CN111665462B - 一种高温超导磁体失超检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温超导磁体失超检测装置及方法，包括：光纤光栅串FBG1、光纤光栅串FBG2、数据采集模块和数据处理模块；其中FBG1和FBG2上均有多个光纤光栅，光纤光栅可及时感测到磁体因失超而产生的微小形变和温升，对高温超导磁体的温度和应变均比较敏感，且本发明将FBG1和FBG2并联缠绕在高温超导磁体表面，将FBG1贴附在高温超导磁体表面，将FBG2使用粘胶固定在高温超导磁体表面，可以同时对高温超导磁体的各位置处的温度和应变进行快速检测，当磁体发生局部故障时，由于局部区域热量的积累，该区域将会很快发生温度和应变的变化，尽管此时的磁体电压仍未发生变化，也能通过温度和应变的变化检测到磁体发生故障，大大提高了高温超导磁体失超检测的速度。
Description
技术领域
本发明属于高温超导磁体失超检测技术领域，更具体地，涉及一种高温超导磁体失超检测装置及方法。
背景技术
高温超导磁体目前是产生高强磁场的手段之一，而且高温超导磁体具有磁场稳定持久、损耗低、使用方便等独特优势，在医疗、电力、交通运输车、环境保护和科学研究等多领域有着广泛而重要的应用。但是，与常规磁体设计相比，超导磁体的研制难度更大、复杂程度更高。由于超导材料的电磁特性十分复杂，且其超导特性与运行电流、环境温度和磁场等因素密切相关，当以上任意因素超过临界值时极易导致高温超导磁体发生失超故障，有必要对磁体运行状态进行实时检测以保证其可靠运行，故研究一种高温超导磁体失超检测装置及方法具有重要意义。
目前，常用的高温超导磁体失超检测装置主要是基于电压检测和温升检测来进行失超检测。当采用现有的基于电压检测高温超导磁体失超检测装置进行失超检测时，由于高温超导磁体的失超传播速度较慢，高温超导磁体发生失超的过程中，电压上升速度较慢，当电压变化量达到预设失超阈值时，所需要的时长较长，检测速度较慢。因此，如果仅靠电压检测装置对磁体电压进行监测，将无法在磁体严重发热前检测到磁体的失超临界电压，也就无法及时触发保护动作、预防磁体因失超而受到不可恢复的损伤；而基于温升检测的高温超导磁体失超检测装置一般采用热电偶或铂电阻等温度传感器测量，存在无法沿高温超导带材布置、不能用于较高电压等级、易受电磁干扰等弊端，稳定性和可靠性较低；同时，热电热电阻等温度传感器属于点式测量方式，只能检测磁体上某一点的温度，对于大型高温超导磁体来说，要想准确监测其温度变化，就需要布置多个温度传感器，在磁体实际制备过程中这是很难做到的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种高温超导磁体失超检测装置及方法，用以解决现有技术由于基于电压变化进行失超检测，而高温超导磁体发生失超的过程中，电压上升速度较慢导致检测速度较慢的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种高温超导磁体失超检测装置，包括：光纤光栅串FBG1、光纤光栅串FBG2、数据采集模块和数据处理模块；
光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2并联缠绕在高温超导磁体表面，其中，光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上各有多个光纤光栅，光纤光栅串FBG1贴附在高温超导磁体表面，并不固定在磁体表面，光纤光栅串FBG2固定在高温超导磁体表面；高温超导磁体放置在杜瓦罐中，光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2从杜瓦罐中引出，并与数据采集模块相连；数据采集模块上引出多个电压探头，分别与高温超导磁体相连；数据采集模块与数据处理模块相连；
光纤光栅串FBG1用于基于各光纤光栅的波长变化来感应高温超导磁体的温度；
光纤光栅串FBG2用于基于各光纤光栅的波长变化来感应高温超导磁体的温度和应变；
数据采集模块用于采集光纤光栅串FBG1、FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量和高温超导磁体各位置处的电压，并发送到所述数据处理模块；其中，光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量为FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量与受应变影响的中心波长变化量之和；
数据处理模块用于根据光纤光栅串FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量，得到高温超导磁体各位置处的温度，并基于所得温度对光纤光栅串FBG2进行温度补偿，得到高温超导磁体各位置处的应变；根据所得高温超导磁体各位置处的温度、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量、高温超导磁体各位置处的应变和电压，对高温超导磁体的失超状态进行检测。
进一步优选地，光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上的光纤光栅数量相同，且一一对应。
进一步优选地，使用粘胶将光纤光栅串FBG2固定在高温超导磁体表面。
进一步优选地，数据采集模块包括FBG解调仪和电压信号采集仪；
FBG解调仪的输入端与光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2的输出端相连，电压信号采集仪的输入端通过各电压探头与高温超导磁体相连；
