超导磁体低温液位监测单元的设计与实现论文
超导磁体低温液位监测单元的设计与实现论文
超导磁体低温液位监测单元的设计与实现论文超导磁体低温液位监测单元的设计与实现论文引言超导磁体相对于常规磁体而言，具有励磁线圈电流密度大、电流稳定性高、功耗小、体积小和运转费用低等优点，可满足用户对磁场高强度、高均匀度和高稳定度等性能的要求，在科学研究、医疗诊断、交通运输和电力系统等领域有着广阔的应用前景，其中采用了超导磁体的核磁共振(NMR)谱仪和磁共振成像(MRI)仪更是发展形成了一个产值巨大的市场.随着国民经济和科教医卫事业的迅速发展，我国对超导NMR 和MRI仪器设备的需求也在飞速增长，但是这些仪器设备的核心技术与制造基本上控制在少数发达国家手中，为了打破国外的技术垄断并满足国内市场的巨大需求，我国科研机构目前正在积极开展超导仪器设备的自主创新研制.1 液氦和液氮的液位测量原理1.1 液氦液位的测量原理液氦的测量使用电阻式传感器，其测量原理如图1 所示.使用一根铌钛超导丝制成的液位传感器插入液氦中，其中I+端和I-端连接电流源的正负极，V+端和V-端输出超导丝的电压.测量时，浸没在液氦中的那部分超导丝呈超导态，电阻为0;而液面之上的超导丝由于加热电阻的作用呈正常态.通过测量传感器的电阻变化量，即可检测液氦液面的变化.1.2 液氮液位的测量原理液氮的测量使用电容式液位传感器，其测量原理如图2 所示，电容传感器由两个同轴不锈钢管构成，中间使用聚四氟乙烯绝缘材料固定两个管子的位置，外管的管壁上开有若干流通孔，使液氮能在电容传感器中自由流入或流出.由于空气和液氮的介电常数不同，当液位变化时，传感器的电容量也相应变化，可以检测出液位的变化.2 液位监测单元的硬件设计2.1 硬件整体设计液位监测单元的硬件整体架构如图3 所示，液位监测单元硬件电路主要由模拟信号处理电路和以STM32ARM 微控制器为核心的控制系统组成.2.2 压控电流源的设计为了适应不同规格的电阻传感器对电流源的需求，由微控制器所产生的PWM 输出经过光耦合器的隔离耦合以及比较器的缓冲后，再经过低通滤波后输出一个直流电压以控制电流源.2.3 电压-频率转换电路电压-频率转换电路的原理图如图 5 所示，电阻式传感器提供的电压经由接口 V+和V-进入电压-频率转换器 TC9400 的 3 脚和 7 脚，然后在 8 脚输出相应的频率 FREQ_OUT，输出频率经过光耦的隔离耦合后进入微控制器进行处理，从而计算出液氦的液位.2.4 电容-频率转换电路电容-频率转换电路的原理图如图 6 所示，采用 INTERSIL 公司型号为 ICM7555 的555 定时器构建一个经济实用的电容-频率转换电路.电容传感器的两个极板分别连接P1 和P2 接口，接口PL1，PL2 和PL3 分别接供电电源、频率输出和地，由电阻 R2和电容构成积分电路，并周期性对电容进行充放电，使得电容上的电压在门限电压上下反复震荡，通过555 定时器内部的比较器和触发器的工作，可以在输出管脚得到相应的脉冲波形.2.5 微控制器系统设计以STM32F103 微控制器作为控制核心，对模拟接口电路输出的频率信号进行处理，并通过脉冲宽度调制(PWM)为压控电流源提供输入脉冲，通过 CAN 总线与上位机进行通信，液氦和液氮的液位信息在微控制器内进行计算，其结果在LED 数码管上显示，并且在液位低于安全位置时，通过蜂鸣器进行报警.图7 所示为微控制器系统电路的框图.3 液位监测单元的软件设计3.1 软件总体设计液位监测软件的主要功能是通过CAN 通信设置两个测量通道的`各项参数，并控制电流源为电阻式液氦传感器提供工作电流，然后将测量通道反馈回来的频率信号进行处理，得出液位信息后显示在LED 数码管上，并通过 CAN 通信接口上传给上位机.3.2 频率信号处理程序设计STM32F103 包含了多个通用定时器，为了能够同时测量液氦和液氮的液位，本文使用通用定时器TIM2 和TIM3 分别为液位监测的两个通道进行频率信号处理.