CN114113749A - 一种超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置及方法，包括力学加载装置、测试组件、液氮箱和电流加载系统，力学加载装置内设置液氮箱，液氮箱内设置包括圆盘组和中心轴的测试组件，超导带材设置于圆盘组上且两端通过导电夹具竖直设置于拉杆上，拉杆上设有供导电夹具移动的滑槽，导电夹具与电流加载系统连接，超导带材上设有电压测量线。通过转动中心轴使圆盘组平移，实现不同半径下超导带材弯曲变形临界电流测试，弯曲变形下向上拉动超导带材可实现超导带材弯曲‑拉伸组合变形临界电流测试。本发明避免了室温弯曲‑低温测量的热循环对弯曲变形下临界电流测试的影响，并且可实现不同半径的弯曲‑拉伸组合变形下临界电流的测试。
Description
技术领域
本发明属于高温超导带材技术领域，尤其涉及一种超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置及方法。
背景技术
超导材料在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质，在电力行业、通信领域、军事领域以及医疗领域等有着广阔的应用前景。但在实际应用中，超导带材会被弯曲成两种最常用的超导结构：超导线圈、超导电缆。室温下，超导带材承受弯曲变形。液氮环境下，由于运行时产生的电磁力作用，超导带材承受弯曲-拉伸组合变形。由于超导层的脆性，在变形作用下，超导层有产生裂纹导致结构破坏的风险。同时伴随着超导性能的衰退甚至会造成超导结构失超，严重影响了超导磁体的安全运行。
目前采用的超导带材临界电流测试装置存在如下问题：
1、对于弯曲变形下超导带材的临界电流测量装置，是在室温下对超导带材添加弯曲变形后再在液氮温度下测量临界电流，该过程中总会存在热循环对超导结构产生的影响，并且测试时间长，液氮的损耗大。
2、对于弯曲-拉伸组合变形测试装置，测试不同弯曲半径下超导带材弯曲-拉伸组合变形的临界电流时，需要多次更换装置，无法在同一个装置上完成测试，测试程序复杂。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置及方法，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置，包括力学加载装置、测试组件、液氮箱和电流加载系统，所述力学加载装置采用万能电子拉伸试验机，万能电子拉伸试验机的机体内设置顶部开口的液氮箱，万能电子拉伸试验机的U型固定座设置于液氮箱内；所述测试组件包括圆盘组和中心轴，所述圆盘组由多个不同半径的同心圆盘组成，中心轴固定穿设于圆盘组的圆心处，圆盘组两侧的中心轴上设有螺纹，且U型固定座的两端螺纹套接于圆盘组两侧的中心轴上，所述中心轴的一端伸出液氮箱及万能电子拉伸试验机并设置手柄，超导带材呈U型状设置于所述圆盘组上，所述超导带材的两端通过导电夹具竖直设置于万能电子拉伸试验机顶部的拉杆上，所述拉杆上设有供导电夹具移动的滑槽，所述导电夹具与电流加载系统连接，所述超导带材上设有电压测量线。
本发明将超导带材、圆盘组、中心轴浸泡于液氮箱中，通过转动中心轴，能使圆盘组实现轴向的平移，便于改变超导带材弯曲变形的半径，并且变形过程中超导带材始终处于低温液氮箱中，避免了热循环对超导结构产生的影响。利用圆盘组和万能电子拉伸试验机可进行超导带材弯曲-拉伸组合变形，通过电流加载系统即可进行超导带材临界电流测试。
由于测试超导带材在不同半径圆盘处的弯曲变形时，需要在滑槽内移动导电夹具至待测圆盘水平直经两端竖直对应的位置，以保证在任意圆盘处进行超导带材测试时超导带材的两端始终处于竖直状态，所以为了避免测试特定半径过程中导电夹具滑动，在所述滑槽内设置锯齿状防滑条纹或者防滑橡胶条，以增加导电夹具与滑槽之间的摩擦力。
优选地，所述液氮箱采用透明材料制成，方便调整待测超导带材与圆盘之间的位置。
基于上述临界电流测试装置，本发明进一步提供了一种超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试方法，该方法包括以下步骤：
(1)将待测超导带材呈U型状缠绕于待测弯曲半径的圆盘上，其两端分别固定于导电夹具上，调整导电夹具在滑槽中的位置，使待测超导带材的两端竖直；
