一种超导腔用极低温下绝热支撑件的位移与力精密测量台的制作方法

1.本实用新型涉及一种超导腔用极低温下绝热支撑件的位移与力精密测量台，尤其是采用不锈钢与环氧树脂配置的超导腔用绝热支撑件在极低温环境的力与位移精密测量，属于加速器超导低温测试技术领域。


背景技术：

2.超导腔是加速器进行粒子加速的重要设备，主要用于对束流通道内的电子、质子等进行加速和束流调节。超导腔采用nb-ti合金材料加工制造，该种合金材料在室温表现为常规导体，当被降温到低于-265℃，超导腔进入超导态，成为超导体，进入其工作模式。为维持超导腔的超导态，需要将其放置在一种盛满极低温液体的容器内部，称之为低温恒温器。低温恒温器主要由真空室、超导腔氦池、超导腔及其附件和极低温绝热支撑件等构成，超导腔运行时需要维持在极低温环境下，而低温恒温器的真空室处于室温，为保持超导腔稳定运行和节能环保，需要采用一种低导热率的不锈钢与环氧制作的复合材料做为其支撑件。该种复合材料制成的支撑件能够将重达数百公斤重的超导腔氦池支撑在低温恒温器真空室内部，超导腔用绝热支撑件的一端与低温恒温器的常温真空室壁相接，一端与超导腔的氦池相连处于极低温的环境，在超导腔稳定运行时，需要其位置相对稳定，位移幅度控制在几微米范围之内。不锈钢与环氧树脂制作的复合材料制作的极低温支撑件，能够提供较好的支撑力，目前超导腔绝热材料支撑件的低温机械性能可以采用带有低温装置的拉力机测试，但其力与位移测量的精度不能满足超导腔低温恒温器用绝热支撑在极低温下的测试要求。本实用新型能够用于超导腔低温恒温器用不锈钢与环氧树脂制作的绝热支撑件在-196℃下极低温环境精密的力和位移的测量。


