CN110244132A - 超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置及测试方法，包括：测量系统以及补偿系统；所述测量系统包括：由磁体线圈和测量线圈构成的第一线圈绕组；所述补偿系统包括：由补偿磁体线圈和补偿线圈构成的第二线圈绕组；所述磁体线圈和所述补偿磁体线圈串联构成第一电路，所述测量线圈和所述补偿线圈反向串联构成第二电路。本发明不需要使用传统的拾波线圈，而是在两个串联的磁体线圈构成的测试回路上平行反向串联两个相同的测试线圈和补偿线圈，实现磁平衡，即装置内无样品时参考信号为零，从而通过对比超导带材样品放入测量线圈前后的信号差异测量超导带材的交流磁化损耗。
Description
技术领域
本发明涉及电学和测量技术领域，具体地，涉及超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置及测试方法。
背景技术
近年来，超导材料因其无直流电阻损耗和高传导电流密度的特性，成为了电力设备领域的研究热点，相关应用发展迅速，如超导电缆、超导储能、超导变压器、超导限流器、超导电机等。但是超导带材在应用过程中不可避免会受到不同程度的外界磁场的干扰，产生额外的交流损耗，导致设备发热加重系统制冷负担，进而影响电力设备的稳定性。因此交流损耗成为评估超导带材性能的重要指标之一。业界最常用且具有良好的可重复性的测试交流磁化损耗的方法是在样品附近放置拾波线圈，但是该方法相对复杂，必须引入反映样品中磁化电流的几何分布的转换常数，对于不同的测试对象，常需要通过不同方式获取相应的转换常数，或通过标准样品的磁化进行校准标定。因此，设计免标定的交流磁化损耗测试方法成为了业界的考虑目标。
由于超导带材样品的交流损耗是提供交流磁场的电源的总损耗的一部分，可通过适当的方法分离样品损耗这一分量。但是超导带材样品的交流磁化损耗通常远低于产生交流磁场的磁体的总损耗，免标定测试方法常受到外界环境的干扰，误差较大。因此需要设计新的超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置以克服上述干扰。
经过检索发现，目前没有超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置的相关公开专利，但有部分类似的文献，其主要内容如下：
文献：Jan Souc,et al.Calibration free method for measurement of the ACmagnetization loss[J],Superconductor Science and Technology,18(2005),592-595.
该文献于2005年提出了一种交流磁化损耗的免标定测试方法，测试系统由两个完全相同的线圈串联形成测试系统和补偿系统的回路，DSP锁相放大器7265(EG&GInstruments)内部的电源通过环形变压器供电，以使磁体产生交流磁场，回路的电流信号通过罗氏线圈被锁相放大器的通道A所采集，测试线圈和补偿线圈的电压信号的差值则被通道B收集。样品放入测试线圈前后的信号之间的差异即为样品的交流磁化损耗的相关分量。
说明：此文献与本申请的主要差别在于：1.输入端不同：此文献将锁相放大器内部电源信号通过环形变压器给测试装置回路供电，因此输入信号给定，无法更改。而本申请所设计的测试装置采用信号发生器控制电流源产生输入信号，信号频率及其大小调节范围大，灵活度高；2.输出端不同：此文献采用锁相放大器作为基本测试设备，相当于一个带宽极窄的带通滤波器，仅对和输入信号同频、同相的信号有响应，而过滤了其他噪声。其电流信号通过罗氏线圈采集，和电压信号一起输入到锁相放大器中，经处理后直接输出交流磁化损耗值，信号处理较为简易，无法获取更多有效信息。而本申请所设计的测试装置采用示波器作为信号采集设备，电流信号通过电流钳获取，并和电压信号一起经滤波放大后由示波器采集。由于采集得到的是信号波形，可通过对比放入样品前后的输出信号之间的差异，获取更多有效信息，实验可拓展性高。
文献：L M Fisher,et al.Simple calibration free method to measure acmagnetic moment and losses[J],Journal of Physics:Conference Series,97(2008),012032.该文献中作者提出一种免标定方法来测量横向交流磁场中交流磁矩矢量的分量，旨在研究超导带材交流矢量磁化和损耗的特征。该文献设计了一种紧凑型交流励磁线圈，并将拾波线圈放在励磁线圈外部，由于励磁线圈和超导带材的尺寸十分相近，无需额外的校准过程。
