一种低温下超导磁体动态测量装置的制作方法

本实用新型涉及超导磁体测试设备技术领域，尤其是涉及一种低温下超导磁体动态测量装置。

背景技术：

目前，已知的低温超导磁体的测试主要有以下两种方式：1.将低温超导磁体直接浸泡在液氦中，在超导磁体指定位置固定霍尔探头进行定点测量；2.给每台超导磁体单独配置低温恒温器，在室温孔内进行测量。前一种方式缺陷是无法动态测量获取的信息较少；后一种方式要求每台超导磁体需要自带低温恒温器，如果超导磁体内孔径较小时在室温孔内测量就会受到空间上的限制。

另外，超导磁体的几何中心和磁场中心一般不会完全重合有一定的偏差，这是由于超导磁体绕制过程中要跳匝、加预紧力等，不可避免地造成磁场中心和机械中心不重合。例如MSU(美国密歇根州立大学)FRIB项目超导磁体，要求磁场中心与机械中心偏差小于0.3mm。但如果偏差太大，会产生束流轨道畸变。通过测量确定磁场中心与机械中的偏差并进行二次加工，使得超导磁体的磁场中心必须在束流轴线上。这都会给超导磁体的动态测量带来困难，现有技术中缺乏一种在低温的环境下(多为液氦温度)直接工作、性能稳定、维护方便的检测设备，尤其是可以在较小的超导磁体孔径内进行动态测量超导磁体的磁场中心和轴向磁场沿轴线上分布的测试装置尚属技术空白。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足提供一种低温下超导磁体动态测量装置。从而有效解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：所述的一种低温下超导磁体动态测量装置，其特点是包括测量工作台和测磁工装机构，所述的测量工作台包括底盘，底盘上设置有X方向位置调整机构、Y方向位置调整机构和Z方向位置调整机构，Z方向位置调整机构上还设置有旋转驱动电机，旋转驱动电机通过联轴器与测磁杆上端相连，测磁杆穿过底盘的中间孔下端安装在测磁工装机构上，所述的测磁工装机构包括上定位盘和下定位盘，上定位盘上端对应设置有限位块，下定位盘下端对应设置有锁紧环，上定位盘和下定位盘之间设置有旋转筒。

所述的测磁杆上还设置有密封机构，所述的密封机构包括密封座，密封座内设置有弹簧，弹簧上方对应设置有压环，压环上方安装有密封圈和调整环，压盖安装在调整环上方，压盖上设置有压紧螺钉和锁紧螺钉。调节压紧螺钉使测磁杆在密封机构内上下移动和旋转时不会漏气，锁紧螺钉用来锁紧测磁杆，密封机构也起到一定的起到导向的作用。

所述的测磁杆贯穿底盘的中间孔、密封机构的中孔和测磁工装机构的中孔，测磁杆下端安装有轴向柱状霍尔探头和径向片状霍尔探头，轴向柱状霍尔探头和径向片状霍尔探头通过引线由测磁杆上的引线出口引出。

所述的X方向位置调整机构包括X向导轨，X向导轨上对应安装有X向滑块和X向丝杠，X向丝杠外端连接有X向手轮，X向导轨上还设置有X向锁紧机构；所述的Y方向位置调整机构安装在X向滑块上，Y方向位置调整机构包括Y向导轨，Y向导轨上对应安装有Y向滑块和Y向丝杠，Y向丝杠外端连接有Y向手轮，Y向导轨上还设置有Y向锁紧机构；所述的Z方向位置调整机构安装在Y向滑块上，Z方向位置调整机构包括Z向导轨，Z向导轨上对应安装有Z向滑块和Z向丝杠，Z向丝杠上端连接有Z向电机，所述的旋转驱动电机安装在Z向滑块上。

