CN114184399A - 卷对卷超导带材转弯直径测试装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卷对卷超导带材转弯直径测试装置和方法，包括：待测超导带材卷绕在带材转弯直径测试部分上；临界电流测量部分采集待测超导带材的电压信息或磁场强度信息；向待测超导带材提供时变电流，以及通过临界电流测量部分采集对应时刻下的电压信息或磁场强度信息；根据得到的电压信息或磁场强度信息，得到待测超导带材在对应转弯直径下的临界电流值；在临界电流值的退化不超过预设值的情况下，最小的转弯直径即为待测超导带材的临界转弯直径。本发明能够快速有效的测到真正转弯直径。

Description

卷对卷超导带材转弯直径测试装置和方法
技术领域
本发明涉及超导带材领域，具体地，涉及一种卷对卷超导带材转弯直径测试装置和方法。
背景技术
高温超导有着非常广泛的应用,领域涉及工业、电力系统、电机、医疗、高能物理、交通、航空航天、军事等。高温超导的强电应用主要涉及大电流和高磁场。具体的产品包括高温超导故障限流器、储能装置、变压器、发电机、核磁共振、磁分离设备、电机、磁悬浮、电缆、电流引线、感应加热、高能加速器、电磁弹射系统、电磁炮、发动机、π介质发生器等。在这些应用当中，用的最多的就是高温超导带材所绕成的线圈。
在一些大科学装置中，需要用超导线圈产生极高的磁场，而线圈的尺寸又非常之大，例如托克马克的D型线圈。绕制这样的线圈，为了降低电感，在同样的安匝数下，线缆需要高临界电流、高载流密度。同时具有良好的机械特性与磁体制造过程中的弯曲等变形需求。
专利文献CN 103493152A《超导电缆及其制造方法》详细介绍了CORC(ConductorOn Round Core)线缆的构造。超导电缆采用绕着骨架缠绕的一个或多个超导带材。紧凑的超导电缆被配置为使用具有小直径例如小于10毫米的骨架。柔韧的超导电缆被配置有由柔韧材料制成的骨架。超导带状导体绕着骨架缠绕，同时超导层在绕组的绕弯的内侧被压缩，以防止对超导体的不可逆转的损坏。超导带材上有一层焊剂或每一层中的带状导体之间缠绕了焊剂护套。一个或多个焊剂层或护套被熔化以导致焊剂在该结构中流动，以把一些或所有的超导带状导体结合在一起，并形成机械上坚固的电缆，且电缆中的带材之间具有增强的电连接程度。
第二代高温超导带材是CORC电缆的主要选择，其是一种涂层材料，一般由金属基带、缓冲层(过渡层)、超导层以及保护层组成。制备超导性能优良的涂层导体，需要超导层具有一致的双轴织构。由于YBCO(钇钡铜氧，YBa2Cu3O7)超导薄膜在a/b轴方向的排列程度(面内织构)相对较难实现，而面内织构较差会严重降低超导性能。因此需要YBCO超导薄膜在已经具有双轴织构和匹配晶格的过渡层上外延生长。制备实现双轴织构有两种主流的技术路线，一种是轧制辅助双轴织构基带(RABiTS)技术，另一种为离子束辅助沉积(IBAD)技术。REBCO(REBa2Cu3Ox)超导层制备的常见技术分为多种，有脉冲激光沉积(PLD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、金属有机物分解(MOD)、磁控溅射(Magnetron sputtering)、反应共蒸发等(Co-evap)。最后一层是保护层，主要是用来保护超导层，一般在超导带材表面镀1-5um的银层。基于这样的结构，第二代高温超导带材抗压不抗拉，在弯曲的时候，晶粒能够承受较大的压应力，而不能承受较大的拉应力。因此通常弯曲的时候REBCO面向内，超导带材的临界转弯直径要小的多。所以一般情况下CORC电缆的超导带，也使用REBCO向内进行绕制。
为了提高线缆的临界电流密度，希望超导带材拥有更小的转弯直径，带材能够绕在更细的铜管上而不发生损坏。为此众多的高温超导带材生产厂商开发出了超薄的高温超导带材。为了消除带材弯曲后REBCO受到的应力，还开发了单面镀铜保护工艺，将超导层置于整个带材结构的几何中心。而这些带材能否用于在更细的铜棒载体上进行绕制，需要精密的去测试带材的临界转弯直径，即将带材进行弯曲后，临界电流的退化小于5％的直径临界值。
由于第一代高温超导带材转弯直径在10cm等级，大家通常采用的测试方法是利用不同直径的轮子，将带材绕在导轮上进行通流测试。测试方法如专利文献CN104965113A《用于高温超导带材力学性能测试的装置及其检测方法》所示。
CN22910950202.5《超导带材转弯直径的测试装置及方法》中，阐述了一种方法，可以用于快速测试超导带材的临界转弯直径值，结合两次磁测法测试可以快速有效准确的测出高温超导带材的单曲和双曲临界转弯直径值。然而这种快速的测试方式并没有被国际同行所认可，原因在于，大家认为临界转弯直径的物理量，是在带材承受着弯曲应力下的通流测试行为。CN22910950202.5的方法，带材不承受着弯曲应力下，且没有通流测试，这不是转弯直径这个物理量的真正含义，测试值仅仅表征了带材的不可逆损坏点。
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卷对卷超导带材转弯直径测试装置和方法。
