装置、气压加载装置与高磁场环境提供装置，其中所述低温环境提供装置的气体入口与气压加载装置的气体出口配合连接，所述磁场环境提供装置分别与低温环境提供装置及气压加载装置配合连接。本发明所述低温环境下力磁耦合气压加载系统，可以克服现有技术中测试不全面与准确性差等缺陷，以具有测试全面与准确性好的优点。
文档编号G01N3/18GK102252914SQ20111011784
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者周又和, 赵沛 申请人:兰州大学