(2)启动万能电子拉伸试验机施加拉力载荷，待测超导带材与圆盘接触，使待测超导带材两端处于竖直拉直状态，根据万能电子拉伸试验机上的力载荷数值确定待测超导带材发生弯曲变形；在弯曲状态下，测量待测超导带材的临界电流，获得弯曲变形对超导带材临界电流的影响；
(3)测量不同弯曲半径下弯曲变形对超导带材临界电流的影响：步骤(2)之后，卸载力载荷，待测超导带材脱离圆盘，然后转动手柄，圆盘组平移，使下一待测弯曲半径的圆盘位于待测超导带材处，重复步骤(1)和(2)，测量临界电流；
如此不断重复步骤(3)，测得待测超导带材在不同弯曲半径下弯曲变形的临界电流退化曲线；
(4)测量不同弯曲半径下弯曲-拉伸组合变形对超导带材临界电流的影响：
a.步骤(2)之后，通过万能电子拉伸试验机逐步增加拉伸载荷，并在不同拉伸应变下分别测量临界电流，得到某一弯曲变形下的拉伸应变与临界电流退化的曲线；
b.然后卸载力载荷，更换待测超导带材，测量下一弯曲半径下弯曲-拉伸组合变形的临界电流，使下一弯曲半径的圆盘移动至已更换的待测超导带材处，重复步骤(1)、(2)和(4)a，测量临界电流；
如此不断重复步骤(4)，测得待测超导带材在不同弯曲半径下弯曲-拉伸组合变形的临界电流。
优选地，步骤(4)中，所述待测超导带材的两端分别设置有第一应变片，调整两端拉直第一应变片，使两端测量的应变数值相等，测得弯曲变形时待测超导带材的临界电流后，以0.05％的应变步长逐步增加拉伸载荷。通过在待测超导带材两端设置应变片，能够直观的确定测量过程中待测超导带材两端是否处于拉直状态。此外，待测超导带材的弯曲段上设置有第二应变片，电压测量线分别设置于第二应变片的两侧，通过第二应变片实现弯曲-拉伸组合应变的测量。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在液氮环境下实现超导带材不同曲率的弯曲变形，避免了室温下进行弯曲，而液氮下进行测量的升温、降温过程所引起的热循环对超导带材临界电流的影响，同时缩短了测试时间，并且节省液氮。
(2)超导带材弯曲变形后可添加拉伸变形，实现液氮温度下弯曲-拉伸组合应变对超导带材临界电流影响的测量；并且在弯曲-拉伸组合变形过程中，超导带材的两端始终处于竖直状态，保证测量过程中对带材临界电流造成影响的只有弯曲和拉伸的机械载荷。
附图说明
图1是本发明实施例提供的力学加载装置的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置的内部侧视结构示意图。
图3是本发明实施例提供的超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置的内部正视结构示意图。
图中：1-力学加载装置；101-机体；102-拉杆；103-U型固定座；104-导电夹具；2-圆盘组；3-中心轴；4-液氮箱；5-手柄；6-超导带材；7-电压测量线；8-第一应变片；9-第二应变片。
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。
参照图1-3，一种超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置，包括力学加载装置1、测试组件、液氮箱4和电流加载系统，力学加载装置1采用常用于拉伸测试的万能电子拉伸试验机，其结构如图1所示，包括机体101、拉杆102和U型固定座103，拉杆102和U型固定座103分别设置于机体101内的上部和底部，拉杆102能上升或下降，通过拉杆102传递力载荷，拉杆102的底部设有滑槽，滑槽内安装有导电夹具104，导电夹具104用于夹持待测超导带材6，导电夹具104可沿滑槽移动，为了便于控制导电夹具104在滑槽中的位置，在滑槽内设置锯齿状防滑条纹或者防滑橡胶条，以增加导电夹具104与滑槽之间的摩擦力，U型固定座103用于安装测试组件。