技术实现要素：

3.本实用新型目的在于提供一种超导腔用极低温下绝热支撑件的位移与力精密测量台，以解决目前带有低温装置的测力机不能满足在极低温测试条件下力与位移的精密测量要求，不能满足要求在一定的拉/压力下实际使用的绝热支撑件1:1尺寸下超低温环境中微米级位移测量的试验问题。
4.本实用新型采取的技术方案是：
5.一种超导腔用极低温下绝热支撑件的位移与力精密测量台，其特征在于，包括三维测试仪校准安装台1、测量台支柱2、测量台底座3、校准台微调主体4和测量台外筒体6；其中，
6.测量台外筒体6的顶部设置三维测试仪校准安装台1；测量台外筒体6的底部通过测量台支柱2与测量台底座3连接；
7.测量台外筒体6内设置校准台微调主体4；校准台微调主体4的底部为一微调主体底座，该微调主体底座上设置一中心圆柱，该中心圆柱上设置一中心锥柱；中心锥柱顶部与三维测试仪校准安装台1直接接触；校准台微调主体4用于对三维测试仪校准安装台1进行
三维位移的精调；
8.测量台底座3上设有低温加热器元件、低温温度测量元件和预制传力杆的固定安装孔；所述测量台底座3用于与被测的超导腔绝热支撑件的低温端相连接，进行热量的传递；被测的超导腔绝热支撑件低温端的受力通过预制传力杆传递到测力计，并经测力计将受力数据传输到数据处理单元；被测的超导腔绝热支撑件低温端的位移通过三维测试仪校准安装台1上安装的三维测试仪进行测量并传输到数据处理单元。
9.进一步的，所述中心锥柱采用碳纤维材料定模制造后打磨而成，定模制造时碳纤维材料的纤维成水平排布。
10.进一步的，所述中心圆柱采用不胀钢材料，其底部设有凸起结构；所述微调主体底座采用不胀钢材料制造；测量台外筒体6采用不胀钢材料，三维测试仪校准安装台1采用碳纤维材料。
11.进一步的，所述测量台支柱2采用g10玻璃纤维与树脂的复合材料。
12.进一步的，所述测量台支柱2采用不胀钢材料。
13.进一步的，所述测量台外筒体6侧面设有微调孔5，用于通过该微调孔5调节该微调主体底座的位置，从而实现三维测试仪校准安装台1在安装固定于测量台外筒体6的顶部之前，对三维测试仪校准安装台1进行位置校准。
14.本实用新型的超导腔用极低温下绝热支撑件的位移与力精密测量台包括极低温微米级位移测试台和极低温力测试件两部分。极低温微米级位移测试台是不锈钢与环氧树脂制作的复合材料绝热支撑件在极低温条件下微小位移测量的台面和基础；极低温力测试件安放在测量台底座，可以实现不锈钢与环氧树脂制作的复合材料绝热支撑件极低温下力的测量和力的传导。极低温微米级位移测试台需要经过常温标定和低温标定，极低温微米级位移测试台的加工材料是由316不锈钢、不胀钢和碳纤维等多种材料组成，按照距离校准台微调柱体远近，测量台底座和测量台支柱采用不胀钢材料，校准台微调柱体的底端采用不胀钢材料，校准台微调柱体上端采用碳纤维材料，测试台外筒体采用不胀钢材料，三维校准仪的安装台采用碳纤维材料，测量台底座固定和定位用螺栓采用316不锈钢材料；除了校准台微调柱体和三维校准仪的安装台需要定模制造和手工打磨外，其他部件的加工材料采用传统机械工艺进行加工制造。极低温微米级位移测试台在极低温下位移变化极小，配以能在极低温下工作的精密三维测试仪，构成一个极低温微米级测试装置，测试台的整体尺寸高度为76mm，底部所占区域是圆形区域直径为90mm。测试台有低温温度传感器、低温加热器、绝热支撑件定标点、三维测试仪固定夹具，温度传感器、低温加热器通过专用传感器的连接线将温度和电流信号传送到常温信号接口，三维测试仪采集的位移信号通过专用的光纤将光信号传到常温信号接口，再由常温信号接口传输到外部的处理器，实现远程的监视、读取、储存和显示极低温下的微小位移的信号。
15.与现有技术相比，本实用新型的积极效果为：
16.本实用新型所述的极低温位移测量台工作在-196℃-30℃的低温环境，极低温下的位移测量精度1～10微米；通过在被测量件不同的位置布置极低温位移测量台可以实现多点同时测量；采用316不锈钢、不胀钢和碳纤维等材料按照一定的排列规则制成，利用不同材料在极低温下的膨胀系数、刚度和费用不同，作为极低温位移测量台不同零件的加工材料，能够降低极低温位移测量台的造价，保证测量精度要求。其中，316不锈钢作为测量台
