CN102735964A - 一种高温超导带材多场特性测量装置 - Google Patents

Abstract

一种高温超导带材多场特性测量装置，其第一施力杆（6）的上端与螺栓（14）下端连接，第一施力杆（6）的下端与支架板（10）连接，并与施力弹簧（8）的上端接触。第二施力杆（7）的上端与支架板（10）连接，并与施力弹簧（8）的下端接触，第二施力杆（7）的下端与施力板（9）上端接触，施力板（9）下端与被测超导带材（4）接触。两个连接杆（5）的下端固定在超导带材样品架（3）上，上端固定在杜瓦容器上盖板（11）上。被测超导带材电流引线（12）的一端压接在被测超导带材（4）的两端，另一端穿出杜瓦容器的上盖板（11）；被测超导带材测量引线（13）的一端间隔焊接在被测超导带材（4）的表面，另一端穿出杜瓦容器的上盖板（11）。

Description

一种高温超导带材多场特性测量装置

技术领域

本发明涉及一种高温超导带材多场特性测量装置。

背景技术

1986年，德国科学家贝德诺兹（J.G.Bednorz）和瑞士科学家米勒（K.A.Muller）制备出临界温度Tc为35K的镧钡铜氧（La-Ba-Cu-O）铜氧化物超导体，引发了全球范围内研究高温超导材料的热潮，高温超导材料取得迅速发展。目前，高温超导材料制备技术已经成熟，高温超导带材已经商业化，从而使得高温超导技术在电力、通讯、医疗等方面的应用开始走向市场，步入应用阶段。目前，国际和国内研制的高温超导电缆、变压器、限流器等均已挂入电网试运行，小型超导储能装置，超导医用成像装置，超导滤波器等已步入市场。

高温超导装置如限流器、超导电机、超导医用成像装置等的核心部件是超导线圈（磁体），所以对高温超导线圈的研究，既是高温超导应用的重要方面，也是超导应用的基础性工作，同时也是高温超导应用所面临和急需解决的关键问题。因此，对高温超导线圈的研究具有特殊的重要意义。高温超导应用要求超导体应具有小的损耗和高的稳定性。而在实际应用中，绝大多数用电器通常采用交流供电，即交流应用是最普遍、最广泛的情况，也是超导应用的一个最重要的方向。然而，在交流状态下，超导体的交流损耗在所难免。由于高温超导体交流损耗的大小直接关系到超导装置的效率与运营成本，而失超传播与保护则影响到高温超导装置的可靠性与安全性，所以，在超导装置的设计和实际应用中，必须清楚高温超导体的交流损耗大小、最小失超能量、及失超传播（正常区传播）速度等特性，设计失超保护系统，以确保超导装置的长期稳定安全运行。故关于超导材料与线圈的交流损耗与失超传播特性的研究一直是应用超导研究的重要方面。

目前关于高温超导带材的交流损耗与失超传播的文献和专利，大多是在只有磁场、温度或应力等单一变化场环境下测量带材的损耗和一维失超传播情况，其测量环境，如磁场背景，热传导环境，机械应力/应变情况与带材在线圈中所处的实际环境有较大差别。在线圈中，超导带材所处的磁场与应力/应变作用、及传热环境比单场环境要复杂得多。如果用实际的高温超导线圈去测量，则造价太高、难度大且不能更换被测样品。

发明内容

本发明的目的是克服现有测量装置大多是在单一变化外场下测量单根带材的损耗和一维失超传播特性，其测量环境与带材在线圈中所处的实际环境有较大差别的缺点，提出一种高温超导带材多场特性测量装置。本发明可以测量绕制高温超导线圈的高温超导带材在不同温度区间、不同曲率半径、不同应力及不同磁场环境下的临界电流、交流损耗和失超传播特性。

使用本发明测量装置测量临界电流使用四引线法，测量交流损耗采用电测法，即使用锁相放大器测量样品中与电流同相的电压分量的方法，失超传播的测量则是通过给样品施加热脉冲激发一个正常区，测量脉冲点两侧不同位置的电压和温度的变化，从而得到最小失超能及失超传播速度。

