CN109490798B - 基于光纤磁场传感技术的高温超导线圈磁场测量方法 - Google Patents

基于光纤磁场传感技术的高温超导线圈磁场测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高温超导线圈磁场测量方法，令电热丝缠绕磁光晶体光纤磁场传感器的外表面，令热电偶与磁光晶体光纤磁场传感器连接，内置在真空杜瓦中，得到复合光纤磁场传感器；将复合光纤磁场传感器与信号采集装置连接，信号采集装置将采集信号传输至计算机；将复合光纤磁场传感器与信号控制装置连接，生成控制信号并传输至复合光纤磁场传感器；令复合光纤磁场传感器设置在超导线圈内部，令超导线圈设置在低温环境，令信号采集装置设置在室温环境。本发明可避免出现传感器被强电磁场破坏的情况，大大降低测量成本；实现对高温超导设备如高温超导磁体、高温超导电机等的磁场测量；杜绝了元器件发生电击穿的可能性，显著降低测量成本。

Description

基于光纤磁场传感技术的高温超导线圈磁场测量方法
技术领域
本发明涉及超导线圈磁场测量技术领域，具体地，涉及一种高温超导线圈磁场测量方法，尤其是涉及基于磁光晶体光纤磁场传感技术的高温超导线圈磁场测量方法。
背景技术
高温超导线圈是利用高温超导带材，通过绕制的方法生产出的具备超导特性的线圈。超导线圈的结构一般为饼式或螺线式，其典型结构如图1、图2所示。由超导线圈组成的超导磁体相较于传统的电磁体而言，具有更高的电流传输效率，因此可以产生更大的磁场。对于超导线圈而言，充分掌握磁场参数将有助于为超导磁体的设计、优化、监测提供重要信息。目前，针对超导线圈磁场测量技术主要依赖于低温霍尔元件。在对小型超导线圈的弱磁场进行测量时，霍尔元件表现出了良好的线性度和准确性。但是，对于大型超导磁体而言，强电磁场环境会损伤甚至破坏霍尔元件，而低温霍尔元件的市场价格又高居不下，性能优异的霍尔元件更是只能依赖进口。
磁光晶体光纤磁场传感器是一种能够获取周围环境磁场信息的光纤传感器，其作为无源器件，与周围的电磁环境不存在交互作用。同时，磁光晶体光纤磁场传感器还具备抗腐蚀、电绝缘，体积小等诸多优点。因此，磁光晶体光纤磁场传感器可以实现对超导线圈磁场的测量，并且不存在受强电磁场破坏的风险。
专利文献CN205608164U公开了一种低温下超导磁体磁场测量装置，包括用于提供低温环境的低温杜瓦和穿过低温杜瓦的测量杆，所述测量杆上位于低温杜瓦内部位置处设置有高斯计安装架，高斯计安装架上设置有用于测量超导磁体磁场的高斯计，超导磁体设置在低温杜瓦内，所述低温杜瓦上开设有供测量杆通过的通孔，所述低温杜瓦上位于所述通孔位置处设置有密封件。所述专利文献利用传统的高斯计对超导线圈的磁场进行测量，对使用光纤磁场传感器对超导线圈的磁场进行测量并未提及。
专利文献CN107765060A公开了一种用于直流大电流监控的晶体磁光阀系统，包括：触发器、光纤电流互感器和解调仪，触发器和光纤电流互感器用光缆分别与解调仪以光缆连接；所述的光纤电流互感器包括多个磁光晶体传感头、光纤分支器、光学标尺和匀磁环，多个磁光晶体传感头串联在光学标尺上并分组并联在光纤分支器上，光纤分支器与光学标尺连接，光纤分支器的另一端用光缆与所述的解调仪连接；所述的磁光晶体传感头为利用晶体光阀制作的传感头；所述的解调仪包括信息存储模块和电流计算模块。具有抗外磁场干扰能力强，测量精度高，精度稳定强，可靠性高的特点。所述专利文献使用光纤磁场传感器对常温下的线圈磁场进行测量，进一步计算获取线圈中电流的大小，对光纤磁场传感器对超导线圈磁场进行测量并未提及，且未提及传感器的工作温度为零下200℃。