在STM32F103 初始化的时候对 TIM2 和TIM3 进行配置，其时钟由内部时钟源提供为72MHz，预分频值为1，计数器设置为向上计数模式，自动重载寄存器的值设置为 65 535.4 液位监测单元的功能测试液位监测单元经过PCB 的器件焊接和各个功能模块的调试后进行了功能测试.在默认设置中，液位监测单元启用了两个测量通道，通道1 用于液氦测量，通道 2 用于液氮测量.5 结论本文首先介绍了超导磁体液氦和液氮的液位监测单元的研究背景和意义，接着介绍了液氦和液氮的液位测量原理，然后详细阐述了基于 STM32 微控制器的双通道低温液位监测的设计方案，即从微控制器STM32F103 输出的PWM 波形控制电流源输出一个稳定的电流，同时，两路频率转换电路分别把电压值和电容值转换为频率信号，输入到微控制器STM32 中进行处理，最后由STM32 输出的液位信息在LED 数码管进行显示并通过CAN 通信传至上位机.最后通过测试表明，实现了液位的实时监测、远程监测和远程控制等功能，验证了设计的可行性.。
超导磁共振成像系统中的低温技术
超导磁共振成像系统中的低温技术磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种生物磁学核自旋成像技术。
十多年来，随着超导、低温、磁体、射频及计算机图像处理等高新技术的发展，MRI已成为当今医学领域最先进的诊断设备之一。
按照MRI系统主磁体磁场的产生方式，通常将其分为永磁型、常导型（阻抗型）、混合型和超导型四类。
由于超导型MRI具有场强高、功耗小（磁体基本无功耗）、磁场均匀稳定和系统信噪比高等优点，近年来发展非常迅速。
本文首先介绍超导MRI 成像系统的磁场建立过程及其失超的概念，然后讨论超导磁体的低温保障技术。
超导环境的建立同阻抗型磁体一样，超导型磁体也由线圈的电流产生磁场。
两者的差别主要是线圈的材料不同：前者用普通铜线绕制，而后者由超导线绕成。
目前所用超导材料主要是铌钛与铜的多丝复合线，它的工作温度为4.2K（-269℃），即一个大气压下液氦的温度。
因此，超导线圈必须浸泡在液氦里才能正常工作。
MRI磁体超导环境的建立通常需要下述步骤：磁体低温容器抽真空超导磁体一般在CFRP或GFRP支撑结构下依次装有环形真空绝热层、液氮容器和液氦容器，超导线圈置于液氦容器之中。
各容器都有非常好的绝热性能和密封性能。
可见超导磁体的制造工艺是相当精细的。
真空绝热层是超导磁体的重要保冷屏障，其保冷性能主要决定于它的真空度。
因此，抽真空的质量直接关系到超导磁体运行后的经济性能。
磁体安装完毕后，一般在现场对其抽真空，但有些厂家的产品出厂前就已抽毕。
真空绝热层抽真空的过程可分为两步。
首先用旋片式机械泵抽吸约4h，使内部压力降至10Pa （1mbar）以下。
紧接着改用涡轮分子泵，将内部压力抽至10-3Pa（10-5mbar）。
要达到这样低的压力，涡轮分子泵需连续运转数十小时，有时长达数日。
此间一旦出现断电情况，就有可能前功尽弃。
因此，真空绝热层抽真空前MRI系统的不间断电源应该安装就绪，以便将涡轮分子泵与其相连，断电后就有足够的时间来关闭磁体上的真空阀。
低温下的超导物理研究
低温下的超导物理研究超导是指物质在低于临界温度时，电阻消失的现象。
这种现象通常发生在几乎绝对零度（-273°C）以下的低温下。
超导现象的发现和研究在物理学中具有重要的意义，因为它不仅是一种基本现象，也有着重要的应用。
低温下超导现象的研究自从发现以来就备受重视。
如今，人们已经对超导物理的基本机理有了比较深入的了解，尽管仍有一些难题亟待解决。