被测超导带材的电流引线和背景磁体的电流引线均与电源连接，以便为其供电。测量交流损耗实验时所使用的锁相放大器与被测超导带材测量引线连接，放置在杜瓦容器外面。测量失超传播特性实验时，将加热丝缠绕在被测超导带材上，以备实验时给高温超导带材提供一个热冲击，加热丝两端接有脉冲电源，以便给加热丝供电。

本发明可以模拟高温超导带材在高温超导线圈中所处的热传导环境，所受的应力环境和电磁环境，使得高温超导带材的临界电流、交流损耗与失超传播特性测量更接近于高温超导带材的实际工作环境，并且能够方便地反复测量不同样品，从而可以更加准确地获得高温超带材在真实工作环境情况下的特性参数。

本发明的高温超导带材多场特性测量装置包括杜瓦容器、背景磁体、超导带材样品架、连接杆、螺栓、第一施力杆、第二施力杆、施力弹簧、施力板、支架板、被测超导带材电流引线、被测超导带材测量引线，以及背景磁体的电流引线。

本发明的高温超导带材多场特性测量装置中,在所述的杜瓦容器内安装有用以产生背景磁场的背景磁体，用于提供被测超导带材在高温超导线圈中的磁场环境。被测高温带材放置在圆弧形样品架上，通过安装在杜瓦容器的上盖板的螺栓、第一施力杆和第二施力杆以及施力弹簧和施力板给被测超导带材施加作用力，以模拟超导带材在磁体中所受安培力的情况。螺栓穿过杜瓦容器的上盖板，与杜瓦容器的上盖板螺纹配合。第一施力杆的上端与螺栓的下端连接，通过螺栓控制第一施力杆的施力大小。第一施力杆的下端与支架板连接，第一施力杆与施力弹簧上端接触。第二施力杆与支架板连接，第二施力杆并与施力弹簧下端接触。第二施力杆的下端与施力板的上端接触，施力板的下端与被测超导带材接触，用来施加力。两个连接杆对称布置在超导带材样品架的两侧，两个连接杆的下端固定在超导带材样品架上，两个连接杆的上端与杜瓦容器的上盖板连接。两根被测超导带材电流引线的一端压接在被测超导带材的两端，两根被测超导带材电流引线的另一端从杜瓦容器的上盖板穿出。被测超导带材测量引线的一端按一定间距焊接在被测超导带材的表面，被测超导带材测量引线的另一端从杜瓦容器的上盖板穿出。旋转螺栓通过第一施力杆给施力弹簧施加力，并通过施力弹簧给第二施力杆施加力，第二施力杆对施力板施加压力，最后施力板给超导带材样品架上的高温超导带材施加压力，所施加的压力的读数通过与第二施力杆接触的施力板上表面的压力传感器得到，从而模拟超导线圈在不同应力环境下的特性。

所述的超导带材样品架的带材放置位置为圆弧形，施力板的下表面与超导带材样品架对应，也为圆弧形。被测超导带材压在超导带材圆弧形样品架上形成圆弧形，以再现高温超导带材在高温超导线圈中的形状，使测量结果更接近实际情况。

所述的被测超导带材样品架的圆弧形下表面间隔一定距离开有槽，引出被测超导带材测量引线。

本发明的模拟测量装置中，通过更换不同曲率半径的超导带材样品架和相对应的施力板可以测量超导带材在不同曲率半径下的临界电流、交流损耗和失超传播性能。

所述的超导带材样品架通过对称布置在螺栓两侧的两个连接杆固定在低温杜瓦容器上盖板的下方。

所述的超导带材样品架、连接杆、施力杆、支架板、施力板、背景磁体、被测超导带材电流引线、被测超导带材测量引线、背景磁体的电流引线均处于低温容器中。低温容器内充有液氮，以提供低温环境。

所述的超导带材样品架、连接杆、施力杆、支架板以及施力板等均用环氧材料制成。

所述背景磁体的电流引线可以接直流电源也可以接交流电源，以提供直流背景磁场和交流背景磁场两种环境。

被测超导带材为高温超导带材时，可以直接通过向所述的低温容器内输入液氮达到实验用低温环境，从而节约成本。

附图说明

图1为本发明测量装置组成示意图，图中：1杜瓦容器、2背景磁体、3超导带材样品架、4被测超导带材、5连接杆、6第一施力杆、7第二施力杆、8施力弹簧、9施力板、10支架板、11杜瓦容器上盖板、12被测超导带材电流引线、13被测超导带材测量引线、14螺栓、15背景磁体的电流引线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明高温超导带材多场特性测量装置包括杜瓦容器1、背景磁体2、超导带材样品架3、连接杆5、螺栓14、第一施力杆6、第二施力杆7、施力弹簧8、施力板9、支架板10、被测超导带材电流引线12、被测超导带材测量引线13，以及背景磁体的电流引线15。