J.Jiang,et al.,“Experimental study on quench detection of a no-insulation HTS coil based on Raman-scattering technology in optical fiber,”IEEE Trans.Appl.Supercond.,vol.28,no.3,Apr.2018,Art.no.4702105.研究了使用光纤温度传感器对超导线圈的温度进行分布式测量。实验结果表示光纤温度传感器不仅能够正常工作在液氮环境中，同时也能分布式地获取超导线圈在失超状态下的温度分布情况。文中使用的是光纤温度传感器，无法测量超导线圈的磁场信息。
E.Anderson,“Molecular field model and the magnetization of YIG,”Phys.Rev.vol.134,no.6A,pp.A1581-A1585,Jun.1964.指出磁光晶体钇铁石榴石在低温下，其自发磁化强度将增加，这就意味着使用该磁光晶体的光纤磁场传感器在低温下将更容易达到磁化饱和强度，其磁场测量范围相较于工作于常温状态下的磁光晶体光纤磁场传感器更小。因此，如果需要将上述的光纤磁场传感器应用于高温超导线圈的磁场测量，必须要对现有的钇铁石榴石光纤磁场传感器进行相应改造和优化，以令其能正常地工作于低温环境下(≤77K)。若直接将光纤磁场传感器置于低温环境中，其测量范围将受到极大的限制。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，为了实现磁光晶体光纤传感器对高温超导线圈磁场的测量，本发明的目的是提供一种将传统的磁光晶体光纤磁场传感器应用于低温环境下的高温超导线圈的磁场测量的方法。
根据本发明提供的超导线圈磁场测量方法，包括以下步骤，复合光纤磁场传感器制备步骤：令电热丝缠绕磁光晶体光纤磁场传感器的外表面，令热电偶与磁光晶体光纤磁场传感器连接，得到光纤磁场传感体，将光纤磁场传感体内置在真空杜瓦中，得到复合光纤磁场传感器；信号采集步骤：将复合光纤磁场传感器与信号采集装置连接，信号采集装置与计算机连接，信号采集装置将采集信号传输至计算机；信号控制步骤：将复合光纤磁场传感器与信号控制装置连接，信号控制装置与计算机连接，计算机生成控制信号，并将控制信号通过信号控制装置传输至复合光纤磁场传感器；环境配置步骤：令复合光纤磁场传感器设置在超导线圈内部，令超导线圈设置在低温环境，令信号采集装置设置在室温环境。
优选地，所述复合光纤磁场传感器制备步骤包括，电热丝缠绕步骤：令电热丝以设定方式缠绕磁光晶体光纤磁场传感器的传感头；热电偶贴附步骤：令热电偶贴附在磁光晶体光纤磁场传感器的传感头，热电偶连接有热电偶信号线；外置杜瓦制备步骤：使用高导磁率材质的金属制备真空杜瓦，所述真空杜瓦内部设置容置空腔，所述容置空腔分别设置有第一开口、第二开口，令光纤磁场传感体设置在容置空腔内部，电热丝的延长端、热电偶信号线、磁光晶体光纤磁场传感器的光纤分别从第一开口、第二开口中伸出；杜瓦抽真空步骤：令真空杜瓦抽真空后密闭设置。
优选地，所述信号采集装置主要包括温度信号采集卡、光信号采集卡；所述温度信号采集卡与热电偶连接，能够采集热电偶的温度；所述光信号采集卡与磁光晶体光纤磁场传感器连接，能够采集磁光晶体光纤磁场传感器的光纤信号。
优选地，所述信号控制装置主要包括光信号控制单元、电热丝控制单元；所述光信号控制单元与磁光晶体光纤磁场传感器连接，所述电热丝控制单元与热电偶连接。
