脉冲电抗器结构应力测量.DOC

1、脉 冲 电 抗 器 结 构 应 力 测 量 俞 小 华 1,2， 董 健 年 1， 王 浩 1， 杨 希 1（ 1.南 京 理 工 大 学 能 源 与 动 力 工 程 学 院 ， 江 苏 南 京 210094；2.中 国 人 民 解 放 军 73198 部 队 ， 江 苏 南 京 210009）摘 要 ： 为 了 对 高 压 脉 冲 放 电 时 电 抗 器 结 构 受 力 及 电 流 密 度 分 布 规 律 进 行 分 析 ， 使 用 电 阻 应 变 片 对 电 抗 器 铜 带进 行 应 力 测 量 。 利 用 厚 壁 筒 受 压 模 型 对 应 力 测 量 系 统 的 结 果 进 行 计 算

2、 ， 设 计 内 置 气 囊 增 压 法 来 等 效 铜 带 上 的 应 力对 测 量 系 统 进 行 标 定 ， 并 对 标 定 实 验 数 据 进 行 验 证 。 使 用 半 桥 补 偿 电 路 、 屏 蔽 线 及 电 桥 盒 共 地 的 方 法 来 减 小 脉 冲电 磁 干 扰 及 测 量 回 路 中 寄 生 电 容 电 阻 和 电 容 带 来 的 电 气 干 扰 。 实 验 结 果 表 明 ： 同 一 测 量 点 处 的 环 向 应 变 峰 值 比 轴向 应 变 峰 值 大 ， 边 缘 处 的 应 变 大 于 中 心 处 ， 需 要 在 电 抗 器 铜 带 边 缘 处 加 强 外 包

3、约 束 。 根 据 应 力 测 量 结 果 推 断 ： 铜带 边 缘 处 电 流 密 度 约 为 中 心 处 电 流 密 度 的 1.2 倍 。关 键 词 ： 脉 冲 电 抗 器 ; 电 阻 传 感 器 ; 轴 向 应 变 ; 环 向 应 变 ; 电 流 密 度中 图 分 类 号 ： TM835.4 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ：Measurement method of the stress in pulsed reactor structureYu Xiaohua 1,2, Dong Jiannian 1, Wang Hao 1, Yang Xi 1（ 1. College

4、 of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2. 73198 Unit of PLA, Nanjing 210009, China）Abstract: In order to analyze the structure stress and the current density distribution on the pulsed reactor in the course of working, the test on the st

5、ress is designed. The hoop stress on both the edge and the center of copper belt is obtained by the resistance transducer. The stress result has been validated by calculating the thick wall cylinder model with the inflation pressure. To calibrate the stress value, the copper belt coil with a ballone

6、t inside is designed. The half-bridge circuit, electrical grounding of the bridge cases and shielding wires are designed and put in practice to reduce the pulsed electromagnetic interference. The disturbance generated by the parasitic resistance and the stray capacitance is reduced by electrical gro

7、unding of the bridge cases. The experiment results show that the hoop strain is larger than the axial strain, the strain on the edge is larger than the strain in the center. And the current density on the edge is about 1.2 times near the center. Reinforcement should be applied on the edge of the cop

8、per belt.Keywords: pulsed reactor; resistance transducer; axial strain; hoop strain; current density收 稿 日 期 ： 2015-11-17作 者 简 介 ： 俞 小 华 （ 1985） ， 女 ， 江 苏 高 邮 人 ， 博 士 研 究 生 ， E-mail： 董 健 年 (通 信 作 者 )， 男 ， 研 究 员 ， 博 士 ， 硕 士 生 导 师 ， E-mail： 电 磁 发 射 技 术 作 为 一 种 新 能 源 武 器 技 术 正 在飞 速 发 展 ， 为 了 满 足 实 战 化 要

9、 求 ， 限 制 电 磁 发 射武 器 发 展 的 瓶 颈 储 能 单 元 模 块 亟 待 进 一 步 小型 化 、 集 成 化 。 脉 冲 功 率 源 装 置 作 为 电 磁 发 射 武器 最 常 用 的 储 能 单 元 ， 是 以 较 小 功 率 将 能 量 用 较长 时 间 输 入 到 较 大 体 积 的 储 能 装 置 中 ， 然 后 在 极短 的 时 间 （ 纳 秒 至 毫 秒 级 ） 内 向 负 载 释 放 ， 形 成超 高 脉 冲 输 出 ， 具 有 高 电 压 、 大 电 流 、 高 功 率 、强 脉 冲 的 特 点 。 脉 冲 电 抗 器 主 要 起 到 限 流 、 调 节脉

