CN104965142B - 一种超导体特性测评仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导体特性测评仪，包括，交互终端，用于接收待测超导体理论参数信号的输入；信号测量模块，用于测量待测超导体的测量参数，并对所述测量参数进行处理，得到测量结果；理论值计算模块，用于接收所述交互终端输出的信号，对所述交互终端输出的待测超导体的所述理论参数进行处理，得到理论结果；数据分析模块，用于接收所述测量结果与所述理论结果并进行处理，得到修正结果；显示终端，用于显示所述修正结果，所述显示终端还用于当所述交互终端有所述参数信号输入时，显示所述参数信号。本发明的一种超导体特性测评仪用途广泛、结构简单、成本低廉、使用方便、并能够测量分析多种超导体参数。

Description

一种超导体特性测评仪

技术领域

本发明涉及超导体领域，特别涉及一种超导体特性测评仪。

背景技术

近年来，在超导尤其是高温超导(HTS)材料的研究和制备工艺不断进步，材料性能不断提高的同时，高温超导材料在电力、能源、交通运输、生物医学、测量和军事等领域的应用也得到了快速的发展。高温超导材料的相关特性是高温超导材料实际应用的基础，因此对高温超导材料相关物理参数进行有效测量及对其装置设备的测控，对高温超导材料特性研究及高温超导装置的广泛应用有着重要的意义。

目前很多实用超导装置和系统，都需单独设置一套监控或测试系统，而没考虑移植到其它装置上的通用性；而许多实验装置很少有一套功能齐全的参数测试系统。现有测量仪表方面还没有专门针对超导体进行参数测量的类似于万用表的多功能通用仪表仪器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明利用较低的成本制作一套一体化的多功能的超导体特性测评仪，可实现超导体电压、电流、临界电流曲线、V-I特性曲线、n值、场强、交流损耗、R-T特性曲线、磁化率等的测试与预估。本发明的超导体特性测评仪可广泛用于超导体的特性测评，对于超导装置或系统而言，其既能应用于小型的超导实验样机研究，又能应用于大型超导实验设备的性能研究。