FBG解调仪用于采集光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量，并发送到数据处理模块中；
电压信号采集仪用于通过电压探头采集高温超导磁体各位置处的电压，并发送到数据处理模块中。
进一步优选地，高温超导磁体失超检测装置还包括显示模块，其输入端与数据处理模块的输出端相连，用于实时显示FBG1和FBG2的波长信息、超导磁体的电压、高温超导磁体各位置处的温度和应变，以及高温超导磁体的状态。
第二方面，本发明还提供了一种基于本发明第一方面所提供的高温超导磁体失超检测装置的高温超导磁体失超检测方法，包括以下步骤：
S1、采集光纤光栅串FBG1、FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量和高温超导磁体各位置处的电压；其中，光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量为FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量与受应变影响的中心波长变化量之和；
S2、根据光纤光栅串FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量，得到高温超导磁体各位置处的温度，并基于所得温度对光纤光栅串FBG2进行温度补偿，得到高温超导磁体各位置处的应变；
S3、通过分别判断所得高温超导磁体各位置处的温度、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量、高温超导磁体各位置处的应变和电压与对应预设失超判断阈值之间的大小，以及上述各值超出其对应预设失超判断阈值的时间，对高温超导磁体进行失超检测。
进一步优选地，上述步骤S2包括：
S21、基于光纤光栅串FBG1的温度解调公式对FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量进行解调，得到高温超导磁体各位置处的温度；
S22、根据光纤光栅串FBG2的温度解调公式和所得高温超导磁体各位置处的温度，得到光纤光栅串FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量后，与光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量相减，所得结果的绝对值即为光栅串FBG2上各光纤光栅受应变影响的中心波长变化量，基于FBG2的应变解调公式对其进行解调，得到高温超导磁体各位置处的应变；
其中，在液氮温度至室温范围内分别不断标定光纤光栅串FBG1和FBG2上各光纤光栅中心波长变化量及其对应的温度，通过曲线拟合分别得到FBG1和FBG2的温度解调公式；
在恒温环境下不断标定光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量及其对应的应变，通过曲线拟合得到FBG2的应变解调公式。
进一步优选地，预设失超判断阈值包括：预设磁体运行温度最大值Tmax、预设失超报警时间阈值Δtmax、基于中心波长的失超判定值Δλ2max、预设磁体最高允许应变值εmax和预设基于电压的失超判定值ΔVmax；
若高温超导磁体各位置处的温度至少有一个大于预设磁体运行温度最大值Tmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量至少有一个大于预设基于中心波长的失超判定值Δλ2max、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或高温超导磁体各位置处的应变至少有一个大于预设磁体最高允许应变值εmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或高温超导磁体各位置处的电压至少有一个大于预设基于电压的失超判定值ΔVmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，则高温超导磁体处于失超状态，此时需要提示高温超导磁体已经发生失超故障。
进一步优选地，上述高温超导磁体失超检测方法，还包括步骤S4，在执行完步骤S2执行之后、执行步骤S3之前，执行步骤S4判断高温超导磁体的即将失超状态，若高温超导磁体并不处于即将失超状态，则转至步骤S1，否则，转至步骤S3判断高温超导磁体的失超状态，若高温超导磁体处于失超状态，则发出失超报警信号，检测结束；否则，发出即将失超报警信号，并转至步骤S1；
其中，步骤S4包括：计算所得高温超导磁体各位置处的温度的平均值，通过分别判断所得高温超导磁体各位置处温度的平均值、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量与对应的预设即将失超判断阈值之间的大小，以及上述各值超出其对应预设即将失超判断阈值的时间，对高温超导磁体是否处于即将失超状态进行检测和判断。
进一步优选地，预设即将失超判断阈值包括：预设磁体运行温度告警值Tal、预设潜在风险报警时间阈值Δtal和预设基于中心波长的告警值Δλ2al；