所述的底盘上还设置有调节螺杆，调节螺杆设置为四根，底盘通过四根调节螺杆固定在测试杜瓦的顶法兰上，通过调整调节螺杆来保证底盘和顶法兰之间的距离和平行度。

所述的旋转驱动电机通过联轴器带动测磁杆沿C方向旋转，旋转角度范围为0-360°；所述的X方向位置调整机构、Y方向位置调整机构和Z方向位置调整机构分别实现测磁杆沿X方向、Y方向和Z方向的移动；X方向位置调整机构的移动调节范围是1-150mm；Y方向位置调整机构移动调节范围是1-50mm；Z方向位置调整机构的移动调节范围是0-850mm。

所述的测磁工装机构的测磁杆下端部固定用来测试沿中心轴线移动时的轴向磁场分布的轴向柱状霍尔探头，引线通过测磁杆内部引出到上端并密封，测磁杆采用铝合金材料，加工前校准直线度0.01％，测磁杆上标有刻度值；所述的旋转筒的直线度为0.05mm、圆柱度为0.02mm，旋转筒与上定位盘和下定位盘之间设置有0.02-0.04mm的间隙，旋转筒上设置有周向线槽和轴向线槽，周向线槽用来固定径向片状霍尔探头，沿超导磁体的中心截面上下对称的各固定一个片状霍尔探头，轴向线槽用来探头走线；旋转筒通过销钉孔固定在待测的超导磁体端部，测磁杆和旋转筒之间的间隙为0.02-0.06mm，确保测磁杆在旋转筒内沿轴向自由运动，同时旋转筒对测磁杆有导向作用；测磁杆凸台和旋转筒凹槽相接触，C向电机带动测磁杆旋转进而带动旋转筒旋转实现径向磁场测量。

本实用新型的有益效果是：所述的一种低温下超导磁体动态测量装置，其在低温下、动态地对超导磁体进行磁场测量，测试过程中、获取的信息多，节省测试用时和测试成本；具有自动化程度高，控制方便，适用范围广，测试可靠的优点；控制部分实现简单，其控制部分均为成熟技术。

附图说明：

图1是本实用新型的轴测结构示意图；

图2是本实用新型的测量工作台的结构示意图；

图3是本实用新型的测磁杆剖视结构示意图；

图4是本实用新型的图3中I处放大结构示意图；

图5是本实用新型的图3中II处放大结构示意图；

图6是本实用新型的密封结构剖视结构示意图；

图7是本实用新型的测磁工装结构示意图；

图8是本实用新型的图7的A-A处剖视结构示意图；

图9是本实用新型的测试装配实例结构示意图。

图中所示：1.X向手轮；2.X向丝杠；3.X向锁紧机构；4.X向导轨；5.X向滑块；6.Y向锁紧机构；7.Y向手轮；8.Y向导轨；9.Y向丝杠；10.Y向滑块；11.Z向丝杠；12.Z向电机；13.Z向导轨；14.Z向滑块；15.旋转驱动电机；16.联轴器；17.底盘；18.调节螺杆；19.密封座；20.弹簧；21.压环；22.密封圈；23.调整环；24.压盖；25.压紧螺钉；26.锁紧螺钉；27.测磁杆；27-1.径向片状霍尔探头；27-2.轴向柱状霍尔探头；27-3.引线；27-4.引线出口；28.限位块；29.上定位盘；30.旋转筒；31.下定位盘；32.锁紧环；33.测试杜瓦；34.输液管；35.顶法兰；36.KF40接口；37.测量工作台；38.密封机构；39.电流引线；40.悬吊G10板；41.测磁工装机构；42.拉杆；43.超导磁体；44.加热器；45.密封机构。