说明：此文献与本申请的主要差别在于：该文献通过设计适合特定超导带材尺寸的拾波线圈和励磁线圈，使得无需额外的校准过程，适用范围狭窄，且可重复性低，而本申请设计的测试装置无需拾波线圈，而是通过测试系统和补偿系统中信号的抵消实现了对样品损耗分量信号的直接测试，不受样品种类和形状的影响。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置及测试方法。
根据本发明提供的一种超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，包括：测量系统以及补偿系统；
所述测量系统包括：由磁体线圈和测量线圈构成的第一线圈绕组；
所述补偿系统包括：由补偿磁体线圈和补偿线圈构成的第二线圈绕组；
所述磁体线圈和所述补偿磁体线圈串联构成第一电路，所述测量线圈和所述补偿线圈反向串联构成第二电路。
优选地，所述磁体线圈和所述测量线圈相互平行绕制。
优选地，所述补偿磁体线圈和所述补偿线圈相互平行绕制。
优选地，还包括：信号发生器、电流源、电流钳和示波器；
所述信号发生器的输出端连接所述电流源，所述电流源的输出端连接所述第一电路的一端，所述电流钳的输入端连接所述第一电路的另一端以及所述电流源的输出端，所述电流钳的输出端连接所述示波器的第一输入端，所述第二电路的两端连接所述示波器的第二输入端。
优选地，还包括滤波放大器，所述电流钳的输出端通过所述滤波放大器连接所述示波器的第一输入端，所述第二电路的两端通过所述滤波放大器连接所述示波器的第二输入端。
优选地，所述测量系统以及补偿系统设置于液氮环境中。
优选地，所述液氮环境为77K液氮环境。
根据本发明提供的一种超导带材交流磁化损耗的免标定测试方法，采用上述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，执行如下步骤：
S2、通过示波器获取未放置待测超导带材时，测量系统以及补偿系统的电流信号和电压信号，以及将待测超导带材放置在测量线圈内时测量系统以及补偿系统的电流信号和电压信号；
S3、根据电流信号和电压信号的变化求取待测超导带材的交流磁化损耗。
优选地，在步骤S2之前还包括：
S1、将测量系统以及补偿系统设置于液氮环境中。
优选地，所述液氮环境为77K液氮环境。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明不需要使用传统的拾波线圈，而是在两个串联的磁体线圈构成的测试回路上平行反向串联两个相同的测试线圈和补偿线圈，实现磁平衡，即装置内无样品时参考信号为零，从而通过对比超导带材样品放入测量线圈前后的信号差异测量超导带材的交流磁化损耗；
2、采用信号发生器控制电流源产生输入信号，信号频率及其大小调节范围大，灵活度高；
3、采用示波器作为信号采集设备，电流信号通过电流钳获取，并和电压信号一起经滤波放大后由示波器采集。由于采集得到的是信号波形，可通过对比放入样品前后的输出信号之间的差异，获取更多有效信息，实验可拓展性高。
4、将拾波线圈放在励磁线圈外部，由于励磁线圈和超导带材的尺寸十分相近，无需额外的校准过程。
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为本发明的结构示意图；
图2为本发明测量线圈、补偿线圈和待测超导带材的相对位置示意图。
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。
如图1和图2所示，本发明提供的一种超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，包括：测量系统3以及补偿系统4。本实施例中的测量系统以及补偿系统设置于77K液氮环境中。
测量系统3包括：由磁体线圈和测量线圈31构成的第一线圈绕组；补偿系统包括：由补偿磁体线圈和补偿线圈41构成的第二线圈绕组；磁体线圈和补偿磁体线圈串联构成第一电路，测量线圈31和补偿线圈41反向串联构成第二电路。测量系统和补偿系统应完全相同，以消除线圈电感和线圈涡流对磁通量的影响。
磁体线圈和测量线圈相互平行绕制，补偿磁体线圈和补偿线圈相互平行绕制。以消除磁体线圈中电阻产生的损耗对所需测定超导带材样品的交流磁化损耗的影响。此时，测量线圈上测的电压仅为感应电压，即通过测量线圈的磁通量对时间的导数。
信号发生器1的输出端连接电流源2，电流源2的输出端连接第一电路的一端，电流钳6的输入端连接第一电路的另一端以及电流源2的输出端，电流钳6的输出端通过滤波放大器7连接示波器8的第一输入端，第二电路的两端通过滤波放大器7连接示波器8的第二输入端。
