CN102735902A - 高温超导导线拉力测试设备及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导导线拉力测试设备，包括：用于在其内部形成拉力测试所需低温环境的杜瓦；设置在杜瓦内部，用于分别夹持待测试导线的两端并提供不同拉力的夹持及拉力提供装置；设置在杜瓦内部且其下端表面呈弧状，用于将待测试导线的中部套设在该弧面上的辅助夹持装置；其中待测试导线与直流电源构成一个回路，并且在该待测试导线上分别设置有用于测量其一定长度上的电压变化的电压检测器和用于检测其自身应变状况的应变传感器。本发明还公开了相应的拉力测试方法。按照本发明，可以在测量应变的同时测量临界电流，并能够提高低温拉力测试的准确性，便于操作。

Description

高温超导导线拉力测试设备及其测试方法

技术领域

本发明属于超导技术领域，更具体地，涉及一种高温超导导线拉力测试设备及其相应的测试方法。

背景技术

超导技术是利用某些物质在温度降低到一定值时电阻会消失的超导电性来研究其性质、功能以及研制开发超导材料、超导器件的技术。超导材料包括金属低温超导材料、陶瓷高温超导材料和有机超导材料等。超导技术的开发和应用对军事技术、科学实验和医疗卫生等具有重大价值。由于超导材料的临界温度T_c（即超导材料由有电阻状态变成无电阻状态时的温度）、临界磁场H_c（即超导材料在一定温度和无电流的情况下，超导电性消失时的磁场阈值）和临界电流I_c（即超导材料由超导态转变为正常态的电流密度值）等指标直接影响到超导体的性能，在实践中不断寻找具备更大数值的T_c、H_c和I_c的超导材料，以便更为广泛的实际应用。

所谓高温超导材料，是指具有高临界转变温度（T_c）能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。其中的高温超导导线性能近年来获得了长足的提高，随之带动了高温超导装置比如高温超导磁储能装置、电机、变压器、限流器和高场磁体等的巨大发展。这些装置的核心部件就是用高温超导导线绕制而成的超导磁体。超导磁体电流密度大，产生的磁场强，因此高温超导导线会承受强大的电磁力。为了保证高温超导导线在正常工作和故障状态下不会受电磁力的损害而出现大的性能退化，保证高温超导磁体的安全工作，在高温超导磁体设计之前必须进行高温超导导线拉力试验。高温超导导线拉力试验主要是测量不同温度，不同的应力应变下高温超导导线的临界电流，即导线在不同温度下的机械性能和电气性能，从而获得设计所需的基础数据。

现有技术的对高温超导导线的试验方法是：（1）制作超导导线样品；（2）把样品夹持在拉力机上，在室温下分别加载不同的应力，测得对应的应变；（3）再把样品放入低温环境，测量发生不同应变时导线一定长度上的电压变化也即临界电流，从而得到应力—应变—超导导线临界电流的对应关系。这种试验方法的缺陷在于：高温超导磁体一般工作在20K-77K的低温温区，磁体设计时需要的数据是不同低温温度下的应力应变和临界电流的对应曲线，而现在通行的试验方法是在室温下先加载应力，使导线发生应变，然后将带材置于低温下测量临界电流，实际上此时导线因为冷致收缩的原因，应变已经没有在室温下那么大而是缩小了。相应地，这种测试方法所得到的应力-应变-临界电流对应曲线不是真正意义上的不同低温温度下的应力-应变-临界电流的对应曲线。

发明内容

针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种高温超导导线拉力测试设备及其相应的测试方法，其通过将高温超导导线直接置于低温环境下并对其加载不同应力，在测量应变的同时测量临界电流，相应地可以提高低温拉力测试的准确性，并便于操作。

按照本发明的一个方面，提供了一种高温超导导线拉力测试设备，所述设备包括：

杜瓦，该杜瓦内部贮存有低温液体以形成拉力测试所需的低温环境；

夹持及拉力提供装置，该夹持及拉力提供装置设置在杜瓦内部，用于分别夹持待测试导线的两端并对待测试导线在每次拉力测试中提供不同的拉力；

辅助夹持装置，该辅助夹持装置设置在杜瓦内部处于所述夹持及拉力提供装置的下方，其下端表面呈弧状，用于将待测试导线的中部套设在该弧面上并与所述夹持及拉力提供装置共同完成对待测试导线的夹持定位；其中