10、 宽 及 中 间 储 能 的 作 用 ， 为 抑 制 磁 饱 和 ， 一 般 采用 空 芯 结 构 ， 由 铜 带 紧 密 绕 制 而 成 。 在 纳 秒 至 毫秒 级 的 时 间 内 ， 脉 冲 电 抗 器 上 瞬 间 通 过 高 达 千 安级 的 电 流 ， 由 于 存 在 趋 肤 效 应 及 邻 近 效 应 ， 电 抗器 铜 带 上 电 流 密 度 分 布 不 均 ， 将 使 得 局 部 电 流 密度 过 大 ， 产 生 局 部 温 升 ， 而 电 抗 器 线 圈 的 缠 绕 方式 导 致 脉 冲 磁 场 强 度 高 、 电 流 分 布 不 均 明 显 ， 并且 难 以 通 过 直 接

11、测 量 的 方 式 对 电 抗 器 铜 带 上 电 流密 度 分 布 规 律 进 行 测 量 。 电 流 分 布 不 均 带 来 电 磁力 局 部 集 中 的 问 题 ， 为 保 证 结 构 强 度 ， 常 常 采 用环 氧 树 脂 灌 封 的 方 式 对 电 抗 器 结 构 进 行 加 固 。 采用 粘 贴 型 的 电 阻 应 力 传 感 器 能 够 对 电 抗 器 铜 带 结构 所 受 应 力 进 行 测 量 ， 并 根 据 应 力 测 量 结 果 推 算出 电 流 密 度 的 分 布 。 J. H. Lee 等 人 通 过 解 析 计 算及 应 力 试 验 ， 对 分 布 在 法 兰 盘

12、 上 的 三 对 强 电 流 组结 构 进 行 了 受 力 分 析 及 优 化 设 计 1。 彭 涛 等 人 使用 有 限 元 仿 真 对 预 应 力 、 电 磁 力 和 热 应 力 对 磁 体内 部 应 力 分 布 的 影 响 进 行 分 析 ， 得 出 预 应 力 和 热应 力 对 整 个 磁 体 的 应 力 分 布 影 响 不 大 ， 电 磁 力 导致 的 环 向 应 力 将 使 内 层 线 圈 发 生 分 离 2， 而 后 彭涛 等 人 在 脉 冲 磁 体 线 圈 层 间 埋 设 光 纤 传 感 器 ， 对室 温 下 产 生 10T 脉 冲 磁 场 和 温 度 为 77K 产 生41T

13、 脉 冲 磁 场 下 的 磁 体 变 形 和 冷 却 效 果 进 行 了 实验 测 量 ， 冷 却 收 缩 使 得 光 纤 光 栅 的 焊 接 接 头 光 损过 大 ， 并 由 于 光 纤 产 生 应 力 损 坏 ， 预 先 埋 设 的22 个 光 纤 传 感 器 只 有 4 个 输 出 信 号 ， 且 由 于 光 纤传 感 器 的 温 度 耦 合 效 应 ， 当 温 度 降 至 初 始 温 度 时 ，应 变 信 号 才 归 零 3。 光 纤 光 栅 传 感 器 通 常 由 纤 芯和 外 面 的 保 护 层 组 成 4， 封 装 过 的 光 纤 光 栅 传 感器 尺 寸 与 电 阻 应 变 片

14、 相 比 尺 寸 较 大 ， 不 利 于 布 置于 电 抗 器 铜 带 上 进 行 点 测 。 本 文 采 用 电 阻 应 变 传感 器 对 脉 冲 功 率 源 内 部 电 抗 器 简 化 装 置 进 行 电 磁应 力 实 验 ， 对 数 值 仿 真 及 解 析 计 算 进 行 验 证 和 指导 。1 电 抗 器 铜 带 应 力 特 征 理 论 分 析将 电 抗 器 线 圈 模 型 等 效 为 厚 壁 筒 模 型 ， 对 该模 型 进 行 理 想 化 假 设 ： 1） 模 型 由 均 匀 材 料 组 成 ，各 部 分 、 各 方 向 力 学 性 质 相 同 ； 2） 即 使 发 生 变形 ，