若高温超导磁体各位置处的温度的平均值大于预设磁体运行温度告警值Tal、且其持续时间大于预设潜在风险报警时间阈值Δtal，或光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量至少有一个大于预设基于中心波长的告警值Δλ2al、且其持续时间大于预设潜在风险报警时间阈值Δtal，则高温超导磁体处于即将失超状态。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提出了一种高温超导磁体失超检测装置，包括两条光纤光栅串FBG1和FBG2，且光纤光栅串上有多个光纤光栅，将光栅尺寸小、易安装、不受电磁干扰的光纤光栅作为高温超导磁体失超检测的传感器，光纤光栅可及时感测到磁体因失超而产生的微小形变和温升，对高温超导磁体的温度和应变均比较敏感，且本发明将光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2并联缠绕在高温超导磁体表面，将光纤光栅串FBG1贴附在高温超导磁体表面，将光纤光栅串FBG2固定在高温超导磁体表面，可以同时对高温超导磁体的各位置处的温度和应变进行快速检测，当磁体发生局部故障时，由于局部区域热量的积累，该区域将会很快发生温度和应变的变化，尽管此时的磁体电压仍未发生变化，也能通过温度和应变的变化检测到磁体发生故障，大大提高了高温超导磁体失超检测的速度，且能够快速检测到高温超导磁体上处于失超状态的具体位置。
2、本发明所提出的高温超导磁体失超检测装置，可以同时对磁体的温度、应变和电压等多状态量进行监测，并针对磁体多状态量预设的多个失超判定阈值，能针对磁体不同的故障类型做出快速反应、应用场景更为广泛：对于局部区域热扰动导致的失超故障，失超检测装置可基于两条光纤光栅串迅速检测到故障区域的温度和应变变化，一旦超过温度、应变判定阈值便发出报警信号；对于过电流、磁体短路故障导致的磁体电压变化，失超检测装置可基于电压探头快速检测到磁体电压变化，一旦超过电压判定阈值，便发出报警信号。
3、发明提出了一种高温超导磁体失超检测装置，该装置基于光纤光栅串对高温超导磁体各个位置处的温度和应变进行实时快速的检测，不仅可以准确定位磁体局部故障位置，还能监测到局部故障区域积累的热量向相邻区域扩散的方向、进而确定受磁体局部区域失超故障影响的其他区域的范围，有利于磁体维修检测时的故障排除、缩小故障排查的范围，减少故障处理时间。
4、本发明提出了一种高温超导磁体失超检测方法，基于光纤光栅串对高温超导磁体的各个位置处的温度和应变进行实时快速的检测，并同时结合高温超导磁体的电压信息进行失超判断，极大降低了因外界干扰(测试器件损坏、线路老化、电磁干扰等)而发生误判的几率，检测速度快，且检测结果的准确性较高。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种高温超导磁体失超检测装置示意图；
图2为本发明实施例2提供的FBG1和FBG2的中心波长变化量Δλ-温度关系曲线图和FBG2的中心波长变化量Δλ-应变关系曲线图；其中，(a)为FBG1和FBG2的中心波长变化量Δλ-温度关系曲线图；(b)为FBG2的中心波长变化量Δλ-应变关系曲线图；
图3为本发明实施例2提供的带即将失超检测的高温超导磁体失超检测方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1、
一种高温超导磁体失超检测装置，如图1所示，包括：光纤光栅串FBG1、光纤光栅串FBG2、数据采集模块、数据处理模块；
其中，光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2并联缠绕在高温超导磁体表面，其中，光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上各有多个光纤光栅，光纤光栅串FBG1贴附在高温超导磁体表面，不使用粘胶固定，以避免光栅串FBG1受到磁体应变和温度交叉影响、仅对温度敏感；光纤光栅串FBG2使用粘胶固定在高温超导磁体表面；高温超导磁体放置在低温杜瓦罐中，光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2通过法兰从杜瓦罐中引出，并与数据采集模块相连；具体的，法兰为纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2提供了光栅引出通道，其内部除了光栅引出通道，其余部分均被填充以粘胶进行密封；数据采集模块上引出多个电压探头，分别与高温超导磁体相连，本实施例中，电压探头个数为2个，分别连接在高温超导磁体两端；数据采集模块与数据处理模块通过以太网相连；优选地，上述粘胶包括环氧树脂胶或硅胶；当粘胶为硅胶时，其耐高低温范围为-60℃～+200℃。本实施例中，可使用的环氧树脂胶为乐泰Hysol环氧胶，型号为E-90FL；可使用的硅胶为南大703胶，型号为703。具体的，在固定光纤光栅串FBG2时，使用耐液氮低温的环氧树脂胶将光栅串FBG2粘接到超导磁体表面，且粘接时环氧树脂胶均匀涂敷，避免由于粘胶涂敷不均匀而使FBG2发生低温啁啾现象。
光纤光栅串FBG1用于基于各光纤光栅的波长变化来感应高温超导磁体的温度，同时作为光纤光栅串FBG2的温度补偿装置；光纤光栅串FBG2用于基于各光纤光栅的波长变化来感应高温超导磁体的温度和应变；具体的，光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上的光纤光栅数量相同；具体数量根据高温超导磁体的大小确定；光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上光纤光栅一一对应，可以同时感应高温超导磁体同一位置处的参数；其中，光纤光栅串FBG1上的第i个光纤光栅用于感应高温超导磁体第i个位置处的温度，光纤光栅串FBG2上的第i个光纤光栅用于感应高温超导磁体第i个位置处的温度和应变。本实施例中，光纤光栅串FBG1和FBG2为涂敷有聚酰亚胺、且具有高抗弯性的单模光纤，光纤光栅的数量为10～20个。