待测试导线通过电源线与直流电源构成一个回路，并且在该待测试导线上分别设置有用于测量其一定长度上的电压变化的电压检测器和用于检测其自身应变状况的应变传感器，由此当通过夹持及拉力提供装置对待测试导线提供不同的拉力测试时，所述电压检测器和应变传感器获知该导线在各种拉应力情况下的临界电流和应变状况。

通过以上构思，由于在低温环境下同时测量特定力下高温超导导线的临界电流和应变，可以较大程度地提高低温拉力测试的准确性；此外，整体设备结构紧凑、便于操作，尤其通过辅助夹持装置对导线中部进行支撑定位，能够保证圆导线或扁平带材之类的高温超导导线在测试过程中不易偏移断裂，并有助于提高测试结果的可靠性。

作为进一步优选地，所述夹持及拉力提供装置包括竖直设置并与拉力机相连由此提供拉力的主拉杆、与该主拉杆固定相连的水平横梁、分别沿着竖直方向固定连接在所述横梁左右两侧的副拉杆，以及设置在各个副拉杆下端用于对待测试导线两端分别予以夹持的夹具。

通过以上构思的夹持及拉力提供装置具体构造，可以以简单结构来为待测试的高温超导导线两端提供了左右对称的、基本相等的拉力，并通过和辅助夹持装置的配合，方便了对待测试导线的装夹。

作为进一步优选地，所述夹具由导电性材料制成，所述电源线直接与该导电性夹具相连，由此实现待测试导线与所述电源之间的电连接。

通过将夹具设置为由导电性材料制成，这样在对高温超导导线执行实际拉力测试的过程中，可以通过夹具直接向高温超导导线供电，省略了高温超导到导线和电源线焊接的工序，也避免了焊接过程中可能对高温超导导线机械性能的影响，相应地，简化了操作步骤同时有助于提高测试结果的精确性。

作为进一步优选地，所述待测试导线被夹持的两端位置处包裹有金属片。

由于高温超导导线在执行低温拉力测试的过程中容易从夹具处产生断裂，为了避免此种情况的发生，通过在待测试导线被夹持的两端位置处包裹有譬如铜片的金属片，可以增加导线在此位置的强度，避免在低温拉力测试时断裂，由此保证低温拉力测试的顺利进行。而且，金属片还可以为超导导线分流，即使超导导线由于夹具夹持的原因出现性能衰退也不影响试验的进行，金属片与高温超导导线之间可以譬如通过焊接的方式包裹。

作为进一步优选地，所述待测试导线为圆导线或扁平带材，所述辅助夹持装置的弧面宽度大于该圆导线的直径或扁平带材的宽度。

通过将辅助夹持装置用于套设高温超导导线的弧面宽度设定为大于导线自身的直径或宽度，这样可以防止导线在试验时滑脱，此外，可以避免弧面过窄可能对导线造成的损伤。

按照本发明的另一方面，提供了相应的对高温超导导线执行拉力测试的方法，该方法包括以下步骤：

制作待测试的高温超导导线样品，在待测试导线上分别设置用于测量其一定长度上的电压变化的电压检测器和用于检测其自身应变状况的应变传感器；

通过夹持及拉力提供装置分别夹持导线样品的两端，然后将待测试导线的中部套设在处于杜瓦内部的夹持辅助装置的外圆弧面上并使其绷紧；

向杜瓦中加装低温液体以提供低温试验环境；

对夹持及拉力提供装置产生不同的拉力，相应获取被测试导线在各种拉应力情况下的临界电流和应变状况，由此完成整个低温拉力测试过程。

总体而言，按照本发明的高温超导导线拉力测试设备及其测试方法，与现有技术相比，主要具备以下的优点：

1、由于在低温环境下同时测量特定拉应力下导线的临界电流和应变，可以较大程度地提高低温拉力测试的准确性，此外，通过采用辅助夹持装置与导线两端夹持装置的配合，能够保证圆导线或扁平带材之类的高温超导导线在测试过程中不易偏移断裂，并有助于提高测试结果的可靠性；