信号发生器控制电流源产生输入电流信号，与磁体线圈、补偿磁体线圈串联形成电流回路，并通过电流钳获取电流信号，输入示波器的第一输入端；测量线圈和补偿线圈则同极短接，反向串联，该回路中的电压信号经滤波放大后，输入示波器的而输入端。
最后，在无超导带材样品的情况下测定交流磁化损耗参考值，随后放入超导带材样品，如图2所示，获取有样品时的电流和电压信号，比较放入样品前后的差异计算77K下样品的交流磁化损耗。囿于工艺，两个磁体绕组存在微小的差别，且外部环境存在噪声干扰，故在测试回路中串联一个小补偿电感以使无样品时的参考信号尽可能接近零。通过本装置测量交流磁化损耗，可产生频率和大小可调的输入信号，测试灵活度高，且输出的电流和电压信号波形完整，除计算交流磁化损耗外还可获取更多相关的有效信息，实验拓展性高。
在上述一种超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置的基础上，本发明还提供一种超导带材交流磁化损耗的免标定测试方法，执行如下步骤：
S1、将测量系统以及补偿系统设置于77K液氮环境中。
S2、通过示波器获取未放置待测超导带材时，测量系统以及补偿系统的电流信号和电压信号，以及将待测超导带材放置在测量线圈内时测量系统以及补偿系统的电流信号和电压信号；
S3、根据电流信号和电压信号的变化求取待测超导带材的交流磁化损耗。
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 (10)
1.一种超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，其特征在于，包括：测量系统以及补偿系统；
所述测量系统包括：由磁体线圈和测量线圈构成的第一线圈绕组；
所述补偿系统包括：由补偿磁体线圈和补偿线圈构成的第二线圈绕组；
所述磁体线圈和所述补偿磁体线圈串联构成第一电路，所述测量线圈和所述补偿线圈反向串联构成第二电路。
2.根据权利要求1所述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，其特征在于，所述磁体线圈和所述测量线圈相互平行绕制。
3.根据权利要求1所述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，其特征在于，所述补偿磁体线圈和所述补偿线圈相互平行绕制。
4.根据权利要求1所述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，其特征在于，还包括：信号发生器、电流源、电流钳和示波器；
所述信号发生器的输出端连接所述电流源，所述电流源的输出端连接所述第一电路的一端，所述电流钳的输入端连接所述第一电路的另一端以及所述电流源的输出端，所述电流钳的输出端连接所述示波器的第一输入端，所述第二电路的两端连接所述示波器的第二输入端。
5.根据权利要求4所述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，其特征在于，还包括滤波放大器，所述电流钳的输出端通过所述滤波放大器连接所述示波器的第一输入端，所述第二电路的两端通过所述滤波放大器连接所述示波器的第二输入端。
6.根据权利要求1所述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，其特征在于，所述测量系统以及补偿系统设置于液氮环境中。
7.根据权利要求6所述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，其特征在于，所述液氮环境为77K液氮环境。
8.一种超导带材交流磁化损耗的免标定测试方法，其特征在于，采用权利要求1所述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试装置，执行如下步骤：
S2、通过示波器获取未放置待测超导带材时，测量系统以及补偿系统的电流信号和电压信号，以及将待测超导带材放置在测量线圈内时测量系统以及补偿系统的电流信号和电压信号；
S3、根据电流信号和电压信号的变化求取待测超导带材的交流磁化损耗。
9.根据权利要求8所述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试方法，其特征在于，在步骤S2之前还包括：
S1、将测量系统以及补偿系统设置于液氮环境中。
10.根据权利要求9所述的超导带材交流磁化损耗的免标定测试方法，其特征在于，所述液氮环境为77K液氮环境。
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