数据采集模块用于采集光纤光栅串FBG1、FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量和高温超导磁体各位置处的电压，并发送到所述数据处理模块；其中，光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量为FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量与受应变影响的中心波长变化量之和。具体的，数据采集模块包括FBG解调仪和电压信号采集仪；FBG解调仪的输入端与光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2的输出端相连，电压信号采集仪的输入端通过各电压探头与高温超导磁体相连；FBG解调仪用于采集光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量，并发送到数据处理模块中；电压信号采集仪用于通过电压探头采集高温超导磁体各位置处的电压，并发送到数据处理模块中。
数据处理模块用于根据光纤光栅串FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量，得到高温超导磁体各位置处的温度，并基于所得温度对光纤光栅串FBG2进行温度补偿，得到高温超导磁体各位置处的应变；根据所得高温超导磁体各位置处的温度、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量、高温超导磁体各位置处的应变和电压，对高温超导磁体的失超状态进行检测。
具体的，数据处理模块包括解调单元和失超判断单元；其中，解调单元的输出端与失超判断单元的输入端相连；
解调单元用于基于光纤光栅串FBG1的温度解调公式对FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量进行解调，得到高温超导磁体各位置处的温度，并输出到失超判断单元中；然后将光纤光栅串FBG2上所受的温度和应变交叉感应的影响解耦，具体为：根据光纤光栅串FBG2的温度解调公式和所得高温超导磁体各位置处的温度，得到光纤光栅串FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量后，与光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量相减，所得结果的绝对值即为光栅串FBG2上各光纤光栅受应变影响的中心波长变化量，基于FBG2的应变解调公式对其进行解调，得到高温超导磁体各位置处的应变，并输出到失超判断单元中；其中，FBG1和FBG2的温度解调公式为通过在液氮温度(77K)至室温范围内分别对FBG1和FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量与温度进行实验标定所得；FBG2的应变解调公式为通过在温度处于液氮温度(77K)至室温范围内的恒温环境下对FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量与应变进行实验标定所得；具体的，在液氮温度至室温范围内对FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量与温度进行实验标定，得到FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量随温度的变化曲线后，对所得曲线进行拟合得到FBG1的温度解调公式。在液氮温度(77K)至室温范围内对FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量与温度进行实验标定，得到FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量随温度的变化曲线后，对所得曲线进行拟合得到FBG2的温度解调公式。在温度处于液氮温度至室温范围内的恒温环境下对FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量与应变进行实验标定，得到FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量随应变的变化曲线，对所得曲线进行拟合得到FBG2的应变解调公式。
失超判断单元用于通过分别判断所得高温超导磁体各位置处的温度、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量、高温超导磁体各位置处的应变和电压与对应预设失超判断阈值之间的大小，以及上述各值超出其对应的预设失超判断阈值的时间，对高温超导磁体进行失超检测；具体为：
若高温超导磁体各位置处的温度至少有一个大于预设磁体运行温度最大值Tmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量至少有一个大于预设基于中心波长的失超判定值Δλ2max、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或高温超导磁体各位置处的应变至少有一个大于预设磁体最高允许应变值εmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或高温超导磁体各位置处的电压至少有一个大于预设基于电压的失超判定值ΔVmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，则高温超导磁体处于失超状态，此时需要提示高温超导磁体已经发生失超故障，并将报警信号传输至超导磁体包含系统，以确保系统及时做出保护动作。
为了给用户提供足够的反映和处理时间，本发明所提出的高温超导磁体失超检测装置中的数据处理模块还包括即将失超判断单元，对高温超导磁体即将失超状态进行检测。
其中，即将失超判断单元的输入端与解调单元的输出端相连；