优选地，所述超导线圈通过线圈绕制形成饼式形状或螺线管式形状。所述低温环境是低于零下00℃的环境。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用光纤磁场传感器测量高温超导线圈的磁场，可避免出现传感器被强电磁场破坏的情况，大大降低测量成本。
2、本发明所设计的结构能使磁光晶体光纤温度传感器的测量范围大幅度提升，使利用磁光晶体光纤磁场传感器对高场磁体的磁场测量成为可能。
3、本发明所涉及的材料制备成本低廉，在原有的磁光晶体光纤温度传感器的基础上，仅添置微型真空杜瓦、电热阻丝等常见装置即可实现上述传感器在低温环境下对超导线圈磁场的测量。
4、本发明所设计的结构使得磁场传感头能够工作在室温下，具备温度自调节功能，避免低温对磁场传感头性能的影响。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为高温超导线圈示意图；
图2为高温超导线圈示意图；
图3为本发明的测量装置制备示意图；
图4为本发明的测量方法示意图。
图5为本发明的测试结果图。
图中示出：
Figure BDA0001812460430000041
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种超导线圈磁场测量方法，包括以下步骤，复合光纤磁场传感器制备步骤、信号采集步骤、信号控制步骤、环境配置步骤。复合光纤磁场传感器制备步骤：令电热丝缠绕磁光晶体光纤磁场传感器的外表面，令热电偶4与磁光晶体光纤磁场传感器连接，得到光纤磁场传感体，将光纤磁场传感体内置在真空杜瓦中，得到复合光纤磁场传感器6。优选地，将电热丝以螺旋式的方式缠绕至磁光晶体光纤磁场传感器的传感头上，将热电偶4贴在附磁光晶体光纤磁场传感器的传感头上，在该传感头上放置热电偶4后，置于真空杜瓦内，随后抽真空并封闭出气孔。真空杜瓦的材质为高导磁率材料，包括但不仅限于硅钢或坡莫合金等。如图3所示，真空杜瓦的结构特征主要包括上下两端各有一个出气孔，所述出气孔在抽真空时，用于排除真空杜瓦内部的气体，所述出气孔中用以伸出光纤、电热丝、热电偶信号线。复合光纤磁场传感器制备之后，将复合光纤磁场传感器设置有超导线圈的中心处。信号采集步骤：将复合光纤磁场传感器6与信号采集装置连接，信号采集装置与计算机连接，信号采集装置将采集信号传输至计算机。信号控制步骤：将复合光纤磁场传感器6与信号控制装置连接，信号控制装置与计算机连接，计算机生成控制信号，并将控制信号通过信号控制装置传输至复合光纤磁场传感器6。优选地，将复合光纤磁场传感器一端的光纤连接至信号采集卡上，将热电偶4连接至温度采集卡上，将复合光纤磁场传感器另一端的光纤连接至光信号控制单元上，将光信号控制单元与计算机相连接，将采集卡与计算机相连接。环境配置步骤：令复合光纤磁场传感器6设置在超导线圈7内部，令超导线圈7设置在低温环境，令信号采集装置设置在室温环境。将电热丝3连接至电源，并将热电偶4采集到的传感头温度信息反馈给计算机，由计算机控制电源，通过电热丝加热传感头，使其维持在室温状态下
具体地，所述复合光纤磁场传感器制备步骤包括：电热丝缠绕步骤：令电热丝3以设定方式缠绕磁光晶体光纤磁场传感器的传感头1；热电偶贴附步骤：令热电偶4贴附在磁光晶体光纤磁场传感器的传感头1，热电偶4连接有热电偶信号线5；外置杜瓦制备步骤：使用高导磁率材质的金属制备真空杜瓦，所述真空杜瓦内部设置容置空腔，所述容置空腔分别设置有第一开口、第二开口，令光纤磁场传感体设置在容置空腔内部，电热丝3的延长端、热电偶信号线5、磁光晶体光纤磁场传感器的光纤2分别从第一开口、第二开口中伸出；杜瓦抽真空步骤：令真空杜瓦抽真空后密闭设置。