所述的杜瓦容器1内安装有背景磁体2，被测超导带材4放置在超导带材样品架3上。螺栓14穿过杜瓦容器的上盖板，与杜瓦容器的上盖板螺纹配合。通过安装在杜瓦容器上盖板11下的第一施力杆6和第二施力杆7，以及施力弹簧8和施力板9给被测超导带材4施加作用力。第一施力杆6的上端与螺栓14的下端连接，通过螺栓14控制其施力大小。第一施力杆6的下端与支架板10连接，第一施力杆6与施力弹簧8的上端接触；第二施力杆7的上端与支架板10连接，并与施力弹簧8的下端接触，第二施力杆7的下端与施力板9的上端接触，施力板9的下端与被测超导带材4接触，用于施加力；两个连接杆5对称分布在超导带材样品架3的两侧，两个连接杆5的下端固定在超导带材样品架3上，两个连接杆5的上端固定在杜瓦容器上盖板11上。背景磁体2、超导带材样品架3、被测超导带材4、被测超导带材电流引线12、被测超导带材测量引线13、背景磁体的电流引线15均置于杜瓦容器1中，低温容器1内充有液氮，以提供低温环境。两根被测超导带材电流引线12的一端压接在被测超导带材的两端，两根被测超导带材电流引线12的另一端从杜瓦容器的上盖板11穿出。被测超导带材测量引线13的一端以一定间距间隔焊接在被测超导带材表面，被测超导带材测量引线13的一端从杜瓦容器的上盖板11穿出。

所述的被测超导带材样品架3的圆弧形下表面间隔一定距离开有槽，以引出被测超导带材测量引线13。

本发明工作过程如下：

高温超导带材的临界电流采用四引线法测量。高温超导带材短样固定在超导带材样品架3上，高温超导带材短样的两端放入由铜材制作的电流引线夹内，并在超导带材表面一定间距焊接电势引线。旋转所述的螺栓14，通过第一施力杆6给施力弹簧8施加力，通过施力弹簧8给第二施力杆7施加力，第二施力杆7对施力板9施加压力，最后施力板9给超导带材样品架3上的高温超导带材短样施加压力。所施加的压力大小通过置于施力板9上的压力传感器得到。测量高温超导带材时，向容器内输入液氮，达到实验所需的低温环境，根据所需的磁场环境给背景磁体通电。通过更换不同曲率半径的超导带材样品架和相对应的施力板可以测量高温超导线圈中超导带材在不同曲率半径下的临界电流，通过在杜瓦容器中放置温度探头，可以得到工作温度的大小。通过改变压力、曲率、磁场和温度参数，可以得到的综合环境下（多场下）超导带材的临界电流值。

超导带材的交流传输损耗采用电测法测量。本发明高温超导带材多场特性测量装置的优势在于可以测量超导带材在不同温度、不同应力、不同曲率和磁场环境中的交流损耗特性。交流损耗测量的关键在于准确测得样品中电流同相的电压降。被测超导带材为高温超导带材时，通过向容器内输入液氮，达到实验所需的低温环境，然后通过背景磁体的电流引线给背景磁体通电，达到需要的磁场环境，通过被测超导带材电流引线给被测超导带材通电，将被测超导带材测量引线与锁相放大器连接，通过螺栓14、第一施力杆6、第二施力杆7给被测超导带材施加压力，压力大小通过置于施力板10上的测试应力的压力传感器得到，用锁相放大器来测量损耗电压，用数字多用表与电流传感器测量电流，待电流和锁相放大器读数稳定后，同时采集锁相放大器X分量和数字电压表的读数，通过仪器控制及数据采集部分完成实验数据的采集和计算，然后改变压力、磁场强度及更换不同曲率半径的超导带材样品架3和相对应的施力板9再进行测量。