即将失超判断单元用于计算所得高温超导磁体各位置处的温度的平均值，并通过分别判断所得高温超导磁体各位置处温度的平均值、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量与对应的预设即将失超判断阈值之间的大小，以及上述各值超出其对应预设即将失超判断阈值的时间，对高温超导磁体的即将失超状态进行检测；具体为：
若高温超导磁体各位置处的温度的平均值大于预设磁体运行温度告警值Tal、且其持续时间大于预设潜在风险报警时间阈值Δtal，或光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量至少有一个大于预设基于中心波长的告警值Δλ2al、且其持续时间大于预设潜在风险报警时间阈值Δtal，则高温超导磁体处于即将失超状态。
优选地，高温超导磁体失超检测装置还包括显示模块，其输入端与数据处理模块的输出端相连，用于实时显示FBG1和FBG2的波长信息(具体包括各光纤光栅各中心波长的变化量)、超导磁体的电压、高温超导磁体各位置处的温度和应变，以及高温超导磁体的状态。
实施例2、
一种基于实施例1所提供的高温超导磁体失超检测装置的高温超导磁体失超检测方法，包括以下步骤：
S1、采集光纤光栅串FBG1、FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量和高温超导磁体各位置处的电压；其中，光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量为FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量与受应变影响的中心波长变化量之和；
S2、根据光纤光栅串FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量，得到高温超导磁体各位置处的温度，并基于所得温度对光纤光栅串FBG2进行温度补偿，得到高温超导磁体各位置处的应变；
具体的，包括以下步骤：
S21、基于光纤光栅串FBG1的温度解调公式对FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量进行解调，得到高温超导磁体各位置处的温度；
S22、根据光纤光栅串FBG2的温度解调公式和所得高温超导磁体各位置处的温度，得到光纤光栅串FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量后，与光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量相减，所得结果的绝对值即为光栅串FBG2上各光纤光栅受应变影响的中心波长变化量，基于FBG2的应变解调公式对所得光栅串FBG2上各光纤光栅受应变影响的中心波长变化量进行解调，得到高温超导磁体各位置处的应变；
具体的，由于光纤光栅的中心波长变化同时受温度和应变影响，且光纤光栅在高温超导磁体的低温运行环境中波长和温度不成线性关系变化。因此，有必要对两条光纤光栅串做低温标定实验，得到适用于超导磁体低温运行环境中的温度、应变标定公式。具体的，首先对FBG1和FBG2进行温度标定，具体为：在液氮温度(77K)至室温范围内分别不断标定光纤光栅串FBG1和FBG2上各光栅中心波长变化量及其对应的温度，分别得到FBG1和上FBG2各光栅中心波长变化量随温度的变化曲线，通过曲线拟合分别得到FBG1和FBG2的波长变化量和温度之间的标定公式如下：
FBG1：Δλ1i＝f1(Ti),Ti＝f1 -1(Δλ1i)
FBG2：Δλ21i＝f2(Ti),Ti＝f2 -1(Δλ21i)
其中，Ti＝f1 -1(Δλ1i)和Ti＝f2 -1(Δλ21i)即为FBG1和FBG2的温度解调公式；i＝1,2,...M，M为FBG1或FBG2上光纤光栅的数量，Δλ1i为FBG1上第i个光纤光栅中心波长变化量；Δλ21i为FBG2上第i个光纤光栅中心波长变化量；Δλ21i为FBG2上第i个光纤光栅中心波长变化量，做温度标定实验时FBG2仅贴附在超导磁体上，此时其中心波长变化量仅受温度影响；Ti为FBG1上第i个光纤光栅位置处的高温超导磁体温度；由于光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2并联缠绕在高温超导磁体表面，且其光纤光栅一一对应，故Ti也是FBG2上第i个光纤光栅位置处的高温超导磁体温度。
具体的，本实施例中，经温度标定实验所得的FBG1和FBG2的中心波长变化量Δλ-温度关系曲线如图2(a)所示，采用多项式拟合的方法可得到中心波长变化量和温度的关系式为：
其次，对FBG2进行应变标定，具体为：在温度处于液氮温度至室温范围内的恒温环境下对FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量与应变进行实验标定，得到FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量随应变的变化曲线，对所得曲线进行拟合得到FBG2的波长变化量和应变之间的标定公式如下：
FBG2：Δλ2i＝f3(εi),εi＝f3 -1(Δλ22i)
其中，εi＝f3 -1(Δλ22i)为FBG2的应变解调公式，Δλ22i和εi分别为FBG2上第i个光纤光栅的中心波长变化量及其对应的高温超导磁体应变，需要说明是，做应变标定实验时，FBG2固定在超导磁体上，由于温度恒定，此时其中心波长变化量仅受应变影响。
具体的，在本实施例中，经标定实验所得的FBG2的中心波长变化量Δλ-应变关系曲线如图2(b)所示，采用线性拟合的方法可得到中心波长变化量和应变的关系式为：
εi＝f3 -1(Δλ22i)＝864.5·Δλ22i+15.25