具体实施方式

以下结合附图所示之最佳实例作进一步详述：

如图1至8所示，所述的一种低温下超导磁体动态测量装置，其特点是包括测量工作台37和测磁工装机构41，所述的测量工作台37包括底盘17，底盘17上设置有X方向位置调整机构、Y方向位置调整机构和Z方向位置调整机构，Z方向位置调整机构上还设置有旋转驱动电机15，旋转驱动电机15通过联轴器16与测磁杆27上端相连，测磁杆27穿过底盘17的中间孔下端安装在测磁工装机构41上，所述的测磁工装机构41包括上定位盘29和下定位盘31，上定位盘29上端对应设置有限位块28，下定位盘31下端对应设置有锁紧环32，上定位盘29和下定位盘31之间设置有旋转筒30。

所述的测磁杆27上还设置有密封机构38，所述的密封机构38包括密封座19，密封座19内设置有弹簧20，弹簧20上方对应设置有压环21，压环21上方安装有密封圈22和调整环23，压盖24安装在调整环23上方，压盖24上设置有压紧螺钉25和锁紧螺钉26。调节压紧螺钉25使测磁杆27在密封机构38内上下移动和旋转时不会漏气，锁紧螺钉26用来锁紧测磁杆27，密封机构38也起到一定的起到导向的作用。密封机构38也起到一定的起到导向的作用，确保测磁杆27和旋转驱动电机轴同心，密封机构38固定在测试杜瓦33的预先开KF40接口36的顶法兰35上。

所述的测磁杆27贯穿底盘17的中间孔、密封机构38的中孔和测磁工装机构41的中孔，测磁杆27下端安装有轴向柱状霍尔探头27-2和径向片状霍尔探头27-1，轴向柱状霍尔探头27-2和径向片状霍尔探头27-1通过引线27-3由测磁杆27上的引线出口27-4引出。

所述的X方向位置调整机构包括X向导轨4，X向导轨4上对应安装有X向滑块5和X向丝杠2，X向丝杠2外端连接有X向手轮1，X向导轨4上还设置有X向锁紧机构3；所述的Y方向位置调整机构安装在X向滑块5上，Y方向位置调整机构包括Y向导轨8，Y向导轨8上对应安装有Y向滑块10和Y向丝杠9，Y向丝杠9外端连接有Y向手轮7，Y向导轨8上还设置有Y向锁紧机构6；所述的Z方向位置调整机构安装在Y向滑块10上，Z方向位置调整机构包括Z向导轨13，Z向导轨13上对应安装有Z向滑块14和Z向丝杠11，Z向丝杠11上端连接有Z向电机12，所述的旋转驱动电机15安装在Z向滑块上。

所述的底盘17上还设置有调节螺杆18，调节螺杆18设置为四根，底盘17通过四根调节螺杆固定在测试杜瓦33的顶法兰35上，通过调整调节螺杆18来保证底盘17和顶法兰35之间的距离和平行度。

所述的旋转驱动电机15通过联轴器16带动测磁杆27沿C方向旋转，旋转角度范围为0-360°；所述的X方向位置调整机构、Y方向位置调整机构和Z方向位置调整机构分别实现测磁杆27沿X方向、Y方向和Z方向的移动；X方向位置调整机构的移动调节范围是1-150mm；Y方向位置调整机构移动调节范围是1-50mm；Z方向位置调整机构的移动调节范围是0-850mm。

所述的测磁工装机构41的测磁杆27下端部固定用来测试沿中心轴线移动时的轴向磁场分布的轴向柱状霍尔探头27-2，引线通过测磁杆27内部引出到上端并密封，测磁杆27采用铝合金材料，加工前校准直线度0.01％，测磁杆27上标有刻度值；所述的旋转筒30的直线度为0.05mm、圆柱度为0.02mm，旋转筒30与上定位盘29和下定位盘31之间设置有0.02-0.04mm的间隙，旋转筒30上设置有周向线槽和轴向线槽，周向线槽用来固定径向片状霍尔探头27-1，沿超导磁体的中心截面上下对称的各固定一个片状霍尔探头，轴向线槽用来探头走线；旋转筒30通过销钉孔固定在待测的超导磁体43端部，测磁杆27和旋转筒30之间的间隙为0.02-0.06mm，确保测磁杆27在旋转筒30内沿轴向自由运动，同时旋转筒30对测磁杆27有导向作用；测磁杆凸台和旋转筒凹槽相接触，C向电机带动测磁杆旋转进而带动旋转筒旋转实现径向磁场测量。