如图2-3所示，在万能电子拉伸试验机的机体101内放置液氮箱4，液氮箱4顶部开口，U型固定座103设置于液氮箱4内，U型固定座103的底部穿过液氮箱4的底面与机体101的底座固定连接，U型固定座103的底部与液氮箱4底面的连接处进行密封处理。U型固定座103中安装测试组件，测试组件包括圆盘组2和中心轴3，圆盘组2由多个不同半径的同心圆盘组成，本发明为了方便测试不同弯曲半径，将多个不同半径的同心圆盘按照半径大小依次排列，圆盘组2的圆心穿设中心轴3，中心轴3水平设置，并且中心轴3的两端伸出圆盘组2，伸出圆盘组2两侧的中心轴3上设有螺纹，U型固定座103的两端螺纹套接于圆盘组2两侧的中心轴3上，中心轴3的一端伸出液氮箱4及万能电子拉伸试验机的机体101，并在该伸出端设置手柄5，通过转动手柄5可以使中心轴3转动，中心轴3通过与U型固定座103的螺纹连接方式能实现中心轴3的平移，从而带动圆盘组2转动并实现水平移动，为方便观察圆盘组2的移动位置，易于调整待测超导带材6与特定半径圆盘之间的位置，液氮箱4采用透明材料制成。由于测试中需要平移圆盘组2，本实施例中将圆盘组2焊接固定于中心轴3上。超导带材6呈U型状，中间的弯曲部分缠于圆盘组2中某一圆盘的底部半圆弧处，超导带材6的两端通过导电夹具104竖直设置于万能电子拉伸试验机顶部的拉杆102上，导电夹具104采用黄铜材料，导电夹具104与电流加载系统连接，常见的电流加载系统包括超导直流电源、纳伏表以及Labview程序，通过导电夹具104向超导带材6引入直流电，超导带材6上设有与纳伏表连接的电压测量线7。纳伏表通过超导带材6上的电压测量线7测量带材上的电压，当产生的电场强度超过1uV/cm即认为发生了失超，此时对应的电流为该应力-应变状态下的临界电流。
测试方法如下：
1、安装待测超导带材
确定待测弯曲半径，选择圆盘组2中相应半径的圆盘作为目标圆盘，将超导带材6呈U型状设置，超导带材6的中间位置缠绕于目标圆盘底部，超导带材6的两端分别固定于导电夹具104上，根据目标圆盘的直经调整导电夹具104在滑槽中的位置，使待测超导带材6的两端竖直。
2、施加载荷，弯曲变形
启动万能电子拉伸试验机，拉杆102上拉，待测超导带材6与目标圆盘底部半圆弧接触，使待测超导带材6两端处于竖直拉直状态，万能电子拉伸试验机上的力载荷为10N时即造成待测超导带材6弯曲变形；在该弯曲状态下，通过待测超导带材6上连接的黄铜导电夹具104、电压测量线7及电流加载系统测量该弯曲半径下待测超导带材6的临界电流。
3、更换弯曲半径，测量不同弯曲半径下弯曲变形的临界电流
特定弯曲半径下待测超导带材6的临界电流测试之后，卸载力载荷，通过万能电子拉伸试验机控制拉杆102下降，待测超导带材6脱离目标圆盘，然后转动手柄5，中心轴3转动带动圆盘组2水平移动，使下一半径的目标圆盘位于待测超导带材6弯曲段上方，根据该变形半径滑动导电夹具104，使待测超导带材6的两端仍处于竖直，重复上述步骤2测量该弯曲半径下的临界电流。
依次不断重复上述步骤3，测得待测超导带材6在不同弯曲半径下弯曲变形的临界电流退化曲线；需要注意的是，不同弯曲半径下弯曲变形的临界电流测量过程中，因为小圆盘的变形会导致临界电流的不可逆退化，故必须先测大半径圆盘下弯曲变形的临界电流，之后更换小半径圆盘下弯曲变形的临界电流。
4、弯曲-拉伸组合变形临界电流测试：
先根据上述步骤1安装待测超导带材6，然后根据上述步骤2施加拉力载荷，造成弯曲变形；之后通过万能电子拉伸试验机逐步增加拉伸载荷，并在不同拉伸应变下分别测量临界电流，得到某一弯曲变形下的拉伸应变与临界电流退化的曲线。测试过程中要确保待测超导带材6的两端始终处于竖直状态，为了能够直观的确定测量过程中待测超导带材6两端是否处于拉直状态，并方便控制拉伸变化，在待测超导带材6的两端分别设置有第一应变片8，待测超导带材6的弯曲段上设置有第二应变片9，电压测量线7分别设置于第二应变片9的两侧，通过第二应变片9实现弯曲-拉伸组合应变的测量，为了精准的测量，由于待测超导带材6与圆盘之间存在摩擦力，为了消除摩擦力对测量结果的影响，第二应变片9以设置于待测超导带材6上靠近伸直段处的弯曲段上为宜。拉伸变形前调整待测超导带材6两端，拉直第一应变片8，使两端测量的应变数值相等，然后以0.05％的应变步长逐步增加拉伸载荷，并且在各拉伸应变下分别测量临界电流，得到在某一弯曲变形下的拉伸应变与临界电流退化的曲线。
卸载力载荷，测量下一弯曲半径下弯曲-拉伸组合变形的临界电流，下降拉杆102，更换新的待测超导带材6，然后通过转动手柄5使圆盘组2中下一半径的圆盘平移至已更换的待测超导带材6处，重复上述步骤4中弯曲变形下的拉伸应变与临界电流退化曲线的测量。由于超导带材经拉伸后，带材已经损坏，因此进行不同半径弯曲-拉伸组合变形测试过程中，每侧一个弯曲半径就需要更换新的超导带材。