15、模 型 的 材 料 特 性 依 然 具 有 连 续 性 ； 3） 当 外力 不 超 过 一 定 限 度 时 ， 模 型 具 有 弹 性 变 形 特 性 ；4） 认 为 线 圈 轴 向 截 面 上 应 力 均 匀 分 布 。图 1 线 圈 单 元 受 力 图Fig.1 Coil element stress由 于 脉 冲 电 抗 器 力 学 模 型 中 弹 性 变 形 的 变 形量 与 模 型 原 件 相 比 非 常 小 ， 认 为 其 为 模 型 原 件 尺寸 的 高 阶 小 量 ， 在 力 学 分 析 时 忽 略 受 力 导 致 的 模型 变 形 。 取 厚 壁 筒 模 型 体 微 元 对

16、电 抗 器 应 力 特 点进 行 分 析 ， 如 图 1 所 示 。 假 设 该 微 元 处 的 内 径 为r， 单 元 径 向 长 度 为 dr， 轴 向 厚 度 为 dz， 则 圆 筒其 他 部 分 在 单 元 体 的 侧 面 上 将 作 用 有 环 向 应 力 和 径 向 应 力 r。 电 抗 器 线 圈 通 电 时 ， 微 元 受 到的 电 磁 力 fB、 环 向 力 f、 内 弧 面 径 向 力 fri， 外 弧面 径 向 力 fro 表 达 式 如 下 ：(1)dILjrz(2)2sin()d2frz(3)drifrz(4)()(drorfz将 (1)(2)(3)(4)式 代 入

17、径 向 受 力 平 衡 方 程中 ， 并 略 去 高 阶 无 穷 小 量 ，0Broriff得 到 ：(5)d0rjD CBAd rdru+duuB1A1D1 C1图 2 线 圈 单 元 变 形 图Fig.2 Coil element deformation假 设 微 元 在 初 始 状 态 下 位 置 为 ABCD， 受 电磁 力 产 生 形 变 后 的 位 置 为 A1B1C1D1， 如 图 2 所示 ， 则 其 径 向 应 变 与 环 向 应 变 的 表 达 式 为 ：(6)1(d)drADurur(7)Cr电 抗 器 由 紫 铜 绕 制 ， 紫 铜 为 各 向 同 性 材 料 ，在 小

18、 变 形 条 件 下 切 应 力 不 影 响 单 元 体 的 棱 边 长 度变 化 ， 当 单 元 体 各 个 面 上 既 有 正 应 力 又 有 切 应 力作 用 时 ， 主 应 变 和 正 应 力 的 方 向 重 合 5。 根 据 广义 胡 克 定 律 ， 电 抗 器 线 圈 在 弹 性 应 变 范 围 内 应 力与 位 移 的 关 系 可 表 示 为(8)2d1rEur(9)2dr其 中 E 为 弹 性 模 量 ， 为 泊 松 比 。电 抗 器 不 通 流 时 ， 式 (5)中 ， 此 时 将 式0Bjr(8)、 (9)代 入 式 (5)得22d1ur应 力 边 界 条 件 ： ；1=i

19、P2r=oP解 方 程 得(10)2 211()ioioiPrrurEE得 到 径 向 位 移 和 环 向 应 变 的 计 算 式(11)2 21io1ioi()rPru(12)2 21io1ioi()rrrEE2 应 变 测 量 的 干 扰 补 偿应 变 片 金 属 栅 材 料 存 在 磁 阻 效 应 ， 在 脉 冲 放电 时 ， 电 抗 器 周 围 的 磁 场 强 度 将 会 在 几 百 微 秒 时间 内 达 到 特 斯 拉 级 ， 在 脉 冲 强 磁 场 条 件 下 ， 即 使电 抗 器 铜 带 上 没 有 应 变 ， 应 变 片 上 电 阻 值 也 会 发生 变 化 ， 这 种 干 扰