为实现上述发明目的，本发明的一种超导体特性测评仪，包括：交互终端，用于接收待测超导体理论参数信号的输入；

信号测量模块，用于测量待测超导体的测量参数，并对所述测量参数进行处理，得到测量结果；

理论值计算模块，连接所述交互终端，用于接收所述交互终端输出的信号，对所述交互终端输出的待测超导体的所述理论参数进行处理，得到理论结果；

数据分析模块，连接所述信号测量模块与所述理论值计算模块，用于接收所述测量结果与所述理论结果并进行处理，得到修正结果；

显示终端，连接所述数据分析模块，用于显示所述修正结果，所述显示终端还用于当所述交互终端有所述参数信号输入时，显示所述参数信号；

所述超导体为超导短线样品、超导线圈、超导磁体、超导装置中的任一种。

进一步地，所述测量参数包括：待测超导体的电压、电流、场强、温度、应力参数中的一个或一个以上；

所述理论结果包括以下结果中的至少一个：待测超导体的电压特性、电流特性、临界电流曲线、V-I特性曲线、R-T特性曲线、超导n值、场强、交流损耗、磁化率。

进一步地，所述用于接收所述测量结果与所述理论结果并进行处理包括，根据所述测量结果对所述理论结果进行修正，使得修正结果更能反映超导体的实际状态。

进一步地，所述的一种超导体特性测评仪，还包括，控制模块，所述信号测量模块、所述理论值计算模块和所述交互终端分别与所述控制模块连接；

所述交互终端还用于向所述控制模块发送控制信号，控制所述控制模块进行指定参数的测量与指定结果的计算，

所述控制模块用于控制所述信号测量模块测量指定的测量参数、计算指定的测量结果，控制所述理论值计算模块计算与所述指定的测量结果对应的理论结果。

进一步地，所述交互终端包括，

测量参数输入单元，包括M个端口，每个端口对应测量不同的所述测量参数，用于接收所述测量参数的输入，其中M≥1；

测量信号选择单元，用于选择所述测量参数的类型，将所述测量参数的类型发送给所述控制模块；

参数输入单元，用于手动输入所述理论参数，并将所述理论参数发送给所述理论值计算模块；

分析结果选择单元，用于选择所述测量结果的类型，将所述测量结果的类型发送给所述控制模块；

数据传输单元，用于通过传输接口与外部设备进行信息传递；

所述控制模块还用于控制所述信号测量模块测量与所述测量参数的类型对应的测量参数，控制所述信号测量模块与所述理论值计算模块得到与所述测量结果的类型对应的测量结果。

优选的，所述传输接口为GPIB接口、RS458接口、USB接口、RS232接口、蓝牙模块接口中的任意一个。

进一步的，所述数据传输单元还用于通过所述传输接口连接存储设备，存储所述数据分析模块输出的数据。

优选的，所述存储设备可以是U盘、硬盘等具有存储功能的设备。

进一步地，所述交互终端包括，

档位选择单元，用于在选择不同的档位时，得到对应的不同测量结果；

第一信号输入单元，用于根据所述档位选择单元选择的档位的不同，接收与所述选择的档位对应的测量信号；

第二信号输入单元，用于接收与所述测量结果对应的所述理论参数信号；

第三信号输入单元，用于提供可控电流、电压信号，提供测量的标准参考信号；

所述控制模块还用于控制所述信号测量模块测量与所述选择的档位对应的测量信号，控制所述信号测量模块与所述理论值计算模块得到与所述选择的档位对应的测量结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果

1、本发明的一种超导体特性测评仪的信号测量模块通过测量多种超导体参数，如，电压、电流、场强、温度、应力等基本参数，并通过对超导体参数的计算，得到多种特性统计结果，如电流特性、临界电流曲线、V-I特性曲线、n值、场强、交流损耗、R-T特性曲线等；本发明的一种超导体特性测评仪的数据分析模块，通过将理论值与测量值做对比分析，得到修正的统计结果，使得数据更加真实有效。

2、本发明的一种超导体特性测评仪的控制模块，通过对信号测量模块和理论值计算模块的控制，提高了测评仪的测量效率。

3、本发明的一种超导体特性测评仪的交互终端，提供不同方式的交互面板，方便操作人员进行操作，进一步提高了测量效率

附图说明

图1是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的模块框图。

图2是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的模块框图。

图3本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的内部结构图。

图4是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的交互面板结构图。

图5是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的交互面板结构图。

图6是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的超导体结构示意图。

图7是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的临界电流及I-V特性曲线测量流程图。

图8是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的超导线圈临界电流分布的理论修正图。

图9是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的V-I特性曲线测量曲线和理论曲线对比图。

图10是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的R-T特性测评流程图。

图11是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的R-T特性曲线测评结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

图1所示为本发明一个实施例示出的超导体特性测评仪模块框图，包括：交互终端1，用于接收待测超导体理论参数信号的输入；

信号测量模块2，用于测量待测超导体的测量参数，并对所述测量参数进行处理，得到测量结果；

具体的，测量设备集成于所述信号测量模块中包括，所述测量设备包括霍尔电流传感器，测量电压的多功能数字电压表，测量温度的数字温度测量仪，测量场强所用的高斯计等。

理论值计算模块3，连接所述交互终端1，用于接收所述交互终端1输出的信号，对所述交互终端1输出的待测超导体的所述理论参数进行处理，得到理论结果；

数据分析模块4，连接所述信号测量模块2与所述理论值计算模块3，用于接收所述测量结果与所述理论结果并进行处理，得到修正结果；

显示终端5，连接所述数据分析模块4，用于显示所述修正结果，所述显示终端5还用于当所述交互终端1有所述参数信号输入时，显示所述参数信号；

所述超导体为超导短样、超导线圈、超导磁体、超导装置中的任一种。

具体的，所述测量参数包括：待测超导体的电压、电流、场强、温度、应力参数中的一个或一个以上；

所述理论结果包括以下结果中的至少一个：待测超导体的电压特性、电流特性、临界电流曲线、V-I特性曲线、R-T特性曲线、超导n值、场强、交流损耗、磁化率。

进一步地，所述数据分析模块用于接收所述测量结果与所述理论结果并进行处理包括，根据所述测量结果对所述理论结果进行修正，使得修正结果更能反映超导体的实际状态。

本发明的一种超导体特性测评仪的信号测量模块通过测量多种超导体参数，如，电压、电流、场强、温度、应力等基本参数，并通过对超导体参数的计算，得到多种特性统计结果，如电流特性、临界电流曲线、V-I特性曲线、n值、场强、交流损耗、R-T特性曲线等；本发明的一种超导体特性测评仪的数据分析模块，通过将理论值与测量值做对比分析，得到修正的统计结果，使得数据更加真实有效。