底座3和测量台外筒6的加工材料，316不锈钢在80k温度热导率低，但是价格便宜，容易获得和加工制造，且316材料本身的刚度符合极低温位移测量台的受力和传热要求。不胀钢材料在低温下热收缩量远低于316不锈钢材料，将不胀钢作为校准台微调主体4的中心圆柱加工材料，能够维持极低温位移测量的微米量级测量精度，易实现采用数控机床的加工，有效的减小低温下测量台的校准工作量和加工难度；碳纤维材料作为校准台微调主体4的中心锥柱，直接与三维校准仪安装平台1接触，碳纤维材料在极低温下的热膨胀系数极低，在碳纤维纵向的承载能力高，校准台微调主体4的中心锥柱采用碳纤维材料加工，碳纤维材料成纤维的纵向生长，满足极低温位移测量台的常温和低温微调校准要求，校准台微调主体4的中心锥柱的锥角和锥顶尺寸可以根据三维校准仪安装平台1的加工材料进行调整，保证极低温下的测量精度。极低温测量台再辅以极低温下非接触式的三维定位仪，为被测件提供在极低温下微米级的稳定测试台。
17.本实用新型采用通过将预制的传力杆固定在测量台底座，可以将外部施加在超导腔用复合绝热支撑件的轴向或切向力传递到常温端测力计，通过更换预制杆实现不同尺寸的不锈钢与环氧树脂制作的绝热支撑件，在极低温下的轴向力或者切向力的测试。
18.本实用新型采用模块结构，便于实验台的标定和一定尺寸的绝热支撑件的安放，在-196℃到30℃的低温环境范围内实现被测件位移、温度、力和受热量的实时远程监控和显示功能。
附图说明
19.图1为本实用新型整体结构示意图；
20.图2为本实用新型左视图。
21.图3为本实用新型的具备剖面结构示意图。
22.1-三维测试仪校准安装台、2-测量台支柱、3-测量台底座、4-校准台微调柱体、5-水平方向微调孔、6-测量台外筒体。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型进行进一步详细描述。
24.如图1所示为本实用新型的一种超导腔用绝热支撑的极低温位移与力精密测量台，由三维测试仪校准安装台1、测量台支柱2、测量台底座3、校准台微调主体4、微调孔5、测量台外筒体6等组成。测量台外筒体6的内层是校准台微调主体4，它包含中心圆柱、中心锥柱和微调主体底座，如图3所示，其中，中心锥柱呈现底部大顶部细小结构，采用碳纤维材料定模制造后手工打磨而成，定模制造时碳纤维材料的纤维成水平排布，这样在由常温降到低温环境轴向形变小的特点，一定程度上中心锥柱在常温校准后可以省却低温校准，使用方便，且中心锥柱安放在中心圆柱上表面，与三维测试仪校准安装台1直接接触；中心圆柱采用不胀钢材料，利用数控工艺加工而成，其底部有微小凸起结构，安装在微调主体底座上，底部和顶部需要精磨；微调主体底座是中心圆柱和中心锥柱的支撑座，采用不胀钢材料制造，不胀钢材料经数控加工成型后，对其表面进行数控精磨而成，可以通过微调孔5进行位置的微调，微调主体底座固定在测量台支柱2上。测量台外筒体6通过测量台支柱2与测量台底座3相连接，测量台底座3上固定有低温加热器元件、低温温度测量元件和预制传力杆
的固定安装孔，同时，测量台底座3与被测的绝热支撑件的极低温端相连接，进行热量的传递。测量台外筒体6与校准台微调主体4都安装在测量台支柱2的顶部，测量台支柱2有两种形式，一种是g10玻璃纤维与树脂的复合材料，一种是低温下具有较大导热系数且较低收缩率的不胀钢，根据实际使用情况进行选择。本实用新型的左视图如图2所示。
25.测量台底座3在测量台支柱2的底部，它控制测量台的温度和整体平整度。当被测复合绝热支撑件的低温端与测量台底座3连接后，进行三维测试仪校准安装台1的安装。三维测试仪校准安装台1在进行安装前，需要通过微调孔5进行水平和垂直方向的位移粗调，进行位置校准。三维测试仪校准安装台1在进行安装后且被降温前，通过校准台微调主体4进行三维位移的精调，调整位移精度在几微米范围。在三维测试仪校准安装台1与三维测量仪连接完毕后，还需要进行三维测试仪校准安装台1的精调。复合绝热支撑件低温端和测量台进行降温后，测量台底座3与被测的复合绝热支撑进行热交换，测试台被逐步冷却。测量台支柱2与测量台底座3相连接，根据三维测试仪校准安装台1的工作温度需要，通过测量台底座3上的温度计和加热器，控制测量台底座3的温度，进而控制测量台支柱2的温度。被测绝热支撑件低温端的受力，通过测量台底座3上的预制传力杆传递力到外围的测力计，通过测力计传输线到远程电脑显示。被测复合绝热支撑件低温端的位移通过三维测试仪校准安装台1上安装的三维测试仪进行测量，极低温下绝热支撑件的位移变化数据信号通过光纤传到远程电脑实时显示并做数据自动处理。
26.一种超导腔用极低温下绝热支撑件的位移与力精密测量台的所有部件都需要在恒温间进行校准。所有部件校准并拼装完成后，再进行整体的校准。整体校准完成后，与被测件的极低温端连接，再整体微调。最后将低温温度传感器、低温加热器和测力导杆等安装在测量台底座上，整体的信号和数据被远程电脑读取和显示。
27.以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。