20、 信 号 不 可 忽 略 。 该 干 扰 信 号 只与 磁 场 的 大 小 有 关 ， 与 磁 场 的 方 向 无 关 6,7。电桥盒 应变仪 示波器亥姆霍兹线圈脉冲电流发生器补偿应变片工作应变片绝缘环氧板图 3 干 扰 补 偿 实 验 示 意 图Fig.3 Disturbance compensation experiment图 4 干 扰 补 偿 输 出 信 号Fig.4 Disturbance compensation signal为 了 抑 制 磁 场 干 扰 ， 采 用 相 邻 半 桥 补 偿 法 进行 测 量 ， 即 在 构 件 厚 度 可 以 忽 略 的 前 提 下 ， 将 工作

21、 片 和 补 偿 片 粘 贴 在 构 件 正 反 两 面 同 一 位 置 处 ，认 为 二 者 在 强 脉 冲 磁 场 中 产 生 同 样 的 电 阻 变 化 量 ，根 据 惠 斯 通 电 桥 电 路 输 出 特 性 ， 消 除 电 磁 干 扰 。由 于 环 氧 板 具 有 电 磁 绝 缘 性 ， 将 工 作 片 和 补 偿 片粘 贴 在 环 氧 板 上 ， 放 置 于 亥 姆 霍 兹 线 圈 脉 冲 磁 场中 ， 对 补 偿 片 效 果 进 行 测 量 ， 实 验 结 构 如 图 3 所示 ， 测 得 曲 线 如 图 4 所 示 。对 比 峰 峰 值 可 以 看 出 ， 当 存 在 外 部

22、强 磁 场 时 ，无 补 偿 片 的 1/4 桥 接 法 输 出 信 号 峰 峰 值 约 为0.9V， 增 加 补 偿 片 后 半 桥 接 法 的 输 出 信 号 峰 峰 值约 为 0.4V， 说 明 补 偿 片 对 抑 制 脉 冲 磁 场 干 扰 效 果比 较 明 显 ， 但 由 于 长 直 导 线 电 缆 的 电 容 性 和 磁 场性 ， 被 测 构 件 和 测 量 仪 器 之 间 的 电 气 泄 露 ， 地 电势 的 不 平 衡 等 其 他 干 扰 因 素 ， 依 然 存 在 明 显 干 扰 。将 应 变 仪 电 桥 盒 采 用 三 线 接 法 且 共 地 ， 抑 制 测 量电 路 导

23、线 间 的 共 模 干 扰 。 采 用 屏 蔽 导 线 连 接 减 小测 量 回 路 中 寄 生 电 阻 和 电 容 带 来 的 电 气 干 扰 ， 这种 寄 生 元 素 对 于 测 量 系 统 来 说 无 法 避 免 8,9。 使用 屏 蔽 导 线 后 ， 消 除 了 影 响 电 桥 平 衡 的 导 线 感 应电 动 势 ， 并 且 增 大 了 测 量 回 路 与 电 桥 供 电 回 路 之间 的 阻 抗 ， 使 得 二 者 不 能 通 过 寄 生 阻 抗 导 通 。 干扰 信 号 不 具 有 完 全 重 复 性 ， 使 用 屏 蔽 线 和 半 桥 补偿 法 后 输 出 信 号 峰 峰 值

24、约 为 0.02V， 比 采 用 普 通导 线 要 小 得 多 。 通 过 一 系 列 改 进 措 施 后 ， 脉 冲 磁场 对 应 变 测 量 系 统 的 干 扰 得 到 了 有 效 地 抑 制 。由 金 属 材 料 制 成 的 应 变 片 ， 同 时 具 有 温 度 效应 ， 它 的 阻 值 随 着 温 度 的 变 化 而 变 化 10。 脉 冲放 电 时 ， 电 流 在 电 抗 器 铜 带 上 产 生 热 ， 当 温 度 变化 较 大 时 ， 应 变 片 产 生 的 热 漂 移 导 致 的 视 应 变 较大 。 本 文 脉 冲 电 源 的 电 流 持 续 时 间 为 1ms 左 右 ，文

