CN108152766A - 一种超导带材磁化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导带材磁化装置，涉及超导材料电磁特性测试。该装置包括磁场单元、线圈组单元、超导样品单元、底座及第一、第二连接组件。磁场单元的第一磁磁场线圈(2)和第二磁场线圈(5)同向绕制在磁场线圈骨架(1)上。线圈组单元的磁场探测线圈(8)绕制在磁场探测线圈支架(7)的T端，补偿线圈(10)绕制在补偿线圈支架(9)上，上述两支架螺纹连接，可调节补偿线圈位置。超导样品单元的拾波线圈(6)和超导带材样品(17)置于第一、第二样品支架(3、4)之间。本发明具有成本低、测量精度高和装置一体化的优点。采用锁相技术，可准确地测量在不同交变磁场强度下，超导带材样品交流磁化率的实部和虚部。
Description
技术领域
本发明涉及超导材料电磁特性测试，具体的说是一种对超导材料交流磁化率的测量装置。
背景技术
超导材料在电力装置的应用日趋广泛，超导材料自身的特征参数如临界电流、临界磁场等将直接关系到超导电力装置的冷却成本及稳定性，目前测试超导材料特征参数的方法主要分为电测法和磁测法，电测法通常需要在超导样品上进行焊接，焊接工艺不仅会对超导样品造成损伤还会引入接触电阻等误差，磁测法则由其非接触测试的优越性被应用于实际测量。其中，交流磁化率测量是非接触磁测法常用的一种有效手段。
目前低温交流磁化装置已经成为研究超导材料电磁特性的一种简单、有效的工具。大部分交流磁化装置多采用细长的螺线管线圈与次级感应线圈同轴组合的结构形式，在细长的螺线管线圈内部对称放置两个参数相同的次级感应线圈，两个次级感应线圈反向串联。当细长的螺线管与交流激励源连通时，在其内部会产生均匀交变磁场，该均匀交变磁场以细长螺线管线圈的中心呈对称分布，在细长螺线管的中心位置，磁场均匀度最高。根据电磁感应原理，两个次级感应线圈产生相同的感应电动势，反向串联后两个次级线圈感应电压相互抵消，以确保无超导样品时次级感应线圈的电压和接近零。这种设计至少有两个不足之处，首先，测量时被研究的超导样品置于两个次级感应线圈之间，且需要紧贴其中一个次级感应线圈，超导样品则偏离了细长螺线管线圈的中心位置，其所处区域的磁场均匀度低于细长螺线管中心位置的磁场均匀度，测量精度相对较低。其次螺线管线圈内的能量只有一部分用于磁化超导样品，能源利用率较低。
此外，有些超导磁化装置还采用亥姆霍兹线圈与次级感应线圈同心同轴组合的结构形式。在亥姆霍兹线圈内外绕制两个匝数不同的次级感应线圈，两个次级感应线圈反向串联，在交流激励源与亥姆霍兹线圈之间串联一个无感电阻。当交流激励源接通后，亥姆霍兹线圈内部产生均匀交变磁场，根据互感器原理，两个次级感应线圈均产生感应电动势，调节两个次级线圈的匝数比，使得反向串联后两个次级线圈的感应电压相互抵消，以确保无超导样品时次级感应线圈的电压和接近零。通过无感电阻两端电压计算出流过亥姆霍兹线圈的电流值，以确定亥姆霍兹线圈产生的均匀交变磁场强度。这种设计需要借助外部高精度的电器元件确定样品所处区域的均匀交变磁场强度，成本高。而且其两个次级感应线圈的感应电压信号往往受线圈的尺寸和匝数影响，补偿精度低，且补偿调节不灵活。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种超导带材磁化装置。