测量超导带材的失超传播特性时，对于高温超导带材，向低温容器1内输入液氮，达到实验所需的低温环境，通过背景磁体的电流引线15给背景磁体2通电，达到需要的磁场强度，通过被测超导带材电流引线13给被测超导带材4通电，将加热丝缠绕在被测超导带材上，以备实验时给高温超导带材提供一个热冲击，加热丝两端接有脉冲电源，以便给加热丝供电。通过螺栓14、第一施力杆6、第二施力杆7给被测超导带材4施加压力，压力大小通过置于施力板9上的测试应力的压力传感器得到，通过脉冲电源给加热丝通脉冲电流，用加热丝给被测超导带材4提供一个热冲击，使其失超后，通过测量沿着样品带材的电压和温度的变化，从而获得最小失超能量和失超传播速度。然后改变压力、磁场大小以及更换不同曲率半径的超导带材样品架3和相对应的施力板9再测量。

所述的超导带材样品架、连接杆、施力杆、支架板以及施力板均使用环氧材料加工制成，以保证其在低温下变形小，具有良好的机械强度。

本发明的优势在于可以测试高温超导带材在不同热传导环境，不同应力，不同曲率和磁场环境中的临界电流、交流损耗和失超传播特性。模拟高温超导带材在高温超导线圈中所处的热传导环境（冷却环境）、所受的应力环境、曲率和电磁环境，使得带材的交流损耗与失超传播特性测量更接近于超导带材实际的工作环境，且能够方便地反复测量不同样品，从而为高温超导装置的失超保护与高温超导线圈（磁体）的设计、及带材制备的结构方案与优化提供更加准确的技术参数与技术指导。

Claims (4)

1.一种高温超导带材多场特性测量装置，其特征在于所述的测量装置包括杜瓦容器（1）、背景磁体（2）、超导带材样品架（3）、连接杆（5）、第一施力杆（6）、第二施力杆（7）、施力弹簧（8）、施力板（9）、支架板（10）、杜瓦容器上盖板（11）、被测超导带材电流引线（12）、被测超导带材测量引线（13）、螺栓（14），以及背景磁体的电流引线（15）；所述的杜瓦容器（1）内安装有背景磁体（2）；第一施力杆（6）的上端与螺栓（14）的下端连接，通过螺栓（14）控制第一施力杆（6）的施力大小；第一施力杆（6）的下端与支架板（10）连接，第一施力杆（6）与施力弹簧（8）的上端接触；第二施力杆（7）的上端与支架板（10）连接，并与施力弹簧（8）的下端接触，第二施力杆（7）的下端与施力板（9）的上端接触，施力板（9）的下端与被测超导带材（4）接触；两个连接杆（5）对称分布在超导带材样品架（3）的两侧，两个连接杆（5）的下端固定在超导带材样品架（3）上，两个连接杆（5）的上端固定在杜瓦容器上盖板（11）上；背景磁体（2）、超导带材样品架（3）、被测超导带材（4）、被测超导带材电流引线（12）、被测超导带材测量引线（13）、背景磁体的电流引线（15）均置于杜瓦容器（1）中，低温容器（1）内充有液氮；两根被测超导带材电流引线（12）的一端压接在被测超导带材（4）的两端，两根被测超导带材电流引线（12）的另一端从杜瓦容器的上盖板（11）穿出；被测超导带材测量引线（13）的一端以一定间距间隔焊接在被测超导带材（4）的表面，被测超导带材测量引线（13）的另一端从杜瓦容器的上盖板（11）穿出。

2.按照权利要求1所述的高温超导带材多场特性测量装置，其特征在于所述的超导带材样品架（3）放置带材的位置为圆弧形，所述的施力板（9）的下表面与超导带材样品架（3）对应，也为圆弧形；被测超导带材（4）浸没在所述杜瓦容器（1）内的液氮中且压在超导带材圆弧形样品架（3）上，使得被测超导带材（4）被弯曲成圆弧形。

3.按照权利要求1所述的高温超导带材多场特性测量装置，其特征在于所述超导带材样品架（3）、连接杆（5）、第一施力杆（6）、第二施力杆（7）、支架板（10）、施力板（9）均采用环氧材料制成。

4.按照权利要求1所述的高温超导带材多场特性测量装置，其特征在于所述的被测超导带材样品架（3）圆弧形下表面间隔一定距离开槽，引出被测超导带材测量引线（13）。

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