25、 献 11中 经 过 实 验 ， 得 出 平 均 单 次 脉 冲 热 载 荷在 电 抗 器 内 部 的 温 升 仅 为 2.85 ， 因 此 与 磁 应 力相 比 ， 单 次 实 验 时 热 应 力 影 响 可 忽 略 不 计 。 由 于单 层 铜 带 厚 度 很 薄 ， 忽 略 内 外 环 面 上 温 度 梯 度 ，本 文 利 用 电 桥 的 加 减 特 性 进 行 磁 场 补 偿 的 装 置 ，同 理 可 以 进 行 温 度 效 应 的 补 偿 。3 电 阻 应 变 传 感 器 的 标 定测 量 脉 冲 磁 场 环 境 中 电 抗 器 铜 带 结 构 的 应 变 ，首 先 需 要 对 该

26、测 量 环 境 下 应 变 传 感 器 进 行 标 定 。结 合 第 一 节 电 抗 器 应 力 特 征 分 析 ， 设 计 标 定 装 置 ：电 抗 器 是 空 心 线 圈 ， 为 了 模 拟 电 抗 器 铜 带 上 电 磁力 带 来 的 应 力 ， 采 用 内 置 气 囊 增 压 法 来 等 效 该 应力 。 将 气 囊 置 于 电 抗 器 空 心 位 置 ， 对 气 囊 充 气 ，使 气 囊 对 外 壁 产 生 压 力 。 由 于 橡 胶 材 质 的 气 囊 较软 ， 当 使 用 压 力 泵 对 其 充 气 时 ， 气 囊 变 形 ， 容 易在 外 部 边 界 ， 尤 其 是 边 缘 处

27、 产 生 不 均 匀 压 力 ， 而应 变 传 感 器 的 标 定 要 求 圆 筒 内 壁 压 力 处 处 相 等 ，因 此 在 气 囊 外 部 增 置 内 径 与 气 囊 完 全 相 切 的 圆 柱形 PVC 管 作 为 内 芯 ， 并 在 PVC 管 侧 面 开 缝 以 降低 内 芯 的 径 向 刚 度 ， 使 其 能 够 在 受 内 部 压 力 时 均匀 向 外 膨 胀 ， 产 生 均 匀 的 环 向 应 变 。 当 压 力 泵 对气 囊 充 气 时 ， 气 囊 向 外 膨 胀 导 致 PVC 管 管 径 增加 ， 进 而 使 得 铜 带 线 圈 受 到 均 匀 的 内 部 膨 胀 压

28、力 ，铜 带 发 生 变 形 ， 粘 贴 在 铜 带 外 壁 上 的 电 阻 应 变 片产 生 应 变 ， 经 过 应 变 仪 和 示 波 器 可 以 获 取 应 变 传感 器 的 输 出 信 号 。 充 气 压 强 与 应 力 等 价 ， 将 充 气压 强 与 示 波 器 输 出 电 压 进 行 数 据 分 析 ， 对 应 变 片进 行 标 定 12,13。 标 定 实 验 所 用 带 气 囊 的 线 圈 装 置如 图 5 所 示 。P V C 圆筒气囊P V C 圆筒开缝铜带线圈电流入口端子电流出口端子图 5 标 定 实 验 装 置 示 意 图Fig.5 The calibrating e

29、quipment由 于 电 抗 器 结 构 小 ， 磁 场 强 ， 在 强 电 磁 脉 冲环 境 下 对 应 力 应 变 进 行 测 量 ， 要 求 测 量 电 路 必 须和 电 抗 器 导 体 进 行 电 气 隔 离 ， 并 具 有 一 定 的 抗 电磁 干 扰 能 力 ， 因 此 采 用 半 桥 接 法 对 磁 场 干 扰 进 行补 偿 。 选 取 BX120-3AA 型 带 自 温 度 补 偿 的 金 属箔 式 应 变 片 进 行 试 验 。 该 应 变 片 灵 敏 度 高 ， 量 程大 ， 尺 寸 小 ， 频 率 响 应 好 ， 可 测 0500kHz 的 动态 应 变 。 使 用 Y