由于在高温超导磁体失超检测装置中，光纤光栅串FBG2被环氧树脂胶固定在高温超导磁体上，FBG2上的光纤光栅中心波长会同时受温度和应变影响，因此，FBG2在实际应用中将会受到温度和应变的交叉影响，Δλ2i即为FBG2上第i个光纤光栅同时受温度和应变影响的中心波长变化量，其与温度、应变之间的关系为：
Δλ2i＝f2(Ti)+f3(εi)＝Δλ21i+Δλ22i；
其中，Δλ21i为FBG2上第i个光栅波长受温度影响的变化量，具体为：Δλ21i＝f2(Ti)；由于Ti＝f2 -1(Δλ21i)＝f1 -1(Δλ1i)，根据Δλ21i＝f2(Ti)和Δλ22i＝f3(εi)＝Δλ2i-Δλ21i，即可求出FBG2上第i个光栅波长受应变影响的变化量Δλ22i，再结合FBG2的应变解调公式，得到FBG2上第i个光纤光栅位置处的高温超导磁体应变εi＝f3 -1(Δλ22i)。
综上，FBG1第i个光纤光栅位置处的高温超导磁体的温度表达式为：Ti＝f1 -1(Δλ1i)；FBG2上第i个光纤光栅位置处的高温超导磁体的温度和应变表达式分别为：Ti＝f2 -1(Δλ21i)＝f1 -1(Δλ1i)和εi＝f3 -1(Δλ22i)＝f3 -1(Δλ2i-Δλ21i)＝f3 -1[Δλ2i-f2(Ti)]。
通过上述过程，使用不受应变影响的FBG1作为FBG2的温度补偿装置，即可由FBG1测量得到FBG2的温度，再由测得的温度值计算得到FBG2上光栅波长受温度影响的变化量，进而可以求得FBG2上各光纤光栅发生的应变。
S3、通过分别判断所得高温超导磁体各位置处的温度、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量、高温超导磁体各位置处的应变和电压与对应预设失超判断阈值之间的大小，以及上述各值超出其对应预设失超判断阈值的时间，对高温超导磁体进行失超检测。
本实施例中对高温超导电缆进行失超检测及判定，具体的，上述预设失超判断阈值包括：预设磁体运行温度最大值Tmax、预设失超报警时间阈值Δtmax、基于中心波长的失超判定值Δλ2max、预设磁体最高允许应变值εmax和预设基于电压的失超判定值ΔVmax。步骤S3包括：
若高温超导磁体各位置处的温度(Ti)至少有一个大于预设磁体运行温度最大值Tmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量(Δλ2i)至少有一个大于预设基于中心波长的失超判定值Δλ2max、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或高温超导磁体各位置处的应变(εi)至少有一个大于预设磁体最高允许应变值εmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或高温超导磁体各位置处的电压(ΔVj)至少有一个大于预设基于电压的失超判定值ΔVmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，则高温超导磁体处于失超状态，此时需要提示高温超导磁体已经发生失超故障，并将报警信号传输至超导磁体包含系统，以确保系统及时做出保护动作；其中，j∈[1，M]，M为电压探头的个数。
具体的，上述预设失超判断阈值中，预设磁体运行温度最大值Tmax为磁体磁体可正常运行的最高工作温度，本实施例中取为80K；预设基于中心波长的失超判定值Δλ2max为磁体发生失超故障时的中心波长最大变化量，本实施例中取为30pm；预设磁体最高允许应变值εmax为磁体发生失超故障时的磁体表面沿超导带材轴向发送的最大应变，本实施例中取为36με；预设基于电压的失超判定值ΔVmax为磁体发生失超故障时的电压临界值，按惯例取为0.1μV/cm；预设失超报警时间阈值Δtmax为磁体发生失超故障后所允许继续运行的最大持续时间，本实施例中取为0.5s，持续时间一旦超过，则发送磁体失超报警信号，启动保护动作。
进一步地，为了给用户提供足够的反映和处理时间，上述高温超导磁体失超检测方法，还包括步骤S4，在执行完步骤S2执行之后、执行步骤S3之前，执行步骤S4判断高温超导磁体的即将失超状态，若高温超导磁体并不处于即将失超状态，则转至步骤S1，否则，转至步骤S3判断高温超导磁体的失超状态，若高温超导磁体处于失超状态，则发出失超报警信号，检测结束；否则，高温超导磁体处于即将失超状态，此时需要提示高温超导电缆具有发生失超故障的风险，发出即将失超报警信号后，转至步骤S1；
步骤S4包括：计算所得高温超导磁体各位置处的温度的平均值，通过分别判断所得高温超导磁体各位置处温度的平均值、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量与对应的预设即将失超判断阈值之间的大小，以及上述各值超出其对应预设即将失超判断阈值的时间，对高温超导磁体是否处于即将失超状态进行检测和判断；
其中，预设即将失超判断阈值包括：预设磁体运行温度告警值Tal、预设潜在风险报警时间阈值Δtal和预设基于中心波长的告警值Δλ2al；
具体的，若高温超导磁体各位置处的温度的平均值Tav大于预设磁体运行温度告警值Tal、且其持续时间大于预设潜在风险报警时间阈值Δtal，或光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量(Δλ2i)至少有一个大于预设基于中心波长的告警值Δλ2al、且其持续时间大于预设潜在风险报警时间阈值Δtal，则高温超导磁体处于即将失超状态。
具体的，上述预设即将失超判断阈值中，预设磁体运行温度告警值Tal的值为保证磁体正常运行的平均工作温度，本实施例中取为77K；中心波长的告警值Δλ2al为磁体局部区域产生热扰动但仍未发生失超时的中心波长最大变化量，本实施例中取为21pm；潜在风险报警时间阈值Δtal为温度和波长超过对应告警值所允许持续的最大时间，本实施例中取为2s，持续时间一旦超过Δtal则说明磁体有可能发生失超故障，检测装置将发出告警信号。
