低频力学谱仪低温致冷装置的改进设计

杨 洪，张永康，刘聃扬

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)



低频力学谱仪低温致冷装置的改进设计

杨 洪，张永康，刘聃扬

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

摘 要：针对目前材料低温力学谱测试实验中采用手动方式推送液氮致冷，温度控制受人为因素影响较大，存在温度控制精度不高、控制过程时间较长等缺点，提出一种低温致冷装置的改进设计方案.低温致冷装置通过温控仪和温度传感器自动控制试样温度，使得实验环境温度快速稳定在实验目标温度，实现温控过程的自动化，控制精度较高.同时，低温致冷装置还具有较强的推广与应用价值.

关键词：低频力学谱仪；低温致冷；自动控制

力学谱反映了力学波与材料相互作用的力学特性，低频力学谱的测试是研究材料的力、电、磁等特性的重要手段.对材料在不同温度、频率、应变幅度等条件下的力学谱测试，可以探测材料的内部结构、缺陷和位错，研究晶界或相界面的运动规律[1].对于一些特殊材料，其低温条件下的低频力学谱的测试尤为重要[2-5]，因此在测量材料低频力学谱的过程中，需要一套低温致冷装置.目前，国内使用的低频力学谱仪一般都是自行研制的，苏州市职业大学现代测试技术研究所于2004年研制了LMA-1型低频力学谱测试仪[6]，但在对材料进行低温力学谱测试时，通过手动的方式推送液氮达到对试样降温的目的，温度控制受人为因素影响较大，因此温度控制的精度不高，且需要较长时间才能稳定在实验目标温度，控制过程较长.为使试样能自动、快速稳定在实验目标温度，本文提出一种用于低频力学谱测试实验的低温致冷装置改进设计方案.

1 现有致冷装置方案

现有的LMA-1型低频力学谱测试系统致冷装置原理图如图1所示.低温实验开始前，先将密闭的真空罐抽真空，然后通过气筒加压，将液氮罐中的液氮推送到真空罐中，使试样降温；热电偶测量试样温度，温控仪接收其输出信号并显示温度数据.当试样温度高于设定目标温度时，继续用气筒加压推送液氮；当试样温度低于设定目标温度时，温控仪输出信号驱动可控硅闭合，接通220VAC使加热器工作，试样温度回升.致冷装置采用手动方式推送液氮，使温度控制受人为因素(如推送液氮多少)的影响较大，因此控制精度不高，调整过程用时较长，增加液氮的使用量；同时温控仪的温度控制功能没有得到充分利用.因此，本文在原有致冷装置的基础上，充分利用温控仪的功能，提出一种改进设计方案，以克服现有致冷装置的不足.

图1　LMA-1型低频力学谱测试系统低温致冷装置原理图

2 LMA-1型低频力学谱仪致冷装置改进方案设计

2.1 改进设计方案

现有的测量材料力学性能的低温致冷装置没有标准化，使用者很难购买到适合自身研究特点的低温致冷装置.鉴于此，针对LMA-1型低频力学谱测试系统致冷装置存在的问题，为实现控制过程的快速和自动化，提出一种改进设计方案，如图2所示.低温致冷装置主要由液氮气发生装置和温度控制装置两部分组成.液氮气发生装置包括：液氮罐(含液氮)、空气泵(带压力表)、常开型低温电磁阀、导管；温度控制装置由温控仪、固态继电器、加热电炉、热电偶、泄压阀构成.致冷装置的工作过程如下：

1) 实验开始前，真空罐抽真空，打开气泵至设定压力；

2) 在温控仪中设定实验温度(-73~0 ℃).由热电偶测得当前试样的初始温度高于设定温度，因此温控仪信号输出接口无信号输出，常开型低温电磁阀处于打开状态，打开阀门B，液氮在空气压力作用下，被推送至真空罐，使试样温度降至-196 ℃；

图2　改进的低温致冷装置原理图

3) 由热电偶测得试样的温度低于设定温度，温控仪信号输出接口输出高电平，驱动常开型低温电磁阀关断，同时使固态继电器触点闭合，接通220VAC为加热电炉供电，从而使真空罐内的液氮气化，随着加热过程的进行，试样的温度不断上升；

4) 当温度由于惯性的作用，超过设定值时，温控仪信号输出接口输出低电平，则固态继电器触点断开，加热电炉停止工作，同时常开型低温电磁阀重新打开，气泵压力将液氮推送至真空罐，此时只有少量液氮进入真空罐；

5) 温度控制系统自动重复步骤3)和4)，直至试样温度稳定在实验设定温度；

6) 试样上夹头可在驱动装置(附图中没有体现)的作用下，驱动试样进行低频力学谱的测试实验.