30、D-15 型 载 波 动 态 电 阻 应 变 仪 将 电阻 应 变 信 号 输 出 为 电 压 ， 该 应 变 仪 给 电 桥 供 电 电压 Ui=3V， 工 作 频 率 范 围 为 01500Hz， 脉 冲 电流 激 励 磁 场 的 主 要 频 谱 分 量 集 中 在 01000Hz，因 此 采 集 到 的 应 变 信 号 是 可 信 的 。 该 应 变 仪 内 部使 用 的 应 变 片 灵 敏 度 系 数 K0=2.00， 如 果 使 用 其他 灵 敏 度 系 数 为 K 的 应 变 片 ， 测 量 值 需 按 下 式 修正 ， 其 中 为 实 际 应 变 ， c 为 测 量 应 变 ：(

31、13)0测 量 中 ， 对 应 变 仪 的 输 出 进 行 了 104 倍 的 放大 。 应 变 片 测 到 的 环 向 应 变 即 为 气 囊 增 压 在 铜 带上 产 生 的 环 向 应 变 ， 根 据 电 阻 应 变 片 本 构 方 程 及电 桥 输 入 输 出 电 压 关 系 ， 得 出 气 囊 内 压 P1 与 电阻 应 变 片 输 出 电 压 Uo 之 间 的 关 系 为2 251i 1ioooi()310PrrEE(14)图 6 应 力 曲 线 及 线 性 拟 合Fig.6 The stress curve and linear fitting为 固 定 标 定 线 圈 的 结

32、构 ， 对 线 圈 施 加P2=80kPa 外 部 预 压 力 ， 线 圈 内 半 径 ri=25mm，外 半 径 ro=30mm， 铜 带 弹 性 模 量 E=110GPa， 泊松 比 =0.33， 化 简 式 (14)得 内 压 P1(/kPa)与 应 变片 输 出 电 压 Uo(/V)的 关 系 ：(15)o17269.P从 式 (15)可 以 看 出 ， 线 圈 内 压 与 应 变 输 出 呈线 性 正 比 关 系 。 采 用 对 气 囊 定 压 充 气 的 方 法 对 传感 器 进 行 实 验 标 定 ， 图 6 为 实 验 测 得 充 气 压 强 与示 波 器 输 出 电 压 曲

33、线 ， 根 据 测 量 数 据 进 行 线 性 拟合 ， 图 中 虚 线 为 线 性 拟 合 结 果 ， 线 性 度 为4.7%， 表 达 式 如 下 ：(16)o21.7650.9PU式 (15)与 式 (16)的 差 距 是 由 于 理 论 计 算 时 采 用了 简 化 模 型 ， 且 实 验 中 存 在 无 法 避 免 的 存 在 电 气干 扰 造 成 。 两 个 式 子 都 给 出 的 是 线 性 正 比 关 系 ，且 在 同 一 个 数 量 级 上 。 可 以 认 为 ， 实 验 装 置 是 合理 的 ， 可 以 使 用 实 验 拟 合 函 数 对 通 流 后 的 应 变 数据 进

34、行 处 理 ， 对 电 抗 器 上 的 应 力 规 律 进 行 研 究 。4 电 磁 力 测 量 数 据 及 分 析将 测 量 应 变 片 粘 贴 于 待 测 铜 层 外 表 面 ， 补 偿应 变 片 粘 贴 于 待 测 铜 层 内 表 面 对 应 点 处 ， 采 用 背片 式 的 补 偿 片 接 法 14,15， 在 应 变 仪 上 对 应 变 片 弯曲 产 生 的 预 应 变 进 行 系 统 调 零 。 由 于 铜 层 很 薄 ，可 以 认 为 测 量 片 与 补 偿 片 处 于 同 一 位 置 ， 所 受 磁场 干 扰 一 致 。 铜 带 上 粘 贴 聚 亚 酰 乙 胺 薄 膜 ， 应

35、变片 粘 贴 在 聚 亚 酰 乙 胺 薄 膜 上 ， 由 于 聚 亚 酰 乙 胺 良好 的 绝 缘 性 ， 能 够 在 应 变 测 量 电 路 与 脉 冲 放 电 电路 之 间 形 成 良 好 的 电 气 隔 离 。 在 铜 带 弹 性 形 变 范围 内 时 ， 应 力 结 果 可 以 外 推 。 图 7 铜 带 边 缘 的 环 向 应 变Fig.7 Hoop stress on the edge of copper belt图 8 应 力 峰 值 曲 线Fig.8 The peak stress curves选 取 铜 带 中 心 和 边 缘 的 点 进 行 环 向 应 变 和 轴向 应 变