对于低温下超导物理的研究，主要集中在以下几个方面：第一个，材料的研究。
超导体的选择非常重要，超导材料的发现为低温下超导物理的研究提供了基础。
20世纪80年代初，高温超导材料被发现，这极大地提高了超导材料使用的温度区间，使其实用性得到了大幅度提高。
到目前为止，已经有很多种超导材料被发现，包括复杂氧化物、铜基材料、钠金属材料等，这些材料的超导性能有着独特的特点，可以用于制造高性能的超导电子学器件。
第二个，超导机理的研究。
对超导现象的机制研究有助于理解超导体的物理性质以及探究高温超导的本质。
超导现象的机理涉及到超导电流的产生和流动，也涉及到超导材料中的电荷载流子、磁化流和强度等。
目前关于超导机理的研究仍在进行中，但已经有多个理论模型试图解释这个现象。
第三个，超导电子学器件的设计和制造。
低温下的超导物理最大特点是电阻为零，因此在超导体中，电流可以无阻力地流动。
这种超导电流的特性使其非常适合制造超导电子学器件，这类器件包括SQUID（超导量子干涉器）、磁测量计、微波通信器件等等。
人们已经制造了一系列高性能的超导电子学器件，已经应用于多种科学领域，如天文学、核物理学和材料科学等等。
第四个，新型高温超导材料的发现。
近年来，人们通过多种手段的相互作用，创造出了许多新型高温超导材料。
这些材料不仅超导温度更高，而且具有更高的电流载密度和更好的稳定性，使得其在电力输配系统和电力储存系统中应用更为广泛。
总之，低温下的超导物理研究是一个重要的学科，对物理学和其他领域都有着广泛的应用。
CICC超导磁体低温冷却设计
维普资讯
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低温物理学中的超导与磁性材料研究
低温物理学中的超导与磁性材料研究随着科学技术的不断发展，低温物理学逐渐成为一个重要的研究领域。
低温物理学涉及的知识非常广泛，其中超导与磁性材料的研究是其重要的分支之一，这两个方向的研究具有很强的专业性。
在本篇文章中，我们将深入探讨低温物理学中的超导与磁性材料研究的内涵和应用。
一、超导材料的研究超导现象是物理界一个非常重要的发现，其被广泛应用于许多领域。
超导材料指在一定的温度、压力和电场下，材料可以完全消除电阻，而呈现出超导性质。
超导材料除了可以应用于电力工业、磁共振成像等领域，还可以用于全球高能物理学的粒子加速器，比如LHC（Large Hadron Collider）。
LHC是欧洲核子研究组织（CERN）建造的一座强子对撞机，其由超导磁体构成。
容易想象，研究超导材料一定离不开低温。
对于超导材料，最基本的研究技术就是采用量子电动力学。
在这种情况下，低温是必要的条件。
取决于材料类型和温度，不同的超导材料可能需要不同的低温环境。
超导现象的解释是BSC（Bardeen–Cooper–Schrieffer）理论，是一种微观量子力学模拟，用于描述超导电路的运动规律。
其中BSC理论主要解释了超导材料电流的通路仅在材料表面出现，而材料内部的电流通路则被完全消除。
二、磁性材料的研究磁性材料是一种与磁场有关的物质，其在外加磁场下表现出显著的磁化效应。
磁性材料广泛应用于能源、电子、信息、制造等领域中。
比如，磁盘驱动器就是利用磁性材料来存储数据的。
磁性材料也用于电动机降低能源浪费，以及电子设备中的磁头等等。
磁性材料的研究方式主要有2种：一种是通过研究磁学性质来推断磁性材料的性质，另一种是通过其他材料的研究来推断磁性材料的性质。
具体来说，这些研究方法包括磁滞回线、磁感应、自发磁化、相互作用、哈密顿量和基态磁性等。
低温物理学在磁性材料的研究中也是非常重要的。
通常，低温磁性研究的原理是通过检测材料在低温条件下对磁场的响应以及磁性材料在低温条件下的结构和磁有序状态。