解决问题的技术方案：一种超导带材磁化装置包括磁场单元、线圈组单元、超导样品单元、底座及第一、第二连接组件；所述磁场单元包括磁场线圈骨架、第一磁场线圈和第二磁场线圈，第一磁磁场线圈和第二磁场线圈同向绕制在磁场线圈骨架上，所述第一磁磁场线圈和第二磁场线圈参数相同，所述磁场线圈骨架通过第一、第二连接组件固定于底座上；第一磁场线圈与第二磁场线圈的一对异名端接于第二接线柱上，另外一对异名端分别接于第一、第三接线柱上
所述超导样品单元包括超导带材样品、拾波线圈、第一样品支架和第二样品支架；所述拾波线圈嵌于第一样品支架的矩形M凹槽内，拾波线圈两端的引线从第一样品支架的L槽引出；所述超导带材样品嵌入第二样品支架的样品S槽内；所述第一样品支架和第二样品支架通过凹凸配合构成样品组合支架，拾波线圈的几何中心与超导带材样品的几何中心重合；将所述样品组合支架插入磁场线圈骨架的C孔中，使第一样品支架的P面和磁场线圈骨架的Q面贴合；
所述线圈组单元包括：磁场探测线圈支架、磁场探测线圈、补偿线圈支架和补偿线圈；磁场探测线圈绕制在磁场探测线圈支架的T端，磁场探测线圈的引出线分别接于第四、第五接线端子；
所述磁场探测线圈支架的R’端嵌于磁场线圈骨架的R端口内；补偿线圈绕制在补偿线圈支架上，所述补偿线圈支架的T’端与上述磁场探测线圈支架的T端螺纹连接，可沿轴向移动；
所述补偿线圈和拾波线圈一对同名端接于第一接线端子，另一对同名端分别接于第二、第三接线端子上；
所述磁场单元和线圈组单元同轴；
所述磁场线圈骨架、第一、第二连接组件、底座、磁场探测线圈支架、补偿线圈支架、第一样品支架、第二样品支架均由非导磁且耐低温材料制成。
所述超导带材样品的长度至少大于拾波线圈长度的3倍。
所述拾波线圈的宽度至少为超导带材样品宽度的3倍。
所述底座设有多个液氮流通孔，以便测量超导磁化率时，更快地冷却超导带材磁化装置，保证超导带材样品的工作温度稳定在77K。
所述磁场探测线圈与超导带材样品距离为第一磁磁场线圈有效半径的2-3倍。
所述非导磁且耐低温材料包括环氧树脂、玻璃钢和聚四氟乙烯。
本发明所述的接线柱和接线端子可以集成一个接口。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.由于所述样品组合支架插入磁场线圈骨架的C孔中，使第一样品支架的P面和磁场线圈骨架的Q面贴合，超导带材样品被固定于第一、第二磁场线圈的中间位置，保证超导带材样品处于高磁场均匀度区域，提高超导带材样品磁化率的测量精度。
2.通过补偿线圈支架和磁场探测线圈支架之间的螺纹连接，所述补偿线圈可沿轴向移动，改变其与拾波线圈的距离，方便灵活地调整了补偿信号的大小。此外，可通过缩小螺纹螺距，进一步提高补偿线圈的补偿精度；
3.通过电磁感应原理，根据磁场探测线圈的感应电压信号可以准确地计算出第一、第二磁场线圈产生的均匀交变磁场强度，无需串接外部电器元件，并通过磁场探测线圈支架与磁场线圈骨架的机械连接，完成超导带材磁化装置的一体化设计。
4.所述样品支架可以在均匀交变磁场中360度旋转，改变超导带材样品与均匀交变磁场的夹角，测量在不同角度交变磁场下，样品的磁化信号。
附图说明
图1为超导带材磁化装置装配图
图2为图1中W局部放大图
图3为超导带材磁化装置的零件组成爆炸图
图4为超导样品单元装配图
图5为第一样品支架立体图
图6为第一样品支架的主视图
图7为第一样品支架的俯视图
图8为第一样品支架的左视图
图9为第二样品支架立体图
图10为第二样品支架的主视图
图11为第二样品支架的俯视图
图12为第二样品支架的左视图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明。
一种超导带材磁化装置，参见图1至图12。