为了更清楚的描述上述方法，下面结合如图3进行说明，其中，Δtl为高温超导磁体各位置处的温度的平均值Tav大于预设磁体运行温度告警值Tal时的持续时间，Δλ2k为光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量(Δλ2i)中大于预设基于中心波长的告警值Δλ2al的某一中心波长变化量，Δt2为Δλ2k大于预设基于中心波长的告警值Δλ2al时的持续时间；在步骤S4中若不满足((Tav＞Tal)∩(Δt1＞Δtal))∪((Δλ2k＞Δλ2al)∩(Δt1＞Δtal))时，则转至步骤S1；否则，转至步骤S3判断高温超导磁体的失超状态，其中，Tm为高温超导磁体各位置处的温度(Ti)中大于预设磁体运行温度最大值Tmax的某一温度值，Δt3为Tm大于预设磁体运行温度最大值Tmax的持续时间；Δλ2l为光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量(Δλ2i)中大于预设基于中心波长的失超判定值Δλ2max的某一中心波长变化量，Δt4为Δλ2l大于预设基于中心波长的失超判定值Δλ2max时的持续时间；εn为高温超导磁体各位置处的应变(εi)中大于预设磁体最高允许应变值εmax的某一应变，Δt5为εn大于预设磁体最高允许应变值εmax的持续时间；ΔVb为高温超导磁体各位置处的电压(ΔVj)中大于预设基于电压的失超判定值ΔVmax的某一电压值，Δt6为ΔVb大于预设基于电压的失超判定值ΔVmax的持续时间；在S3中，若满足((Tm＞Tmax)∩(Δt3＞Δtmax))∪((Δλ2l＞Δλ2max)∩(Δt4＞Δtmax)∪((εn＞εmax)∩(Δt5＞Δtmax))∪((ΔVb＞ΔVmax)∩(Δt6＞Δtmax))，则发出失超报警信号，检测结束；否则，高温超导磁体处于即将失超状态，此时发出即将失超报警信号，提示高温超导电缆具有发生失超故障的风险，并转至步骤S1。
综上所述，本发明使用光纤光栅作为传感器，结合电压探头，同时对高温超导磁体运行过程中的电压、温度、应变以及光纤光栅的波长信息进行实时检测，并对所得各检测量进行计算和处理，根据处理结果进行综合判定，及时发现和定位高温超导磁体上的失超故障位置，检测速度快，检测结果的准确性高，可以帮助磁体保护系统快速、准确地进行失超保护动作；除此之外，本发明还能够快速检测高温超导磁体的即将失超状态，以及高温超导磁体上处于即将失超状态的具体位置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高温超导磁体失超检测装置，其特征在于，包括：光纤光栅串FBG1、光纤光栅串FBG2、数据采集模块和数据处理模块；
所述光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2并联缠绕在高温超导磁体表面，其中，光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上各有多个光纤光栅，光纤光栅串FBG1贴附在高温超导磁体表面，光纤光栅串FBG2固定在高温超导磁体表面；高温超导磁体放置在杜瓦罐中，光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2从杜瓦罐中引出，并与所述数据采集模块相连；所述数据采集模块上引出多个电压探头，分别与高温超导磁体相连；所述数据采集模块与所述数据处理模块相连；
所述光纤光栅串FBG1用于基于各光纤光栅的波长变化来感应高温超导磁体的温度；
所述光纤光栅串FBG2用于基于各光纤光栅的波长变化来感应高温超导磁体的温度和应变；
所述数据采集模块用于采集光纤光栅串FBG1、FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量和高温超导磁体各位置处的电压，并发送到所述数据处理模块；其中，光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量为FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量与受应变影响的中心波长变化量之和；
所述数据处理模块用于根据光纤光栅串FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量，得到高温超导磁体各位置处的温度，并基于所得温度对光纤光栅串FBG2进行温度补偿，得到高温超导磁体各位置处的应变；根据所得高温超导磁体各位置处的温度、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量、高温超导磁体各位置处的应变和电压，对高温超导磁体的失超状态进行检测。
2.根据权利要求1所述的高温超导磁体失超检测装置，其特征在于，所述光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上的光纤光栅数量相同，且一一对应。
3.根据权利要求1所述的高温超导磁体失超检测装置，其特征在于，使用粘胶将光纤光栅串FBG2固定在高温超导磁体表面。
4.根据权利要求1所述的高温超导磁体失超检测装置，其特征在于，所述数据采集模块包括FBG解调仪和电压信号采集仪；
所述FBG解调仪的输入端与所述光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2的输出端相连，所述电压信号采集仪的输入端通过各电压探头与所述高温超导磁体相连；
所述FBG解调仪用于采集光纤光栅串FBG1和光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量，并发送到所述数据处理模块中；