图2所示是本发明一个实施例示出的超导体特性测评仪模块框图，包括上述发明内容，还包括，控制模块6，所述信号测量模块2、所述理论值计算模块和所述交互终端1分别与所述控制模块1连接，

所述交互终端1还用于向所述控制模块6发送控制信号，控制所述控制模块6进行指定参数的测量与指定结果的计算，

所述控制模块6用于控制所述信号测量模块测量指定的测量参数、计算指定的测量结果，控制所述理论值计算模块3计算与所述指定的测量结果对应的理论结果。

图3所示是本发明的一种超导体特性测评仪的一个具体实施例的内部结构图。所述控制模块内部的功能选择模块用于根据所述交互终端输入的信号，判断并控制所述信号测量模块、所述理论值计算模块启动对应的参数测量或/和参数计算，所述控制器内部的协同模块用于使所述信号测量模块与所述理论值计算模块同步运行。

本发明的一种超导体特性测评仪的控制模块，通过对信号测量模块和理论值计算模块的控制，提高了测评仪的测量效率。

图4所示是本发明一个实施例示出的交互终端面板图，

具体的，在一个实施例中，参看图3，所述交互终端1包括：测量参数输入单元11，包括M个端口，每个端口对应测量不同的所述测量参数，用于接收所述测量参数的输入，其中M≥1；

测量信号选择单元12，用于选择所述测量参数的类型，将所述测量参数的类型发送给所述控制模块；

参数输入单元13，用于手动输入所述理论参数，并将所述理论参数发送给所述理论值计算模块；

分析结果选择单元14，用于选择所述测量结果的类型，将所述测量结果的类型发送给所述控制模块，所述测量结果的类型会显示在显示模块5中，通过切换键15在不同的所述测量结果的类型之间进行切换；

数据传输单元16，用于通过传输接口与外部设备进行信息传递；

所述控制模块还用于控制所述信号测量模块测量与所述测量参数的类型对应的测量参数，控制所述信号测量模块与所述理论值计算模块得到与所述测量结果的类型对应的测量结果。

具体的，所述传输接口为GPIB接口、RS458接口、USB接口、RS232接口、蓝牙模块接口中的任意一个。

具体的，所述数据传输单元还用于通过所述传输接口连接存储设备，存储所述数据分析模块输出的数据。

作为一种优选，所述存储设备可以是U盘、硬盘等具有存储功能的设备。

图5所示是本发明一个实施例示出的交互终端面板图，

具体的，在一个实施例中，参看图4，所述交互终端包括1，

档位选择单元111，用于在选择不同的档位时，得到对应的不同测量结果；

第一信号输入单元112，用于根据所述档位选择单元选择的档位的不同，接收与所述选择的档位对应的测量信号；

第二信号输入单元113，用于接收与所述测量结果对应的所述理论参数信号；

第三信号输入单元114，用于提供可控电流、电压信号，提供测量的标准参考信号；

具体的，例如，所述标准参考信号为用于磁场强度测试的场强信号、测量与温度有关的数据时，提供温度信号等。

所述控制模块6还用于控制所述信号测量模块2测量与所述选择的档位对应的测量信号，控制所述信号测量模块2与所述理论值计算模块3得到与所述选择的档位对应的测量结果。

实施例1

本实施例对超导线圈的临界电流分布进行测试。

图6示出的是本发明的超导体特性测评仪一个具体实施例的超导线圈结构示意图，本实施例中的超导线圈是采用0.36mm×6.9mm的带材Bi-2223绕制而成，其实际高温超导材料部分为0.28mm×4.2mm，外部是基带层、隔离层和保护层，线圈整体由三个串联的线饼组成，每个线饼绕制了21匝35层，线饼之间相距6mm，单个线饼的高度为145mm，整个线圈的高度为453mm，线圈的内半径为68mm，绕制的厚度为12.6mm。

由于临界电流计算公式为：

其中I_c0为77K温度、自场条件下的标准值；B₀＝1T是拟合常数；B_//以及B_⊥分别为平行和垂直带材Bi-2223带材宽面的磁场分量。因此，当监测的电压达到1μV/cm时，即认为达到临界电流值。

本实施例控制模块选用的是LabVIEW，在LabVIEW中设置好测量模块的通信地址及基本参数设计后便可开始执行测量任务。

具体的，测量步骤如图7所示：

测试初始化步骤：在交互面板选择临界电流测试，设置电压采样速率为每秒采集10个数据点；通过交互面板输入理论参数，具体输入的参数为如图5所示的超导线圈的结构参数与当前工作电流值。