具体地，所述信号采集装置主要包括温度信号采集卡、光信号采集卡；所述温度信号采集卡与热电偶4连接，能够采集热电偶4的温度；所述光信号采集卡与磁光晶体光纤磁场传感器连接，能够采集磁光晶体光纤磁场传感器的光纤信号。
具体地，所述信号控制装置主要包括光信号控制单元、电热丝控制单元；所述光信号控制单元与磁光晶体光纤磁场传感器连接，所述电热丝控制单元与热电偶4连接。
具体地，所述超导线圈通过线圈绕制形成饼式形状或螺线管式形状。所述低温环境是低于零下200℃的环境。
本发明主要是在现有第二代高温超导线圈的基础上，为了保证磁场传感器不被强电磁场环境破坏，提出一种使用光纤磁场传感器测量高温超导线圈磁场的方案，降低对高温超导线圈磁场测量的成本。对于常规的低温霍尔探头而言，由于其在对超导线圈磁场进行测量时，必须要有外界的供电电源，同时还有电压信号输出，因此在强电磁场环境下，霍尔传感器很容易发生损坏，此外现有的低温霍尔探头价格高昂，性能优异的产品更是只能从国外进口。本发明提出的方法路线不仅容易实现对高温超导线圈磁场进行测量，同时从根本上杜绝了发生电击穿的可能性，显著降低测量成本。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种超导线圈磁场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
复合光纤磁场传感器制备步骤：令电热丝缠绕磁光晶体光纤磁场传感器的外表面，令热电偶(4)与磁光晶体光纤磁场传感器连接，得到光纤磁场传感体，将光纤磁场传感体内置在真空杜瓦中，得到复合光纤磁场传感器(6)；
信号采集步骤：将复合光纤磁场传感器(6)与信号采集装置连接，信号采集装置与计算机连接，信号采集装置将采集信号传输至计算机；
信号控制步骤：将复合光纤磁场传感器(6)与信号控制装置连接，信号控制装置与计算机连接，计算机生成控制信号，并将控制信号通过信号控制装置传输至复合光纤磁场传感器(6)；
环境配置步骤：令复合光纤磁场传感器(6)设置在超导线圈(7)内部，令超导线圈(7)设置在低温环境，令信号采集装置设置在室温环境。
2.根据权利要求1所述的超导线圈磁场测量方法，其特征在于，所述复合光纤磁场传感器制备步骤包括：
电热丝缠绕步骤：令电热丝(3)以设定方式缠绕磁光晶体光纤磁场传感器的传感头(1)；
热电偶贴附步骤：令热电偶(4)贴附在磁光晶体光纤磁场传感器的传感头(1)，热电偶(4)连接有热电偶信号线(5)；
外置杜瓦制备步骤：使用高导磁率材质的金属制备真空杜瓦，所述真空杜瓦内部设置容置空腔，所述容置空腔分别设置有第一开口、第二开口，令光纤磁场传感体设置在容置空腔内部，电热丝(3)的延长端、热电偶信号线(5)、磁光晶体光纤磁场传感器的光纤(2)分别从第一开口、第二开口中伸出；
杜瓦抽真空步骤：令真空杜瓦抽真空后密闭设置。
3.根据权利要求1所述的超导线圈磁场测量方法，其特征在于，所述信号采集装置主要包括温度信号采集卡、光信号采集卡；
所述温度信号采集卡与热电偶(4)连接，能够采集热电偶(4)的温度；
所述光信号采集卡与磁光晶体光纤磁场传感器连接，能够采集磁光晶体光纤磁场传感器的光纤信号。
4.根据权利要求1所述的超导线圈磁场测量方法，其特征在于，所述信号控制装置主要包括光信号控制单元、电热丝控制单元；
所述光信号控制单元与磁光晶体光纤磁场传感器连接，
所述电热丝控制单元与热电偶(4)连接。
5.根据权利要求1所述的超导线圈磁场测量方法，其特征在于，所述超导线圈通过线圈绕制形成饼式形状或螺线管式形状。
6.根据权利要求1所述的超导线圈磁场测量方法，其特征在于，所述低温环境是低于零下200℃的环境。
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