CN110579680A - 一种超导电缆的无损检测装置及检测方法 - Google Patents

一种超导电缆的无损检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种超导电缆的无损检测装置及检测方法，所提供的装置包括：电磁隔离箱，所述电磁隔离箱两侧分别设置有超导电缆入口和超导电缆出口，所述电磁隔离箱上超导电缆入口外侧设置有第一摩擦轮和第二摩擦轮，所述电磁隔离箱上超导电缆出口外侧设置有第三摩擦轮和第四摩擦轮；所述电磁隔离箱内超导电缆延伸方向设置有绝缘导轨，所述绝缘导轨中间设置有环形探头，环形探头两侧的绝缘导轨上设置有第一铍铜簧片和第二铍铜簧片；所述电磁隔离箱外侧还设置有电源，所述电源与所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片相连，本发明实施例提供的装置，能够有效的对超导线材各个空间位置的缺陷状态进行检测，避免漏检、错检情况的，检测实施简单高效。

Description

一种超导电缆的无损检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及超导电缆检测技术领域，尤其涉及一种超导电缆的无损检测装置及检测方法。
背景技术
超导电缆是利用超导材料制成的一类电缆。由于特定条件下的零电阻特性，相比于传统电缆能够极大提高电流的传输效率，并且在应用层面上有极高的灵活可靠性，因此其发展在电能传输中起到革命性的作用。为了充分利用其体积小、容量大、损耗小、对环境友好的特点。
超导磁体主要采用管内电缆导体(Cable-in-Conduit Conductor,CICC)绕制构成。管内电缆导体又是由超导股线多级扭绞形成的超导电缆、中心冷却孔以及外套管组成。其中，超导电缆的性能直接决定了制备的磁体是否能正常运行以及超导磁体产生的磁场强弱。超导电缆在扭绞过程中，超导股线可能受到不同程度的应力作用，会使超导电缆发生局部缺陷，在该局部的性能发生退化(临界电流降低)。因此，有必要对超导电缆的性能进行无损检测，以便得出扭绞工艺条件与超导电缆的局部缺陷的关系，从而为超导电缆的绞缆工艺的制定，提供可靠的实验数据。同时，在超导电缆的使用维护过程中也需要进行局部缺陷的无损检测，以便确定制备的超导电缆是否合格，进而保证实验超导电缆的设备的性能。
现有的超导性能无损检测装置，是先对单根的超导带材或单根的超导线材进行磁化，再使超导带材或超导线材从霍尔传感器的一侧通过，由霍尔传感器连续测量超导带材或超导线材经过霍尔传感器处的剩余磁场，得到均匀或基本均匀的超导带材或超导线材的剩余磁场轴向分布，进而获得单根的超导带材或超导线材的临界电流的轴向分布，当轴向分布出现明显的下陷即某处的临界电流明显偏低时，可判定超导带材或超导线材在该处发生局部缺陷，其性能退化。在现有的超导电缆无损检测中，检测过程复杂，同时设备成本较高，不利于推广。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种超导电缆的无损检测装置及检测方法。
第一方面，本发明实施例提供一种超导电缆的无损检测装置，包括：
电磁隔离箱，所述电磁隔离箱两侧分别设置有超导电缆入口和超导电缆出口，所述电磁隔离箱上超导电缆入口外侧设置有第一摩擦轮和第二摩擦轮，所述电磁隔离箱上超导电缆出口外侧设置有第三摩擦轮和第四摩擦轮；
所述电磁隔离箱内超导电缆延伸方向设置有绝缘导轨，所述绝缘导轨中间设置有环形探头，所述环形探头两侧的绝缘导轨上设置有第一铍铜簧片和第二铍铜簧片；
所述电磁隔离箱外侧还设置有电源，所述电源与所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片相连；