所述电压信号采集仪用于通过电压探头采集高温超导磁体各位置处的电压，并发送到所述数据处理模块中。
5.根据权利要求1所述的高温超导磁体失超检测装置，其特征在于，所述高温超导磁体失超检测装置还包括显示模块，其输入端与数据处理模块的输出端相连，用于实时显示FBG1和FBG2的波长信息、超导磁体的电压、高温超导磁体各位置处的温度和应变，以及高温超导磁体的状态。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的高温超导磁体失超检测装置的高温超导磁体失超检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集光纤光栅串FBG1、FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量和高温超导磁体各位置处的电压；其中，光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量为FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量与受应变影响的中心波长变化量之和；
S2、根据光纤光栅串FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量，得到高温超导磁体各位置处的温度，并基于所得温度对光纤光栅串FBG2进行温度补偿，得到高温超导磁体各位置处的应变；
S3、通过分别判断所得高温超导磁体各位置处的温度、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量、高温超导磁体各位置处的应变和电压与对应预设失超判断阈值之间的大小，以及上述各值超出其对应预设失超判断阈值的时间，对高温超导磁体进行失超检测。
7.根据权利要求6所述的高温超导磁体失超检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21、基于光纤光栅串FBG1的温度解调公式对FBG1上各光纤光栅的中心波长变化量进行解调，得到高温超导磁体各位置处的温度；
S22、根据光纤光栅串FBG2的温度解调公式和所得高温超导磁体各位置处的温度，得到光纤光栅串FBG2上各光纤光栅受温度影响的中心波长变化量后，与光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量相减，所得结果的绝对值即为光栅串FBG2上各光纤光栅受应变影响的中心波长变化量，基于FBG2的应变解调公式对其进行解调，得到高温超导磁体各位置处的应变；
其中，在液氮温度至室温范围内分别不断标定光纤光栅串FBG1和FBG2上各光纤光栅中心波长变化量及其对应的温度，通过曲线拟合分别得到FBG1和FBG2的温度解调公式；
在恒温环境下不断标定光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量及其对应的应变，通过曲线拟合得到FBG2的应变解调公式。
8.根据权利要求7所述的高温超导磁体失超检测方法，其特征在于，所述预设失超判断阈值包括：预设磁体运行温度最大值Tmax、预设失超报警时间阈值Δtmax、基于中心波长的失超判定值Δλ2max、预设磁体最高允许应变值εmax和预设基于电压的失超判定值ΔVmax；
若高温超导磁体各位置处的温度至少有一个大于预设磁体运行温度最大值Tmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量至少有一个大于预设基于中心波长的失超判定值Δλ2max、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或高温超导磁体各位置处的应变至少有一个大于预设磁体最高允许应变值εmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，或高温超导磁体各位置处的电压至少有一个大于预设基于电压的失超判定值ΔVmax、且其持续时间大于预设失超报警时间阈值Δtmax，则高温超导磁体处于失超状态，此时需要提示高温超导磁体已经发生失超故障。
9.根据权利要求6所述的高温超导磁体失超检测方法，其特征在于，还包括步骤S4，在执行完步骤S2执行之后、执行步骤S3之前，执行步骤S4判断高温超导磁体的即将失超状态，若高温超导磁体并不处于即将失超状态，则转至步骤S1，否则，转至步骤S3判断高温超导磁体的失超状态，若高温超导磁体处于失超状态，则发出失超报警信号，检测结束；否则，发出即将失超报警信号，并转至步骤S1；
其中，步骤S4包括：计算所得高温超导磁体各位置处的温度的平均值，通过分别判断所得高温超导磁体各位置处温度的平均值、光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量与对应的预设即将失超判断阈值之间的大小，以及上述各值超出其对应预设即将失超判断阈值的时间，对高温超导磁体是否处于即将失超状态进行检测和判断。
10.根据权利要求9所述的高温超导磁体失超检测方法，其特征在于，所述预设即将失超判断阈值包括：预设磁体运行温度告警值Tal、预设潜在风险报警时间阈值Δtal和预设基于中心波长的告警值Δλ2al；
若高温超导磁体各位置处的温度的平均值大于预设磁体运行温度告警值Tal、且其持续时间大于预设潜在风险报警时间阈值Δtal，或光纤光栅串FBG2上各光纤光栅的中心波长变化量至少有一个大于预设基于中心波长的告警值Δλ2al、且其持续时间大于预设潜在风险报警时间阈值Δtal，则高温超导磁体处于即将失超状态。
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