如图9所示，所述的一种低温下超导磁体动态测量装置，通过与测试杜瓦33配合使用，其用于低温下超导磁体磁场分布动态测量的方法包括如下步骤：

第一步：将轴向柱状霍尔探头27-2固定在测磁杆27下端部，其引线27-3沿测磁杆27内孔从测磁杆上端部侧面开孔处引线出口27-4引出，并用低温胶密封引线出口处；将密封机构38按照结构顺序安装在测磁杆27上；

第二步：将径向片状霍尔探头27-1用低温胶带固定在旋转筒30开的周向凹槽上，其位置相对于待测超导磁体中心平面对称，上下各一个，引线沿轴向凹槽引出，并玻璃丝胶布固定，确保在旋转筒转动不会把引线夹裹出，同时将引线在旋转筒上端预绕几圈；

第三步：将上定位盘29和下定位盘31用销钉固定在超导磁体43的两端，旋转筒30依次穿过限位块28、上定位盘29、超导磁体43中心孔、下定位盘31、将旋转筒30突出下定位盘31的部分用锁紧环32锁定，只允许旋转筒30沿C向转动，不允许沿Z向移动；保证旋转筒30的中心轴线与超导磁体43内孔几何中心线重合，并保证旋转筒30中心轴线和磁体端面垂直；

第四步：将超导磁体43通过拉杆42吊装在悬吊G10板40上，调整超导磁体43到合适的位置，保证超导磁体43中心与测试杜瓦33的顶法兰35上预先开设的KF40接口36同心，超导磁体43的端面与顶法兰35端面平行；

第五步：将密封机构38和测磁杆27装配好之后，把密封机构38固定在KF40接口36上，测磁杆27穿过限位块28并向下移动，穿过旋转筒30带凹槽的中心孔，观察测磁杆27上标有的刻度和方向，测磁杆27移动要求测量的中心轴线位置和方向，用限位块28上螺钉锁定测磁杆27；

第六步：安装测量工作台37，通过其底部的四根调节螺杆安装在测试杜瓦33的顶法兰35上，调整可调螺杆使底部圆盘面与顶法兰35端面平行；通过调整X向手轮1、Y向手轮7使Z向电机12轴中心和测磁杆中心重合，锁紧密封结构的锁紧螺钉26，手动控制下移旋转驱动电机15通过联轴器16与测磁杆27上端部相连；连接完成后，松开密封结构的锁紧螺钉26，拧紧压紧螺钉25，确保密封；

第七步：用液氮降温，待超导磁体43整体降至液氮温度时，保持一段时间到超导磁体43冷透后，外界充入氦气将杜瓦内的剩余液氮通过输液管34排出，同时用放置在杜瓦内部的加热器44加热，确保将液氮排干净，停止加热；用液氦降温，待超导磁体43整体降至液氦温度并保持一段时间，该过程全程监测温度和液面；

第八步：将超导磁体43通过电流引线39按照预定的加电速率开始励磁加电，加到指定的电流值后稳定电流；

第九步：磁场测量时，通过控制部分控制旋转驱动电机C向旋转，旋转方向与引线的预绕方向相反，旋转筒每转30°，记录旋转筒30上下两个片状霍尔探头的磁场值，反复测试几次并记录磁场值，通过计算获得磁场中心与机械中心的偏差值；

第十步：磁场测量时，通过控制部分控制Z向电机，向上移动并每隔10mm，记录轴向磁场值，上下移动测磁杆，反复测试几次并记录轴向磁场沿中心轴线移动时的磁场值。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。