2、与常规的测试工序相比减少了部分步骤，相应能够节约制作样品的导线长度，同时便于操作；通过对样品的夹持位置提供金属片包裹，可以避免在低温拉力测试时发生断裂，同时还可以为超导导线分流，由此保证测试过程的顺利进行。

附图说明

图1是按照本发明的用于对高温超导导线执行拉力测试的整体设备结构示意图，其中：

1 主拉杆  2 横梁  3 副拉杆  4 夹具  5 电源线  6 待测试导线  7 辅助夹持装置  8 应变传感器  9 电压检测器  10 杜瓦  11 低温液体液面

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的高温超导导线拉力测试设备的整体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的拉力测试设备主要包括夹持及拉力提供装置、辅助夹持装置7、和杜瓦10等。杜瓦10譬如为长方体形，可以由良好隔热性能的材料粘合而成，杜瓦10内部装有譬如为液氮的低温液体，由此在杜瓦内部提供拉力测试所需的低温环境。夹持及拉力提供装置设置在杜瓦10内部并处于其上端，用于分别夹持待测试导线6的两端并对它提供不同的拉力。在一个优选实施例中，该夹持及拉力提供装置譬如包括竖直设置并与拉力机相连由此提供拉力的主拉杆1、与主拉杆1固定相连的水平横梁2、分别沿着竖直方向固定连接在横梁2左右两侧的两个副拉杆3，以及设置在各个副拉杆3下端用于对待测试导线6两端分别予以夹持的夹具4。主拉杆1、横梁2和副拉杆3譬如都用不锈钢制成，主拉杆1和横梁2之间、横梁2和副拉杆3之间都用螺杆和螺母固定，由此通过主拉杆1、横梁2和副拉杆3之间力的传递，就可以为待测试高温超导导线两端提供左右对称的、基本相等的拉力。在另外一个优选实施例中，夹具4可以譬如由铜合金之类的导电性材料制成，由此既保证了足够的机械强度，又保证了足够好的导电性。

在杜瓦10的内部下端，设置有辅助夹持装置7。该辅助夹持装置7的下端表面呈弧状，由此便于将待测试导线6的中部套设在该弧面上，并与夹持及拉力提供装置共同完成对待测试导线的夹持定位。辅助夹持装置7譬如是用环氧树脂板材加工而成，整体形状例如为圆盘或其他适当外形，圆盘半径50mm，大于带材最小弯曲半径5.5mm，弧面光滑，宽度为10mm，大于SCS4050带材宽度4mm，由此可以防止导线在试验时滑脱；此外，可以避免弧面过窄可能对导线造成的损伤。辅助夹持装置7圆盘譬如通过螺栓螺母固定在另一块立板上，立板固定在杜瓦10底部，由此保证辅助夹持装置7固定不动，只有拉力机带动夹持及拉力提供装置向上运动，为待测试导线6提供拉力。

待测试导线6通过电源线5与直流电源构成一个回路，并且在待测试导线6上分别设置有应变传感器8和电压检测器9。电源线5譬如为横截面为100平方毫米的铜导线，直流电源譬如为Agilent6681A，由此可以为待测试导线6提供最大580A的直流电流。待测试导线譬如为SuperPower公司生产的型号为SCS4050的高温超导导线，宽4mm，厚0.1mm，该导线的超导层是是第二代高温超导材料YBCO，该导线形状是扁带材，该导线的液氮温度（77.3K）下，自场临界电流约为125A。待测试高温超导导线的临界电流采用四引线法测量，即直流电源通过电源线为待测试导线供电，通过电压检测器9的电压变化来判断是否失超，失超判据为1μV/cm。电压检测器9譬如为两根漆包线，两根漆包线间的高温超导导线长度为4cm，两根漆包线间的电压送入Keithley2700数据采集卡，就可以记录两根漆包线间的电压变化。Keithley2700数据采集卡精度为0.1μV，该精度足以分辨出4cm长高温超导导线上细微的电压变化。在一定拉力下，认为电压检测器9上的电压上升量为4μV时就认为待测试导线失超，此时的直流电源输出电流即为该应力应变对应的临界电流。应变传感器8譬如为布拉格光栅，布拉格光栅可以在低温下准确测量待测试导线6的应变。