所述超导电缆在通过第一摩擦轮和第二摩擦轮组成的固定轨道后通过电缆入口接入所述电磁隔离箱内，依次穿过第一铍铜簧片，环形探头和第二铍铜簧片，再通过电缆出口进入第三摩擦轮和第四摩擦轮组成的固定轨道。
其中，所述电磁隔离箱超导电缆出口一侧还设置有直流电机，所述直流电机与所述第三摩擦轮和第四摩擦轮相连，用于带动所述第三摩擦轮和第四摩擦轮转动。
其中，所述电磁隔离箱超导电缆出口一侧还设置有小孔，所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片通过所述小孔与外部电源相连。
其中，所述环形探头内部均匀排列有磁场检测芯片。
其中，所述磁场检测芯片的灵敏度大于10nT/LSB。
第二方面，本发明实施例提供一种超导电缆的无损检测方法，包括：
将超导电缆通过第一摩擦轮和第二摩擦轮固定后通过电磁隔离箱上超导电缆入口导入电磁隔离箱中的绝缘导轨上，所述超导电缆依次穿过第一铍铜簧片，环形探头和第二铍铜簧片后，通过超导电缆出口，经过第三摩擦轮和第四摩擦轮组成的轨道；
对通过所述第一铍铜簧片和所述第二铍铜簧片加载恒流源的电流到所述第一铍铜簧片和所述第二铍铜簧片之间的超导电缆中，并通过所述环形探头获得所述第一铍铜簧片和所述第二铍铜簧片之间的超导电缆产生的环形磁场；
根据所述环形磁场，获取所述超导电缆的超导性能。
其中，所述方法还包括：将标准超导线材导入电磁隔离箱，并记录所述标准超导线材在环形探头中检测到的标准磁场分部数据。
其中，所述根据所述环形磁场，获取所述超导电缆的超导性能的步骤具体包括：将所述超导电缆产生的磁场分部数据与所述标准磁场分部数据进行比对，获取所述超导电缆产生的磁场分部数据与所述标准磁场分部数据的差异值；若所述差异值超过预设阈值，则判定所述电磁隔离箱内，第一铍铜簧片和第二铍铜簧片之间的超导电缆存在缺陷。
其中，所述判定所述电磁隔离箱内，第一铍铜簧片和第二铍铜簧片之间的超导电缆存在缺陷之后的步骤还包括：停止直流电机，对所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片之间的超导电缆进行标记。
本发明实施例提供的超导电缆的无损检测装置及检测方法，不会对线材性能进行损伤，并且由于其低电阻特性，检测所需的恒定电流施加将会简单易行。由于恒定电流所激发出来的恒定磁场很容易受到外界电磁环境的干扰，所以整个检测过程在电磁隔离箱内部完成，方法实施简单高效。由于磁场检测芯片的高精度和环形布置，能够有效的对超导线材各个空间位置的缺陷状态进行检测，避免漏检、错检情况的发生。并且超导线材的传动装置是可控的，并且能够对线材多个方向的自由度进行限制，极大的简化了算法和计算速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的超导电缆的无损检测装置的结构示意图；
图2为本发明又一实施例提供的超导电缆的无损检测装置的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的超导电缆的无损检测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，图1为本发明一实施例提供的超导电缆的无损检测装置的结构示意图，所提供的装置包括：
电磁隔离箱5，所述电磁隔离箱5两侧分别设置有超导电缆入口和超导电缆出口，所述电磁隔离箱上超导电缆入口外侧设置有第一摩擦轮3和第二摩擦轮3，所述电磁隔离箱5上超导电缆出口外侧设置有第三摩擦轮3和第四摩擦轮3；
所述电磁隔离箱5内超导电缆延伸方向设置有绝缘导轨，所述绝缘导轨中间设置有环形探头，2所述环形探头2两侧的绝缘导轨上设置有第一铍铜簧片1和第二铍铜簧片1；
所述电磁隔离箱5外侧还设置有电源，所述电源与所述第一铍铜簧片1和第二铍铜簧片1相连；
所述超导电缆在通过第一摩擦轮3和第二摩擦轮3组成的固定轨道后通过电缆入口接入所述电磁隔离箱5内，依次穿过第一铍铜簧片1，环形探头2和第二铍铜簧片1，再通过电缆出口进入第三摩擦轮3和第四摩擦轮3组成的固定轨道。