低温超导技术的研究与应用
低温超导技术的研究与应用低温超导技术是近年来备受关注的一项前沿科技，它有着广泛的应用前景和巨大的经济效益。
本文将就低温超导技术的研究进展以及其在能源、医学和电子领域的应用进行探讨。
低温超导技术是指材料在低于其临界温度时展现出的零电阻和完美的磁场排斥现象。
这种现象被广泛运用在超导电磁体、超导电缆、超导电动机等领域。
然而，对于实际应用场景来说，传统的低温超导材料需要极低的工作温度，极限了其在实际生产和大规模应用中的可行性。
因此，科学家们致力于寻找工作温度更高的超导材料以推动低温超导技术的进一步发展。
最近几十年来，人们在寻找高温超导材料方面取得了重大突破。
1986年，高温超导材料首次被发现，引发了全球科学界的轰动。
这类材料的临界温度相对较高，能够在液氮温度（77K）以下实现超导。
高温超导材料的发现给低温超导技术的研究带来了全新的机遇和挑战。
无论是低温超导材料还是高温超导材料，科学家们在超导机制的研究上都取得了丰硕成果。
低温超导材料的超导机制主要归因于电子和晶格之间的配对和散射过程，而高温超导材料的超导机制较为复杂，涉及到电子间的强耦合效应和自旋波的共振耦合等。
这些研究成果不仅推动着超导材料的设计和合成，还为超导机理的理解提供了理论基础。
低温超导技术的应用领域广泛，其中能源领域是最受关注的领域之一。
利用低温超导技术可以制造出高性能的超导电磁体，用于磁约束核聚变和磁悬浮列车等应用。
超导电磁体比传统电磁体有更高的磁场强度和更低的能量损耗，能够为核聚变实验和高速列车提供强有力的支持。
此外，低温超导技术还可用于电力输配系统，通过制造超导电缆可以减少电力输送过程中的能量损耗，并提高电力传输的效率。
医学领域是另一个低温超导技术的重要应用领域。
其中，磁共振成像（MRI）技术是最具代表性的应用之一。
MRI技术通过利用超导磁体产生恒定磁场并施加梯度磁场，从而生成人体组织的高分辨率图像。
低温超导材料的零电阻和强磁场排斥特性使得超导磁体成为MRI技术中不可或缺的关键元件。
低温物理学中的低温测量和低温超导
低温物理学中的低温测量和低温超导低温物理学是研究在极低温条件下物质的性质和行为的科学领域。
在低温下，物质的性质会发生很大的变化，其中特别引人注目的是低温超导现象。
低温超导是一种在极低温下，电流可以无阻抗地流过某些材料的现象，这对于电力输送和储存具有巨大的应用潜力。
然而，要实现低温超导，准确测量低温是至关重要的。
低温测量是低温物理学中的核心技术之一。
测量低温需要使用精确可靠的仪器，并且对测量误差的控制至关重要。
在低温条件下，许多物质会变得非常脆弱，容易破碎或崩溃。
因此，在设计低温测量装置时，必须考虑材料的机械强度和稳定性，以免影响测量结果。
为了测量低温，科学家们发明了各种各样的仪器和技术。
其中一种常用的低温测量技术是热电偶。
热电偶是一种利用材料热电效应，将温度转化为电压的装置。
热电偶的原理是两种不同金属的接触处会产生热电效应，当两个接点处于不同温度时，电势差会产生。
通过测量这个电势差，可以确定材料的温度。
然而，由于热电偶本身的热负荷和导电特性，需要进行精确的校准和补偿，以得到准确的温度测量结果。
另一种常用的低温测量技术是热电阻。
热电阻是一种利用材料电阻随温度变化的特性进行温度测量的装置。
热电阻的原理是随着温度的升高，导体的电阻会发生变化。
通过测量热电阻的阻值，可以确定材料的温度。
热电阻是低温测量中最常用的方法之一，它具有灵敏度高、响应速度快等优点。
然而，热电阻的测量结果仍然会受到电路和线路的影响，需要通过精确的校准和补偿进行修正。
除了热电偶和热电阻，低温物理学中还有其他一些测量技术。
例如，阻尼磁强计是一种测量低温条件下材料磁性的仪器。