2.2 温控系统设计

主要器件选型.选取低温致冷系统的主要器件及其参数如表1所示.

电气系统设计.致冷装置的电气连接图如图3所示.温控仪AI-808PA的端口18、19接热电偶，用以接收温度数据并显示；端口11、13是继电器控制信号输出端口，分别连接至HHG1-1固态继电器端口3、4和DN8常开型低温电磁阀，HHG1-1固态继电器的端口1、2接220VAC.铠装热电偶检测的试样温度信号送至温控仪，当试样温度低于设定温度时，温控仪808PA继电器控制信号输出高电平，驱动HHG1-1固态继电器导通、DN8常开型低温电磁阀关闭，其端口1、2所接的220VAC为加热电炉供电，使试样升温；当试样温度高于设定温度时，温控仪808PA继电器控制信号输出低电平，则HHG1-1固态继电器断开、DN8常开型低温电磁阀导通，在空气压力的作用下，将液氮推送至真空罐，使试样降温.这样，构成一个闭环的温度自动控制系统，保证温度的控制精度.

表1　主要器件及其参数

图3　致冷装置的电气连接图

3 结论

低温致冷装置既解决现有低频力学谱低温测试中存在的问题，又能确保材料低频力学谱的测量在规定的温度条件下自动、快速、准确及有效地进行，具有以下优点：

1) 装置结构简单，成本低，实用性强，具有较强的推广与应用价值；

2) 采用自动低温控制过程，与手动控制相比较，减少了主观因素的影响和液氮的用量，控制精度较高，控制过程用时短；

3) 装置能将液氮气体温度控制在-150~0 ℃，能够满足超低温实验的要求.

需要指出的是，该低温致冷装置已完成方案设计和论证，目前正在进行实物装置实现.

参考文献：

[1] 沈中城，陈小平. 低频力学谱仪在高T_c超导体磁通钉扎研究中的应用[J]. 低温物理学报，2005，27(5)：849-853.

[2] 方前锋，葛庭燧. 与位错和点缺陷的交互作用有关的低温内耗峰[J]. 物理学报，1993，42(3)：458-464.

[3] 应学农，汪洋，黄以能，等. 过掺杂区Y123体系的低温内耗研究[J]. 金属学报，2003，39(11)：1189-1192.

[4] 顾苏怡，张骥华. γ-MnFe合金反铁磁转变和马氏体相变[J]. 上海交通大学学报，2006，40(10)：1711-1714.

[5] 杨开巍，水嘉鹏，朱震刚. 不同一级相变材料的内耗峰形成机制[J]. 上海交通大学学报，2010，44(5)：650-654.

[6] 陈小平，沈中城，颜友钧，等. 低频力学谱测试技术的研究[J]. 仪器仪表学报， 2006，27(8)：889-893.

(责任编辑：沈凤英)

An Improved Design of Cryogenic Cooling Device with Low Frequency Mechanical Spectroscopy

YANG Hong，ZHANG Yong-kang，LIU Dan-yang
(School of Mechano-electrical Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

Abstract：The supply of liquid nitrogen in the low temperature mechanical spectroscopy experiment is handworked.It causes some problems，such as influences from the operators，low precision of temperature and long stability controling time. Thus an improved cryogenic cooling device is designed.It controls the sample’s temperature with temperature controller and temperature sensor.The cryogenic cooling device makes the temperature stable quickly.It realizes temperature control automatically with high precision.Also，it provides a reference for other experiments which need cryogenic cooling devices.

Key words：low frequency mechanical spectroscopy；cryogenic cooling；automatic control

作者简介：杨 洪(1976-)，男，江苏苏州人，讲师，硕士，主要从事智能仪器与现场总线研究.

基金项目：江苏省“青蓝工程”资助项目；江苏省“333工程”资助项目；苏州市职业大学研究性课程资助项目(SZDYKC-150503)

收稿日期：2015-08-06；修回日期：2015-09-04

中图分类号：TM93

文献标志码：A

文章编号：1008-5475(2015)04-0037-03