该磁化装置包括磁场单元、线圈组单元、超导样品单元、底座及第一、第二连接组件；所述磁场单元包括磁场线圈骨架1、第一磁场线圈2和第二磁场线圈5，第一磁磁场线圈2和第二磁场线圈5同向绕制在磁场线圈骨架1上，所述第一磁磁场线圈2和第二磁场线圈5参数相同，所述磁场线圈骨架1通过第一、第二连接组件13、14固定于底座上，第一、第二连接组件13、14均包括直角形连接件及螺钉螺母；第一磁场线圈2与第二磁场线圈5的一对异名端接于第二接线柱15b上，另外一对异名端分别接于第一、第三接线柱15a、15c上。
所述超导样品单元包括超导带材样品17、拾波线圈6、第一样品支架3和第二样品支架4。所述拾波线圈6嵌于第一样品支架3的矩形M凹槽内，拾波线圈6两端的引线从第一样品支架3的L槽引出。所述超导带材样品17嵌入第二样品支架4的样品S槽内；所述第一样品支架3和第二样品支架4通过凹凸配合构成样品组合支架，拾波线圈6的几何中心与超导带材样品的几何中心重合；将所述样品组合支架插入磁场线圈骨架的C孔中，使第一样品支架3的P面和磁场线圈骨架1的Q面贴合。
所述线圈组单元包括磁场探测线圈支架7、磁场探测线圈8、补偿线圈支架9和补偿线圈10；磁场探测线圈8绕制在磁场探测线圈支架7的T端；磁场探测线圈8的引出线分别接于第四、第五接线端子16d、16e。
所述磁场探测线圈支架7的R’端嵌于磁场线圈骨架1的端口R内；补偿线圈10绕制在补偿线圈支架9上，所述补偿线圈支架9的T’端与上述磁场探测线圈支架7的T端螺纹连接，可轴向移动；
所述补偿线圈10和拾波线圈6的一对同名端接于第一接线端子16a，另一对同名端分别接于第二、第三接线端子16b、16c上。
所述磁场单元和线圈组单元同轴。
所述磁场线圈骨架1、第一、第二连接组件13、14、底座12、磁场探测线圈支架7、补偿线圈支架9、第一样品支架3、第二样品支架4、支架11均由非导磁且耐低温材料制成。
在底座12上设有支架11，支撑线圈组单元。
所述超导带材样品17的长度至少大于拾波线圈6长度的3倍。
所述拾波线圈6的宽度至少为超导带材样品17宽度的3倍。
所述底座12设有液氮流通孔18。
所述磁场探测线圈8与超导带材样品17距离为第一磁磁场线圈2有效半径的2-3倍。
所述非导磁且耐低温材料包括环氧树脂、玻璃钢和聚四氟乙烯。
测试方法：测试时需要辅助试验器材锁相放大器、功率放大器和BNC信号线。
1.测试装置连接
锁相放大器的内部振荡器通过BNC信号线接于功率放大器，功率放大器的多芯铜线接于第一、第三接线柱15a和15c，为第一、第二磁场线圈提供正弦交流激励电压，产生均匀交变磁场。锁相放大器的输入信号通道A通过BNC信号线接于第四、第五接线端子16d和16e，用于采集记录磁场探测线圈的感应电压信号，同时作为锁相放大器的参考信号；锁相放大器的输入信号通道B通过BNC信号线接于第二、第三接线端子16b和16c，用于采集记录补偿后的拾波线圈的感应电压信号；
2.磁化装置调节
取出样品单元中的超导带材样品，旋转补偿线圈支架，调节补偿信号，使锁相放大器的信号通道B的示数接近零，小于拾波线圈内感应电压的1％。
3.磁化装置初始冷却
把上述超导带材磁化装置浸入盛有液氮的低温容器20—30min，旋转并固定样品单元，确定超导带材样品与外磁场的夹角。
4.测试设置
进入锁相放大器的内部振荡器控制面板，对输出激励信号进行幅值扫描参数设置，选取输入信号通道A的感应电压信号为参考信号，记录无超导带材样品时，不同输出激励信号对应的输入信号通道A、B所撷取的感应电压信号V1e，V2e.