阻尼磁强计的原理是根据材料在外磁场中的受阻程度来测量磁感应强度。
通过测量阻尼磁强计的信号，可以确定材料的磁性。
此外，光学测量技术也被广泛应用于低温物理学中。
光学测量技术可以通过观察物质在不同温度下的光学性质变化，来推测材料的物理性质。
通过测量低温条件下的光学响应，可以了解材料的电导率、电磁波吸收等性质。
磁共振系统、超导磁体系统及其低温保持设备的制作技术
本技术涉及一种磁共振系统、超导磁体系统及其低温保持装置。
该低温保持装置包括内筒、外筒、超导线圈以及变形部件；所述外筒套设在所述内筒外；所述内筒和所述外筒之间限定用于盛装所述冷却液的空腔；所述超导线圈设置于所述空腔内，且所述超导线圈的至少一部分被所述冷却液浸泡；所述变形部件设置于所述空腔内，所述变形部件的体积可通过其内部所填充介质的介质量改变，以致所述变形部件用于改变所述冷却液在所述空腔中的液面高度。
上述超导磁体系统及其低温保持装置，不仅能提高冷却液在空腔中的液面高度，还能避免在运输等过程中冷却液消耗而导致其液面高度下降的问题。
权利要求书1.一种低温保持装置，其特征在于，包括：内筒；外筒，所述外筒套设在所述内筒外；所述内筒和所述外筒之间限定用于盛装用于浸泡超导线圈的至少一部分的冷却液的空腔；及变形部件，所述变形部件设置于空腔内，所述变形部件的体积可通过其内部所填充介质的介质量改变，以致所述变形部件用于改变所述冷却液在所述空腔中的液面高度。
2.根据权利要求1所述的低温保持装置，其特征在于，还包括储存部件、第一管道以及第一阀门，所述储存部件位于所述外筒的外侧或者位于所述空腔的远离所述变形部件的内壁上，所述第一管道连接所述变形部件和所述储存部件，所述储存部件为所述变形部件提供介质，从而改变所述变形部件的体积；所述第一阀门设置在所述储存部件上，所述第一阀门用于控制所述储存部件给所述变形部件提供介质。
3.根据权利要求2所述的低温保持装置，其特征在于，还包括第一控制装置、第一气压装置以及第一液面测量装置；所述第一控制装置与所述第一阀门电连接，所述第一控制装置与所述第一气压装置电连接，所述第一气压装置用于采集所述变形部件的第一气压值；所述第一液面高度测量装置与所述第一控制装置电连接；所述第一液面高度测量装置用于采集所述冷却液在所述空腔中的第一高度信息，并将所述第一高度信息传送给所述第一控制装置；所述第一控制装置根据所述第一高度信息和所述第一气压值控制所述第一阀门，从而改变所述变形部件的内部的介质量。
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超导磁体低温液位监测单元的设计与实现论文引言
超导磁体相对于常规磁体而言，具有励磁线圈电流密度大、电流稳定性高、功耗小、
体积小和运转费用低等优点，可满足用户对磁场高强度、高均匀度和高稳定度等性能的要求，在科学研究、医疗诊断、交通运输和电力系统等领域有着广阔的应用前景，其中采用
了超导磁体的核磁共振NMR谱仪和磁共振成像MRI仪更是发展形成了一个产值巨大的市场.随着国民经济和科教医卫事业的迅速发展，我国对超导 NMR 和
MRI仪器设备的需求也在飞速增长，但是这些仪器设备的核心技术与制造基本上控
制在少数发达国家手中，为了打破国外的技术垄断并满足国内市场的巨大需求，我国科研
机构目前正在积极开展超导仪器设备的自主创新研制.
1 液氦和液氮的液位测量原理
1.1 液氦液位的测量原理
液氦的测量使用电阻式传感器，其测量原理如图 1 所示.使用一根铌钛超导丝制成的
液位传感器插入液氦中，其中 I+端和 I-端连接电流源的正负极，V+端和 V-端输出超导
丝的电压.测量时，浸没在液氦中的那部分超导丝呈超导态，电阻为 0;而液面之上的超导
丝由于加热电阻的作用呈正常态.通过测量传感器的电阻变化量，即可检测液氦液面的变化.