如此不断重复步骤4，测得待测超导带材在不同弯曲半径下弯曲-拉伸组合变形的临界电流。
本发明测试过程中，超导带材的弯曲及变形测试均是在液氮温度下进行，避免了室温下弯曲-液氮温度下测量引起的热循环对超导带材临界电流的影响，缩短测试时间，节省液氮用量；并且由于超导带材在测试过程中始终处于竖直状态，所以保证了对超导带材临界电流造成影响的只有弯曲和拉伸的机械载荷，减小测试误差，提高测试结果的准确性。
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 (5)
1.一种超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置，其特征在于，包括力学加载装置、测试组件、液氮箱和电流加载系统，所述力学加载装置采用万能电子拉伸试验机，万能电子拉伸试验机的机体内设置顶部开口的液氮箱，万能电子拉伸试验机的U型固定座设置于液氮箱内；所述测试组件包括圆盘组和中心轴，所述圆盘组由多个不同半径的同心圆盘组成，中心轴固定穿设于圆盘组的圆心处，圆盘组两侧的中心轴上设有螺纹，且U型固定座的两端螺纹套接于圆盘组两侧的中心轴上，所述中心轴的一端伸出液氮箱及万能电子拉伸试验机并设置手柄，超导带材呈U型状设置于所述圆盘组上，所述超导带材的两端通过导电夹具竖直设置于万能电子拉伸试验机顶部的拉杆上，所述拉杆上设有供导电夹具移动的滑槽，所述导电夹具与电流加载系统连接，所述超导带材上设有电压测量线。
2.如权利要求1所述的超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置，其特征在于，所述滑槽内设置锯齿状防滑条纹或者防滑橡胶条。
3.如权利要求1所述的超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置，其特征在于，所述液氮箱采用透明材料制成。
4.一种超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试方法，利用权利要求1-3任一项所述的超导带材低温拉弯组合变形临界电流测试装置进行，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待测超导带材呈U型状缠绕于待测弯曲半径的圆盘上，其两端分别固定于导电夹具上，调整导电夹具在滑槽中的位置，使待测超导带材的两端竖直；
(2)启动万能电子拉伸试验机施加拉力载荷，待测超导带材与圆盘接触，使待测超导带材两端处于竖直拉直状态，根据万能电子拉伸试验机上的力载荷数值确定待测超导带材发生弯曲变形；在弯曲状态下，测量待测超导带材的临界电流，获得弯曲变形对超导带材临界电流的影响；
(3)测量不同弯曲半径下弯曲变形对超导带材临界电流的影响：步骤(2)之后，卸载力载荷，待测超导带材脱离圆盘，然后转动手柄，圆盘组平移，使下一待测弯曲半径的圆盘位于待测超导带材处，重复步骤(1)和(2)，测量临界电流；
如此不断重复步骤(3)，测得待测超导带材在不同弯曲半径下弯曲变形的临界电流退化曲线；
(4)测量不同弯曲半径下弯曲-拉伸组合变形对超导带材临界电流的影响：
a.步骤(2)之后，通过万能电子拉伸试验机逐步增加拉伸载荷，并在不同拉伸应变下分别测量临界电流，得到某一弯曲变形下的拉伸应变与临界电流退化的曲线；
b.然后卸载力载荷，更换待测超导带材，测量下一弯曲半径下弯曲-拉伸组合变形的临界电流，使下一弯曲半径的圆盘移动至已更换的待测超导带材处，重复步骤(1)、(2)和(4)a，测量临界电流；
如此不断重复步骤(4)，测得待测超导带材在不同弯曲半径下弯曲-拉伸组合变形的临界电流。
5.如权利要求4所述的液氮温度下超导带材临界电流测试方法，其特征在于，步骤(4)中，所述待测超导带材的两端分别设置有第一应变片，待测超导带材的弯曲段上设置有第二应变片，电压测量线分别设置于第二应变片的两侧，万能电子拉伸试验机逐步增加拉伸载荷前，调整两端拉直第一应变片，使两端测量的应变数值相等，逐步增加拉伸载荷时以0.05％的应变步长逐步增加拉伸载荷。
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