5.超导带材样品冷却
将超导样品插入已浸泡在液氮中的样品单元，冷却10min—15min。
6.超导带材样品磁化信号测试
再次进入锁相放大器的内部振荡器控制面板，对输出激励信号进行幅值扫描参数设置，与无超导带材样品时的设置参数相同，选取输入信号通道A的感应电压信号为参考信号，记录超导带材样品在不同交变磁场幅值下，输入信号通道A、B的所撷取的感应电压信号V1t，V2t.
7.实验数据处理
利用公式求得超导带材样品单位体积的交流磁化率χ：
其中a是超导带材样品的半宽度，a0是拾波线圈的半宽度，f是交流激励信号频率，l是拾波线圈的有效长度，Bm是外磁场强度，δ是超导带材样品有效厚度。
Claims (6)
1.一种超导带材磁化装置，该磁化装置包括磁场单元、线圈组单元、超导样品单元、底座及第一、第二连接组件；所述磁场单元包括磁场线圈骨架(1)、第一磁场线圈(2)和第二磁场线圈(5)，第一磁磁场线圈(2)和第二磁场线圈(5)同向绕制在磁场线圈骨架(1)上，所述第一磁磁场线圈(2)和第二磁场线圈(5)参数相同，所述磁场线圈骨架(1)通过第一、第二连接组件(13、14)固定于底座(12)上；第一磁场线圈(2)与第二磁场线圈(5)的一对异名端接于第二接线柱(15b)上，另外一对异名端分别接于第一、第三接线柱(15a、15c)上；其特征在于：
所述超导样品单元包括：超导带材样品(17)、拾波线圈(6)、第一样品支架(3)和第二样品支架(4)；所述拾波线圈(6)嵌于第一样品支架(3)的矩形M凹槽内，拾波线圈(6)两端的引线从第一样品支架(3)的L槽引出；所述超导带材样品(17)嵌入第二样品支架(4)的样品S槽内；所述第一样品支架(3)和第二样品支架(4)通过凹凸配合构成样品组合支架，拾波线圈(6)的几何中心与超导带材样品(17)的几何中心重合；
将所述样品组合支架插入磁场线圈骨架的C孔中，使第一样品支架(3)的P面和磁场线圈骨架(1)的Q面贴合；
所述线圈组单元包括：磁场探测线圈支架(7)、磁场探测线圈(8)、补偿线圈支架(9)和补偿线圈(10)；磁场探测线圈(8)绕制在磁场探测线圈支架(7)的T端，所述磁场探测线圈(8)的引出线分别接于第四、第五接线端子(16d、16e)；
所述磁场探测线圈支架(7)的R’端嵌于磁场线圈骨架(1)的R端口内；补偿线圈(10)绕制在补偿线圈支架(9)上，所述补偿线圈支架(9)的T’端与上述磁场探测线圈支架(7)的T端螺纹连接，可沿轴向移动；
所述补偿线圈(10)和拾波线圈(6)的一对同名端接于第一接线端子(16a)，另一对同名端分别接于第二、第三接线端子(16b、16c)上；
所述磁场单元和线圈组单元同轴；
所述磁场线圈骨架(1)，第一、第二连接组件(13、14)、底座(12)、磁场探测线圈支架(7)、补偿线圈支架(9)、第一样品支架(3)、第二样品支架(4)均由非导磁且耐低温材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种超导带材磁化装置，其特征在于：所述超导带材样品(17)的长度至少大于拾波线圈(6)长度的3倍。
3.根据权利要求1所述的一种超导带材磁化装置，其特征在于：所述拾波线圈(6)的宽度至少为超导带材样品(17)宽度的3倍。
4.根据权利要求1所述的一种超导带材磁化装置，其特征在于：所述底座(12)设有液氮流通孔(18)。
5.根据权利要求1所述的一种超导带材磁化装置，其特征在于：所述磁场探测线圈(8)与超导带材样品(17)距离为第一磁磁场线圈(2)有效半径的2-3倍。
6.根据权利要求1所述的一种超导带材磁化装置，其特征在于：所述非导磁且耐低温材料包括环氧树脂、玻璃钢和聚四氟乙烯。
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