1.2 液氮液位的测量原理
液氮的测量使用电容式液位传感器，其测量原理如图 2 所示，电容传感器由两个同
轴不锈钢管构成，中间使用聚四氟乙烯绝缘材料固定两个管子的位置，外管的管壁上开有
若干流通孔，使液氮能在电容传感器中自由流入或流出.由于空气和液氮的介电常数不同，当液位变化时，传感器的电容量也相应变化，可以检测出液位的变化.
2 液位监测单元的硬件设计
2.1 硬件整体设计
液位监测单元的硬件整体架构如图 3 所示，液位监测单元硬件电路主要由模拟信号
处理电路和以 STM32ARM 微控制器为核心的控制系统组成.
2.2 压控电流源的设计
为了适应不同规格的电阻传感器对电流源的需求，由微控制器所产生的’ PWM 输出
经过光耦合器的隔离耦合以及比较器的缓冲后，再经过低通滤波后输出一个直流电压以控
制电流源.
2.3 电压-频率转换电路
电压-频率转换电路的原理图如图 5 所示，电阻式传感器提供的电压经由接口 V+和
V-进入电压-频率转换器 TC9400 的 3 脚和 7 脚，然后在 8 脚输出相应的频率
FREQ_OUT，输出频率经过光耦的隔离耦合后进入微控制器进行处理，从而计算出液氦的液位.
2.4 电容-频率转换电路
电容-频率转换电路的原理图如图 6 所示，采用 INTERSIL 公司型号为 ICM7555 的555 定时器构建一个经济实用的电容-频率转换电路.电容传感器的两个极板分别连接P1
和 P2 接口，接口 PL1，PL2 和 PL3 分别接供电电源、频率输出和地，由电阻 R2和电容构成积分电路，并周期性对电容进行充放电，使得电容上的电压在门限电压上下反复震荡，通过 555
定时器内部的比较器和触发器的工作，可以在输出管脚得到相应的脉冲波形.
2.5 微控制器系统设计
以 STM32F103 微控制器作为控制核心，对模拟接口电路输出的频率信号进行处理，
并通过脉冲宽度调制PWM为压控电流源提供输入脉冲，通过 CAN 总线与上位机进行通信，液氦和液氮的液位信息在微控制器内进行计算，其结果在 LED 数码管上显示，并且在液
位低于安全位置时，通过蜂鸣器进行报警.图 7 所示为微控制器系统电路的框图.
3 液位监测单元的软件设计
3.1 软件总体设计
液位监测软件的主要功能是通过 CAN 通信设置两个测量通道的各项参数，并控制电
流源为电阻式液氦传感器提供工作电流，然后将测量通道反馈回来的频率信号进行处理，
得出液位信息后显示在 LED 数码管上，并通过 CAN 通信接口上传给上位机.
3.2 频率信号处理程序设计
STM32F103 包含了多个通用定时器，为了能够同时测量液氦和液氮的液位，本文使用
通用定时器 TIM2 和 TIM3 分别为液位监测的两个通道进行频率信号处理.在STM32F103
初始化的时候对 TIM2 和 TIM3 进行配置，其时钟由内部时钟源提供为 72MHz，预分频值
为 1，计数器设置为向上计数模式，自动重载寄存器的值设置为 65 535.
4 液位监测单元的功能测试
液位监测单元经过 PCB 的器件焊接和各个功能模块的调试后进行了功能测试.在默认
设置中，液位监测单元启用了两个测量通道，通道 1 用于液氦测量，通道 2 用于液氮测量.
5 结论
本文首先介绍了超导磁体液氦和液氮的液位监测单元的研究背景和意义，接着介绍了液氦和液氮的液位测量原理，然后详细阐述了基于 STM32 微控制器的双通道低温液位监测的设计方案，即从微控制器 STM32F103 输出的 PWM 波形控制电流源输出一个稳定的电流，同时，两路频率转换电路分别把电压值和电容值转换为频率信号，输入到微控制器STM32 中进行处理，最后由 STM32
输出的液位信息在 LED 数码管进行显示并通过 CAN 通信传至上位机.最后通过测试表明，实现了液位的实时监测、远程监测和远程控制等功能，验证了设计的可行性.
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