具体的，本发明实施例提供的超导电缆的无损检测装置中，如图1所示，在电磁隔离箱的两侧A和B侧上分别设置有超导电缆入口和超导电缆出口，在入口和出口处分别设置有摩擦轮，在超导电缆入口和超导电缆出口之间水平设置有绝缘导轨,绝缘导轨中间断开一段，安装有环形探头以检测空间磁场。通过隔离箱内部的两个铍铜簧片，将恒流源的电流(电流强度设为I)加载到固定长度的超导线材的两端。根据毕奥-萨伐尔定律，通有恒定电流I的导体周围会产生稳定的环绕磁场。此时，安装于电磁隔离箱内部的环形探头能够实时检测到由于超导导体内部通电而产生的环形磁场。此时，安装于电磁隔离箱内部的环形探头能够实时检测到由于超导导体内部通电而产生的环形磁场。从电流产生磁场的角度计算B,具体公式如下：
I是电流强度,u0为真空磁导率，为源点到场点的矢径，dl是源电流的微小线元素，L为积分路径。
给超导电缆通恒定电流I是，产生的环绕磁场方向及强度不变，但当超导电缆内部出现缺陷损伤的时候，缺陷损伤会对超导电缆内部的电流分布产生扰动，从而使超导电缆周围原本稳定的环形磁场产生扰动，磁场传感器检测到的磁场强度也就随之变化。根据检测到的通电超导材料周围磁场的扰动判断超导材料内部是否已经产生的缺陷损伤。
电磁隔离箱能够将外部电磁环境和内部磁场实施有效隔离，从而保证了环形探头对于内部磁场检测的可靠性，也增强了设备的环境适应能力。给超导线材提供恒定电流的两个铍铜簧片导电性好具有优秀的抗压性和回弹性，并能提供很好的电磁屏蔽效果。两个不同工作方式的摩擦轮能够保证超导线材在通过隔离箱进行检测时总是保持直线不弯曲的状态，同时在箱体内部的绝缘导轨能够限制超导线材Z轴的运动，以便每次都在相同区域内对磁场进行测量。
通过此装置，不会对线材性能进行损伤，并且由于其低电阻特性，检测所需的恒定电流施加将会简单易行。由于恒定电流所激发出来的恒定磁场很容易受到外界电磁环境的干扰，所以整个检测过程在电磁隔离箱内部完成，方法实施简单高效。由于磁场检测芯片的高精度和环形布置，能够有效的对超导线材各个空间位置的缺陷状态进行检测，避免漏检、错检情况的发生。并且超导线材的传动装置是可控的，并且能够对线材多个方向的自由度进行限制，极大的简化了算法和计算速度。
在上述实施例的基础上，所述电磁隔离箱超导电缆出口一侧还设置有直流电机，所述直流电机与所述第三摩擦轮和第四摩擦轮相连，用于带动所述第三摩擦轮和第四摩擦轮转动。
所述电磁隔离箱超导电缆出口一侧还设置有小孔，所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片通过所述小孔与外部电源相连。
所述电磁隔离箱超导电缆出口一侧还设置有小孔，所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片通过所述小孔与外部电源相连。所述磁场检测芯片的灵敏度大于10nT/LSB。
具体的，如图2所示，在电磁隔离箱左端A点加上可控制的电机6来带动左端摩擦轮的工作，电磁隔离箱右端的B点摩擦轮属于从动轮，两个摩擦轮将生产的超导线材传送至隔离箱内的水平绝缘导轨上并匀速行进。检测固定磁场的环形探头内部均匀排列了磁场检测芯片,芯片具有10nT/LSB(最低有效位)的高灵敏度，能够检测出磁场的细小变化。导轨上的两个铍铜簧片1通过小孔接到外部的电源，以达到给超导电缆4提供恒定电流的目的。
参考图3，图3为本发明一实施例提供的超导电缆的无损检测方法的流程示意图，所提供的方法包括：
S1，将超导电缆通过第一摩擦轮和第二摩擦轮固定后通过电磁隔离箱上超导电缆入口导入电磁隔离箱中的绝缘导轨上，所述超导电缆依次穿过第一铍铜簧片，环形探头和第二铍铜簧片后，通过超导电缆出口，经过第三摩擦轮和第四摩擦轮组成的轨道。
