[发明专利]一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置

说明书

本发明提供一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，主要解决现有粒子速度电磁测量装置存在难以准确完成大尺寸测试材料的测量以及难以完成微弱粒子速度的测量等问题。该粒子速度电磁测量装置包括超导磁体、传感器模块、控制模块、传输线缆和采集模块；超导磁体包括超导线圈、超导电源和冷却组件；上述超导磁体具备无磁损耗和无电损耗的特点，所产生磁场的磁感应强度大、稳定度高，为粒子速度测量提供了高强稳定磁场，从而使粒子速度电磁测量装置的测量能力较强，可以获取低至0.001m/s的微弱粒子速度信号。同时，超导磁体室温孔直径不小于2.1m，从而使粒子速度电磁测量装置能够完成直径达2m的大型试样的粒子速度测量。

技术领域

本发明属于介质中粒子速度测量领域，具体涉及一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，该装置是一种爆炸力学测量领域内球面应力波在均匀介质中传播而产生的介质粒子速度测量装置。

背景技术

在爆炸力学中，粒子速度电磁测量装置是研究介质中应力波传播规律或研究材料动力学特性的重要手段。如图1所示，现有粒子速度电磁测量中，其基本原理是将一定形状的线圈2(即电磁粒子速度计)布置于测试材料4内部，并将测试材料4置于轴向磁场5中，模拟震源1位于测试平面3中心处，当应力波作用到材料介质中时，会带动线圈2切割磁力线，由于法拉第电磁感应原理，线圈2中会产生感应电压，测量该电压即可解算出材料中粒子的速度。

现有的粒子速度电磁测量装置多是采用脉冲电源配合螺线管的方式提供脉冲磁场，该种方式主要存在以下两方面问题：一是磁场随时间变化，导致大尺寸测试材料中，所获取感应电压的基线显著随时间变化，给测量带来了较大困难，难以准确完成大尺寸测试材料的测量；二是磁场磁感应强度峰值较低，难以完成微弱粒子速度的测量。

发明内容

为解决现有粒子速度电磁测量装置存在难以准确完成大尺寸测试材料的测量以及难以完成微弱粒子速度测量等问题，本发明提供一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，该装置利用超导磁体为粒子速度电磁测量提供稳定可靠的磁场，并完成了传感器模块、控制模块、传输线缆和采集模块的设计，可以完成直径达2m试样的粒子速度测量，并可以获取0.001m/s的微弱粒子速度信号。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于超导磁体的粒子速度电磁测量装置，包括超导磁体、传感器模块、控制模块、传输线缆和采集模块；所述超导磁体包括超导线圈、超导电源和冷却组件；所述超导线圈由NbTi线材多匝绕制而成，并采用杜瓦和冷屏结构进行绝热处理，所述超导线圈室温孔直径不小于2.1m，所述超导线圈内设置有PCS开关，超导线圈励磁后能够脱开PCS开关工作于闭环状态；所述超导电源与超导线圈连接，为超导线圈提供直流供电；所述冷却组件设置在超导线圈外侧，使得超导线圈的温度稳定在设定值内；所述传感器模块包括由漆包康铜线绕制的若干圆形线圈，若干圆形线圈以模拟震源为中心，同轴布设于试验样品中，且与试验样品紧密贴合；所述试验样品布设于超导磁体的室温孔中心处，且试验样品与超导线圈的室温孔同心设置；所述传输线缆分别与传感器模块、采集模块连接，用于将圆形线圈产生的感生电压传输至采集模块；所述采集模块采用多通道瞬态数据采集系统，用于采集圆形线圈产生的感生电压；所述控制模块与模拟震源、采集模块的触发输入口连接，用于输出多路独立信号，分别控制模拟震源的激发和采集模块的触发。

进一步地，所述冷却组件包括制冷机和水冷机组；所述制冷机设置在超导线圈外侧；所述水冷机组与制冷机连接，用于给制冷机提供热交换通道。

进一步地，所述制冷机采用传导冷却方式，使得超导线圈的工作温度稳定在4.2K以下。

进一步地，所述圆形线圈的线径为0.2～0.3mm。

进一步地，所述采集模块的采样率不低于100MS/s，带宽不低于40MHz，记录深度不低于8MS，16位A/D转换器，噪声不大于10μV_RMS。