36、 的 测 量 ， 得 出 Uo-t 曲 线 ， 根 据 式 (16)进 行数 据 处 理 得 出 P-t 曲 线 ， 图 7 所 示 为 放 电 电 压 为1kV 时 ， 铜 带 边 缘 及 中 心 测 量 点 的 环 向 应 力 、 轴向 应 力 。 可 以 看 出 ， 环 向 应 力 大 于 轴 向 应 力 ， 边缘 应 力 大 于 中 心 应 力 。 由 于 测 量 系 统 机 械 结 构 的振 荡 频 率 比 电 流 激 励 的 频 率 要 低 ， 干 扰 信 号 与 应变 信 号 具 有 异 步 性 ， 应 变 响 应 时 间 与 电 流 峰 值 对比 存 在 约 12ms 的 时

37、延 。 干 扰 信 号 比 应 变 信 号 小一 个 数 量 级 ， 且 脉 宽 很 窄 ， 容 易 区 分 出 来 。 有 用信 号 出 现 在 1ms 之 后 。 边 缘 处 测 量 点 的 应 力 第 一个 峰 值 下 降 沿 段 ， 出 现 一 个 类 似 峰 值 叠 加 的 信 号 。由 于 测 量 系 统 整 个 机 械 结 构 属 于 弹 性 系 统 ， 受 力之 后 存 在 机 械 振 荡 ， 因 此 认 为 第 一 个 正 向 应 力 峰值 为 电 磁 力 在 铜 带 上 作 用 导 致 的 应 力 ， 观 察 应 力峰 值 随 放 电 电 压 的 变 化 ， 如 图 8 所

38、 示 。 可 以 看 出 ，在 不 同 的 放 电 电 压 下 ， 铜 带 边 缘 环 向 应 力 最 大 、中 心 环 向 应 力 次 之 ， 且 边 缘 环 向 应 力 的 斜 率 最 大 。可 以 推 断 ， 当 放 电 电 压 进 一 步 增 大 或 进 行 多 次 进行 放 电 实 验 时 ， 边 缘 处 最 易 发 生 变 形 ， 这 与 文 献2的 仿 真 结 果 一 致 。 根 据 法 拉 第 的 观 点 16， 铜带 上 的 环 向 磁 应 力 j2， 可 以 得 出 脉 冲 放 电 时 ，铜 带 边 缘 处 电 流 密 度 约 为 铜 带 中 心 处 电 流 密 度 的 1

39、.2倍 。5 结 论本 文 使 用 电 阻 应 变 片 对 电 抗 器 铜 带 结 构 应 力进 行 测 量 ， 并 利 用 厚 壁 筒 受 压 模 型 对 测 量 系 统 进行 理 论 计 算 ， 设 计 气 囊 增 压 装 置 进 行 标 定 ， 验 证了 测 量 系 统 的 可 用 性 。 使 用 半 桥 补 偿 电 路 及 屏 蔽线 减 小 干 扰 ， 根 据 实 验 结 果 ， 得 出 铜 带 在 脉 冲 放电 过 程 中 由 于 电 磁 力 载 荷 作 用 产 生 的 应 力 特 征 及电 流 密 度 分 布 规 律 ： （ 1） 同 一 测 量 点 处 的 环 向应 力 峰 值

40、比 轴 向 应 力 峰 值 大 ， 同 一 方 向 的 应 力 边缘 处 大 于 中 心 处 ， 边 缘 处 应 力 二 次 叠 加 效 果 明 显 ；（ 2） 脉 冲 放 电 时 ， 铜 带 边 缘 处 电 流 密 度 约 为 铜 带中 心 处 电 流 密 度 的 1.2 倍 。 电 抗 器 铜 带 边 缘 处 最易 发 生 环 向 膨 胀 变 形 ， 需 要 在 电 抗 器 铜 带 边 缘 加强 约 束 加 固 。 本 文 为 脉 冲 电 源 内 部 电 磁 环 境 下 电抗 器 应 力 的 实 验 测 量 提 供 了 一 种 行 之 有 效 的 方 法 。参 考 文 献 （ Refere

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