S2，对通过所述第一铍铜簧片和所述第二铍铜簧片加载恒流源的电流到所述第一铍铜簧片和所述第二铍铜簧片之间的超导电缆中，并通过所述环形探头获得所述第一铍铜簧片和所述第二铍铜簧片之间的超导电缆产生的环形磁场。
S3，根据所述环形磁场，获取所述超导电缆的超导性能。
具体的，直流电机带动其上的摩擦轮转动，超导电缆从B端的摩擦轮接入电磁隔离箱，在隔离箱内部有支撑绝缘导轨，导轨上的两个铍铜簧片通过小孔接到外部的电源，以达到给超导电缆提供恒定电流的目的。其中环形探头内部的磁场检测传感器能够对内部的微弱磁场变化进行采集，
电磁隔离箱左端A点加上可控制的电机来带动左端摩擦轮的工作，电磁隔离箱右端的B点摩擦轮属于从动轮，两个摩擦轮将生产的超导线材传送至隔离箱内的水平绝缘导轨上并匀速行进。绝缘导轨中间断开一段，安装有环形探头以检测空间磁场。通过隔离箱内部的两个铍铜簧片，将恒流源的电流(电流强度设为I)加载到固定长度的超导线材的两端。根据毕奥-萨伐尔定律，通有恒定电流I的导体周围会产生稳定的环绕磁场。此时，安装于电磁隔离箱内部的环形探头能够实时检测到由于超导导体内部通电而产生的环形磁场。从电流产生磁场的角度计算B，公式如下：
I是电流强度,u0为真空磁导率，为源点到场点的矢径，dl是源电流的微小线元素，L为积分路径。
给超导电缆通恒定电流I是，产生的环绕磁场方向及强度不变，但当超导电缆内部出现缺陷损伤的时候，缺陷损伤会对超导电缆内部的电流分布产生扰动，从而使超导电缆周围原本稳定的环形磁场产生扰动，磁场传感器检测到的磁场强度也就随之变化。根据检测到的通电超导材料周围磁场的扰动判断超导材料内部是否已经产生的缺陷损伤。
驱动电机带动待测线材的水平前进。在线材通过环形探头的过程中，将采集到的磁场数据和标准数据不断进行比较，并按照算法进行缺陷的大小和种类判定。
通过此方法，不会对线材性能进行损伤，并且由于其低电阻特性，检测所需的恒定电流施加将会简单易行，方法实施简单高效。同时由于磁场检测芯片的高精度和环形布置，能够有效的对超导线材各个空间位置的缺陷状态进行检测，避免漏检、错检情况的发生。并且超导线材的传动装置是可控的，并且能够对线材多个方向的自由度进行限制，极大的简化了算法和计算速度。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：将标准超导线材导入电磁隔离箱，并记录所述标准超导线材在环形探头中检测到的标准磁场分部数据。
所述根据所述环形磁场，获取所述超导电缆的超导性能的步骤具体包括：将所述超导电缆产生的磁场分部数据与所述标准磁场分部数据进行比对，获取所述超导电缆产生的磁场分部数据与所述标准磁场分部数据的差异值；若所述差异值超过预设阈值，则判定所述电磁隔离箱内，第一铍铜簧片和第二铍铜簧片之间的超导电缆存在缺陷。
所述判定所述电磁隔离箱内，第一铍铜簧片和第二铍铜簧片之间的超导电缆存在缺陷之后的步骤还包括：停止直流电机，对所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片之间的超导电缆进行标记。
具体的，磁场在进行检测之前需要用标准的超导线材对装置进行标定，从而能够根据磁场的变化情况进一步判断缺陷的类型和大小。因此在对待检测线材进行检测之前，将标准的性能良好的的超导线材送到A点的摩擦轮处，此时在水平导轨和两个摩擦轮的作用下，待检测的超导线材将做水平运动并且通过电磁隔离箱内部的环形探头，在这个过程中将环形探头检测到的磁场分布进行记录。以上过程为检测装置的标定过程，在为正式检测提供磁场分布标准量数据的同时，也间接对检测设备的各项指标做出测试。