测试步骤：LabVIEW控制所述信号测量模块测量超导线圈不同位置处电压值，当电压值达到1uV/cm时，即认为到达临界电流值；

计算分析步骤：所述理论值计算模块根据给定的理论参数，计算得到超导线圈各个位置处的临界电流分布情况；所述数据分析模块将测试步骤测量到的不同位置处的临界电流值与理论上同一位置处的理论临界电流值进行对比，并根据对比结果，对理论临界电流分布做修正，从而得到更加真实的超导线圈临界电流分布图；所述数据分析模块将所述超导线圈临界电流分布曲线输出到显示模块。

具体的，参考图8，即为上述超导线圈临界电流分布理论修正图。

实施例2

本实施例对超导体的V-I特性曲线进行测试。

由于超导体的直流传输电流特性可以表示为

V＝kIⁿ， (1)

这个等式又可以表示为

V＝e^lnk+nlnI， (2)

为了获得n值，取两点(I_m1,V_m1)及(I_m2,V_m2)，则有，

V_m1＝kI_m1 ⁿ，V_m1＝kI_m1 ⁿ， (3)

假设在I_m2＝I_m1+ΔI_m时，V_m2＝αV_m1，因此n＝lnα/ln(I_m2/I_m1)，

同时n＝lnα/ln(I_m2/I_m1)。

选择I_m1＝I_c，则V_m1＝1uV/cm，

所以lnk＝-nlnI_c，

n＝e^{ln(lnα)-ln[ln(Ic+ΔIm)]}， (4)

则由式(4)可得n值，从而根据式(1)得到V-I特性曲线。

式(4)中，临界电流I_c既可以根据实施例1的测量方法获得，也可以参考材料商家给出的参数；

本实施例控制模块选用的是LabVIEW，在LabVIEW中设置好测量模块的通信地址及基本参数设计后便可开始执行测量任务。

具体的，测量步骤如图7所示：

测试初始化步骤：在交互面板选择V-I特性曲线，设置电压、电流采样速率为每秒采集10个数据点；通过交互面板输入理论参数，具体输入的参数为如图5所示的超导体的结构参数与临界电流值。

测试步骤：LabVIEW控制所述信号测量模块测量超导体不同位置处电压值、电流值；

计算分析步骤：所述理论值计算模块根据给定的理论参数，计算得到超导体的理论V-I特性曲线；所述数据分析模块将测试步骤测量到的不同位置处的电流值、电压值与理论上同一位置处的理论V-I特性进行对比，并根据对比结果，对理论V-I特性曲线做修正，从而得到更加真实的超导体V-I特性曲线图；所述数据分析模块将所述V-I特性曲线输出到显示模块。

具体的，参考图9，即为上述超导体V-I特性曲线测量曲线和理论曲线对比图。

实施例3

本实施例对超导体的R-T特性曲线进行测试。

测量原理如下，

设超导样品的电阻是R，那么根据欧姆定律，流过样品的电流为：

I＝ψ/(R₀+r+R) (5)

类似地，流过样品的电流也可用下式表达：

I＝U/R (6)

由上面两式可得

R＝(R₀+r)*U/(ψ-U) (7)

直流恒压源(电动势为ψ，内阻为r)通过限流电阻R₀给超导被测样品供电，式(7)中，R₀、r、ψ均可通过测量而得。

通过电压测量模块将测量的电压值导入到计算模型当中，即可获得可计算出超导样品的实际电阻值R；同时控制器控制温度测量模块测量超导样品的温度值，在控制器中将计算模型获得的电阻值数据及测量模块获得的温度数据进行数据分析处理，最终形成R-T特性曲线，

具体的，在一个实施例中，测量步骤如图10所示：

测试初始化步骤：在交互面板选择R-T特性曲线，设置电压、温度采样速率为每秒采集10个数据点。

测试步骤：LabVIEW控制所述信号测量模块测量超导体同一时刻不同位置处正向电压值S个、反向电压值S个，计算所述正向电压值与反向电压值的绝对值的平均值，得到S个平均电压值，采集温度值S个；

计算分析步骤：所述理论值计算模块根据上述平均电压参数，计算得到超导体的电阻值；所述数据分析模块由采集到的S个温度值与通过计算得到的相对应的S个电阻值绘制R-T特性曲线，并将所述R-T特性曲线输入到显示模块。

