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
41、nces）1 Lee J H, Song J B, Kim K L, et al. Optimal Arrangement of Current Leads to Minimize Electromagnetic ForceJ. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010, 20(3): 1741-1746.2 彭 涛 , 辜 承 林 . 脉 冲 强 磁 体 中 应 力 的 有 限 元 分 析 J. 核 技 术 , 2004, 27(9): 700-704.Peng Tao, Gu Chenglin. Finite element
42、analysis for stress in high pulsed magnetJ. Nuclear Techniques, 2004, 27(9): 700-704.（ in Chinese）3 Peng Tao, Xiao Houxiu, Herlach F, et al. Measurement of the Deformation in Pulsed Magnets by Means of Optical Fiber SensorsJ. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, 22(3):12-15.4 Dai Yo
43、ngbo, Liu Yanju, Leng Jinsong, et al. A novel time-division multiplexing fiber Bragg Grating sensor interrogator for structural health monitoringJ. Optics and Lasers in Engineering, 2009, 47(10): 1028-1033.5 Qiao Xueguang, Li Yulin, Hu Manli, et al. Simultaneous Measurement of Strain and Temperature
44、 with Different Period and Superimposed Optic Fiber Bragg Grating sensorsJ. Applied Laser, 1998, 18(6): 254-258.6 Milushev M, SuBer M, Wuchner F. Investigation of two dierent types of displacement transducers in the cryogenic environmentJ. ELSENIER on Cryogenic, 2004, 44(3): 197-201.7 Freynik H S, R
45、oach D R, Deis D W, et al. Nickel-chromium strain gages for cryogenic stress analysis of superconducting structures in high magnetic fieldsC. 7th symposium on Fusion Research, 1977.8 张 庆 华 , 王 太 勇 . 时 频 分 析 方 法 在 往 复 机 械 振 动 特征 提 取 中 的 应 用 J. 机 械 设 计 与 制 造 工 程 , 2002, 31(4): 16-17.Zhang Qinghua, Wan
46、g Taiyong. Application of time-frequency analysis method in reciprocating mechanism vibration signal processingJ. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2002, 31(4):16-17.（ in Chinese）9 胡 爱 军 , 唐 贵 基 , 安 连 锁 . 振 动 信 号 采 集 中 剔 除 脉冲 的 新 方 法 J. 振 动 与 冲 击 , 2006, 25(1): 126-127. Hu Aijun, Tang Gu
47、iji, An Liansuo. New method of removing pulsed noises in vibration dataJ Journal of Vibration and Shock, 2006, 25(1): 126-127.（ in Chinese）10 郑 秀 瑷 , 谢 大 吉 . 应 力 应 变 电 测 技 术 M. 北 京 : 国防 工 业 出 版 社 , 1985.Zheng Xiuai, Xie Daji. Stress and strain electrical measuring technologyM. Beijing: National Defe
48、nce Industry Press, 1985.（ in Chinese）11 刘 佳 , 董 健 年 , 张 小 兵 等 . 电 磁 发 射 用 电 抗 器 温 度场 影 响 因 素 研 究 J. 弹 道 学 报 , 2014, 26(2): 100-105.Liu Jia, Dong Jiannian, Zhang Xiaobing, et al. Research on factors influencing temperature of pulse inductor used in electromagnetic launchJ. Journal of Ballistics, 201
49、4, 26(2): 100-105.（ in Chinese）12 蒙 占 海 , 张 玉 荣 . .厚 壁 圆 筒 内 超 高 压 力 的 非 破 坏 性测 量 J. 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 , 2004(增 刊 ): 141-145. Meng Zhanhai, Zhang Yurong. Nondestructive measurement of the extremely high pressure inside the cylinder with thick wallJ. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2004(z1): 141-145