在标定过程结束后，对检测的标准磁场分布数据进行判定，无异常后开始正式检测。将标准的超导线材取下，换上待测的线材并且驱动电机带动线材的水平前进。在线材通过环形探头的过程中，将采集到的磁场数据和标准数据不断进行比较，并按照算法进行缺陷的大小和种类判定。如果超导线材的缺陷超过了所允许的设置值，控制电机停止转动，并对缺陷位置做出标记以便后续的处理。在标记完成之后，电机再次开启，继续开始检测，直至将待测超导线材检测完毕。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种超导电缆的无损检测装置，其特征在于，包括：
电磁隔离箱，所述电磁隔离箱两侧分别设置有超导电缆入口和超导电缆出口，所述电磁隔离箱上超导电缆入口外侧设置有第一摩擦轮和第二摩擦轮，所述电磁隔离箱上超导电缆出口外侧设置有第三摩擦轮和第四摩擦轮；
所述电磁隔离箱内超导电缆延伸方向设置有绝缘导轨，所述绝缘导轨中间设置有环形探头，所述环形探头两侧的绝缘导轨上设置有第一铍铜簧片和第二铍铜簧片；
所述电磁隔离箱外侧还设置有电源，所述电源与所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片相连；
所述超导电缆在通过第一摩擦轮和第二摩擦轮组成的固定轨道后通过电缆入口接入所述电磁隔离箱内，依次穿过第一铍铜簧片，环形探头和第二铍铜簧片，再通过电缆出口进入第三摩擦轮和第四摩擦轮组成的固定轨道。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁隔离箱超导电缆出口一侧还设置有直流电机，所述直流电机与所述第三摩擦轮和第四摩擦轮相连，用于带动所述第三摩擦轮和第四摩擦轮转动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁隔离箱超导电缆出口一侧还设置有小孔，所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片通过所述小孔与外部电源相连。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环形探头内部均匀排列有磁场检测芯片。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述磁场检测芯片的灵敏度大于10nT/LSB。
6.一种超导电缆的无损检测方法，其特征在于，包括：
将超导电缆通过第一摩擦轮和第二摩擦轮固定后通过电磁隔离箱上超导电缆入口导入电磁隔离箱中的绝缘导轨上，所述超导电缆依次穿过第一铍铜簧片，环形探头和第二铍铜簧片后，通过超导电缆出口，经过第三摩擦轮和第四摩擦轮组成的轨道；
对通过所述第一铍铜簧片和所述第二铍铜簧片加载恒流源的电流到所述第一铍铜簧片和所述第二铍铜簧片之间的超导电缆中，并通过所述环形探头获得所述第一铍铜簧片和所述第二铍铜簧片之间的超导电缆产生的环形磁场；
根据所述环形磁场，获取所述超导电缆的超导性能。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将标准超导线材导入电磁隔离箱，并记录所述标准超导线材在环形探头中检测到的标准磁场分部数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述环形磁场，获取所述超导电缆的超导性能的步骤具体包括：
将所述超导电缆产生的磁场分部数据与所述标准磁场分部数据进行比对，获取所述超导电缆产生的磁场分部数据与所述标准磁场分部数据的差异值；
若所述差异值超过预设阈值，则判定所述电磁隔离箱内，第一铍铜簧片和第二铍铜簧片之间的超导电缆存在缺陷。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述判定所述电磁隔离箱内，第一铍铜簧片和第二铍铜簧片之间的超导电缆存在缺陷之后的步骤还包括：
停止直流电机，对所述第一铍铜簧片和第二铍铜簧片之间的超导电缆进行标记。
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