具体的，参考图11，即为上述超导体R-T特性曲线测评结果图。

特别的，对于其他如超导n值、场强、交流损耗等的测量均与上述实施例的测量方法类似，理论值的计算模型均使用现有公式进行计算，在此不再赘述。

本发明的一种超导体特性测评仪的信号测量模块通过测量多种超导体参数，如，电压、电流、场强、温度、应力等基本参数，并通过对超导体参数的计算，得到多种特性统计结果，如电流特性、临界电流曲线、V-I特性曲线、n值、场强、交流损耗、R-T特性曲线等；本发明的一种超导体特性测评仪的数据分析模块，通过将理论值与测量值做对比分析，得到修正的统计结果，使得数据更加真实有效。

上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (8)

1.一种超导体特性测评仪，其特征在于，包括：

交互终端，用于接收待测超导体理论参数信号的输入；

信号测量模块，用于测量待测超导体的测量参数，并对所述测量参数进行处理，得到测量结果；

理论值计算模块，连接所述交互终端，用于接收所述交互终端输出的信号，对所述交互终端输出的待测超导体的所述理论参数进行处理，得到理论结果；

数据分析模块，连接所述信号测量模块与所述理论值计算模块，用于接收所述测量结果与所述理论结果并进行处理，得到修正结果；

显示终端，连接所述数据分析模块，用于显示所述修正结果，所述显示终端还用于当所述交互终端有所述参数信号输入时，显示所述参数信号；

所述超导体为超导短线样品、超导线圈、超导磁体、超导装置中的任一种。

2.根据权利要求1所述的一种超导体特性测评仪，其特征在于，所述测量参数包括：待测超导体的电压、电流、场强、温度、应力参数中的一个或一个以上；

所述理论结果包括以下结果中的至少一个：待测超导体的电压特性、电流特性、临界电流曲线、V-I特性曲线、R-T特性曲线、超导n值、场强、交流损耗、磁化率。

3.根据权利要求1所述的一种超导体特性测评仪，其特征在于，所述数据分析模块用于接收所述测量结果与所述理论结果并进行处理包括：根据所述测量结果对所述理论结果进行修正，使得修正结果更能反映超导体的实际状态。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种超导体特性测评仪，其特征在于，还包括：控制模块，所述信号测量模块、所述理论值计算模块和所述交互终端分别与所述控制模块连接；

所述交互终端还用于向所述控制模块发送控制信号，控制所述控制模块进行指定参数的测量与指定结果的计算，

所述控制模块用于控制所述信号测量模块测量指定的测量参数、计算指定的测量结果，控制所述理论值计算模块计算与所述指定的测量结果对应的理论结果。

5.根据权利要求4所述的一种超导体特性测评仪，其特征在于，所述交互终端包括：

测量参数输入单元，包括M个端口，每个端口对应测量不同的所述测量参数，用于接收所述测量参数的输入，其中M≥1；

测量信号选择单元，用于选择所述测量参数的类型，将所述测量参数的类型发送给所述控制模块；

参数输入单元，用于手动输入所述理论参数，并将所述理论参数发送给所述理论值计算模块；

分析结果选择单元，用于选择所述测量结果的类型，将所述测量结果的类型发送给所述控制模块；

数据传输单元，用于通过传输接口与外部设备进行信息传递；

所述控制模块还用于控制所述信号测量模块测量与所述测量参数的类型对应的测量参数，控制所述信号测量模块与所述理论值计算模块得到与所述测量结果的类型对应的测量结果。

6.根据权利要求5所述的一种超导体特性测评仪，其特征在于，所述传输接口为GPIB接口、RS458接口、USB接口、RS232接口、蓝牙模块接口中的任意一个。

7.根据权利要求5所述的一种超导体特性测评仪，其特征在于，所述数据传输单元还用于通过所述传输接口连接存储设备，存储所述数据分析模块输出的数据。

8.根据权利要求4所述的一种超导体特性测评仪，所述交互终端包括：

档位选择单元，用于在选择不同的档位时，得到对应的不同测量结果；

第一信号输入单元，用于根据所述档位选择单元选择的档位的不同，接收与所述选择的档位对应的测量信号；

第二信号输入单元，用于接收与所述测量结果对应的所述理论参数信号；

第三信号输入单元，用于提供可控电流、电压信号，提供测量的标准参考信号；

所述控制模块还用于控制所述信号测量模块测量与所述选择的档位对应的测量信号，控制所述信号测量模块与所述理论值计算模块得到与所述选择的档位对应的测量结果。