下面将以SCS4050带材为例，具体介绍按照本发明的拉力测试方法。

（1）制作样品，在制作样品过程中可以在导线两端焊上铜片，铜片厚度为0.5mm，宽度为8mm，大于SCS4050带材宽度4mm，长度为40mm，长于夹具4夹口的长度，这样可以增加导线在此位置的强度，避免在低温拉力测试时断裂；而且铜片还可以为超导导线分流，即使超导导线由于夹具夹持的原因出现性能衰退也不影响试验的进行。然后，在待测试导线上焊接两根漆包线作为测量电压变化的电压检测器9，两根漆包线焊点间的距离例如为4cm，再在待测试导线上用低温胶粘接布拉格光栅，将其作为用于检测其自身应变状况的应变传感器8。

（2）通过夹持及拉力提供装置分别夹持SCS4050带材样品的两端，然后将其中部套设在处于杜瓦内部的夹持辅助装置7的下半圆弧面上并使其绷紧。

（3）向杜瓦10中加装液氮，提供例如为77.3K左右的低温试验环境。

（4）通过拉力机产生不同的拉力，相应获取被测试导线在各种拉应力情况下的临界电流和应变状况，由此完成整个低温拉力测试过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温超导导线拉力测试设备，其特征在于，所述设备包括：

杜瓦（10），该杜瓦（10）内部贮存有低温液体以形成拉力测试所需的低温环境；

夹持及拉力提供装置，该夹持及拉力提供装置设置在杜瓦（10）内部，用于分别夹持待测试导线（6）的两端并对待测试导线在每次拉力测试中提供不同的拉力；

辅助夹持装置（7），该辅助夹持装置（7）设置在杜瓦（10）内部处于所述夹持及拉力提供装置的下方，其下端表面呈弧状，用于将待测试导线（6）的中部套设在该弧面上并与所述夹持及拉力提供装置共同完成对待测试导线的夹持定位；其中

待测试导线（6）通过电源线（5）与直流电源构成一个回路，并且在该待测试导线上分别设置有用于测量其一定长度上的电压变化的电压检测器（9）和用于检测其自身应变状况的应变传感器（8），由此当通过夹持及拉力提供装置对待测试导线提供不同的拉力测试时，所述电压检测器（9）和应变传感器（8）获知该导线在各种拉应力情况下的临界电流和应变状况。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述夹持及拉力提供装置包括竖直设置并与拉力机相连由此提供拉力的主拉杆（1）、与该主拉杆（1）固定相连的水平横梁（2）、分别沿着竖直方向固定连接在所述横梁（2）左右两侧的副拉杆（3），以及设置在各个副拉杆（3）下端用于对待测试导线（6）两端分别予以夹持的夹具（4）。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述夹具（4）由导电性材料制成，所述电源线（5）直接与该导电性夹具相连，由此实现待测试导线（6）与所述电源之间的电连接。

4.如权利要求1-3任意一项所述的设备，其特征在于，所述待测试导线（6）被夹持的两端位置处包裹有譬如铜片的金属片。

5.如权利要求1-4任意一项所述的设备，其特征在于，所述待测试导线为圆导线或扁平带材，所述辅助夹持装置（7）的弧面宽度大于该圆导线的直径或扁平带材的宽度。

6.一种采用权利要求1-5任意一项所述的设备对高温超导导线执行拉力测试的方法，该方法包括以下步骤：

（1）制作待测试的高温超导导线样品，然后在待测试导线上分别设置用于测量其一定长度上的电压变化的电压检测器和用于检测其自身应变状况的应变传感器；

（2）通过夹持及拉力提供装置分别夹持导线样品的两端，然后将待测试导线的中部套设在处于杜瓦内部的夹持辅助装置的外圆弧面上并使其绷紧；

（3）向杜瓦中加装低温液体以提供低温试验环境；

（4）对夹持及拉力提供装置产生不同的拉力，相应获取被测试导线在各种拉应力情况下的临界电流和应变状况，由此完成整个低温拉力测试过程。

Images