根据本发明提供的一种卷对卷超导带材转弯直径测试装置，包括：带材转弯直径测试部分和临界电流测量部分；
待测超导带材卷绕在所述带材转弯直径测试部分上，所述带材转弯直径测试部分具多个预设的转弯直径；
所述临界电流测量部分包括：传感器，采集待测超导带材的电压信息或磁场强度信息；
通过向待测超导带材提供时变电流，以及通过所述临界电流测量部分采集对应转弯直径下的电压信息或磁场强度信息；
根据得到的电压信息或磁场强度信息，得到待测超导带材在对应转弯直径下的临界电流值；
在所述临界电流值的退化不超过预设值的情况下，最小的转弯直径即为待测超导带材的临界转弯直径。
优选地，所述带材转弯直径测试部分包括：转向轮和测试轮；
所述转向轮包括多个第一带材卡槽，所述测试轮包括多个转弯直径不同的第二带材卡槽，待测超导带材往返卷绕在所述测试轮的第一带材卡槽和所述转向轮的第二带材卡槽之间。
优选地，所述待测超导带材的两端分别连接导电端子，用于获取所述时变电流。
优选地，所述时变电流包括上升快下降慢的尖峰波形。
优选地，所述脉冲波形的脉宽小于50ms。
优选地，所述时变电流的峰值大于待测超导带材的临界电流值。
优选地，所述传感器包括：感应线圈、霍尔传感器、巨磁阻效应传感器、SQUID传感器或磁通门磁强计。
优选地，所述临界电流测量部分包括：传感器、传感器安装部和滑轨；
所述传感器安装于所述传感器安装部，所述传感器安装部滑动连接在所述滑轨上，能够在不同转弯直径的所述第二带材卡槽外侧之间移动。
根据本发明提供的一种卷对卷超导带材转弯直径测试方法，采用所述的卷对卷超导带材转弯直径测试装置，执行步骤：
步骤1：将待测超导带材卷绕在带材转弯直径测试部分；
步骤2：将待测超导带材浸没在液氮中，向待测超导带材提供时变电流，通过所述临界电流测量部分采集对应时刻下的电压信息或磁场强度信息；
步骤3：根据电压信息或磁场强度信息得到待测超导带材在对应转弯直径下的临界电流值；
步骤4：根据得到的不同转弯直径所对应的临界电流值，得到待测超导带材的临界转弯直径，其中，在对应转弯直径的临界电流值低于原始值的预设百分比的情况下，判定所述转弯直径小于待测超导带材的临界转弯直径。
优选地，通过多个所述临界电流测量部分同时采集不同转弯直径下的电压信息或磁场强度信息；或者，
通过一个所述临界电流测量部分按转弯直径由小到大依次采集不同转弯直径下的电压信息或磁场强度信息。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的卷对卷超导带材转弯直径测试装置能够快速有效的测到真正转弯直径这个物理量的值。
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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的局部放大图；
图3为临界电流测量部分的局部示意图；
图4为测试结果示意图。
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所示，本发明提供的一种卷对卷超导带材转弯直径测试装置，包括：带材转弯直径测试部分1和临界电流测量部分2两个部分。待测超导带材3卷绕在带材转弯直径测试部分1上，临界电流测量部分2用于检测待测超导带材3在对应转弯直径下的临界电流值。
如图1和图2所示，带材转弯直径测试部分包括：转向轮11和测试轮12。转向轮11包括多个第一带材卡槽，测试轮12包括多个转弯直径不同的第二带材卡槽，待测超导带材3往返卷绕在测试轮的第一带材卡槽和转向轮的第二带材卡槽之间。
如图3所示，临界电流测量部分2包括：一个或多个传感器21，安装在传感器安装部22上，传感器安装部22安装在滑轨23上，从而使得传感器安装部22(以及传感器21)能够在不同转弯直径的所述第二带材卡槽外侧之间移动，调整检测的位置，检测不同转弯直径的第二带材卡槽内的待测超导带材。
临界电流测量部分2采集待测超导带材对应位置(对应转弯直径)的待测超导带材的电压信息或磁场强度信息。传感器可以采用感应线圈、霍尔传感器、巨磁阻效应传感器、SQUID传感器或磁通门磁强计等，本发明对此不做限制。
通过导电端子3向待测超导带材提供时变电流，以及通过临界电流测量部分采集对应时刻下的电压信息或磁场强度信息。根据得到的电压信息或磁场强度信息，得到待测超导带材在对应转弯直径下的临界电流值。在临界电流值的退化不超过预设值的情况下，最小的转弯直径即为待测超导带材的临界转弯直径。
时变电流包括尖峰波形脉冲电流，尖峰波形脉冲电流呈上升快下降慢的波形，以便于后续数据分析。时变电流的峰值大于待测超导带材的临界电流值，脉宽小于50ms，以便于检测到待测超导带材3的在对应情况下的真实临界电流值。如图4所示，在电流增加的过程中，采集电压随时间变化的信号，从信号中能够找到对应临界电流的特征(电压上升到峰值位置后突降，该峰值位置即临界电流对应的位置)。
上述卷对卷超导带材转弯直径测试装置的使用方法如下：
步骤1：将待测超导带材卷绕在带材转弯直径测试部分。
步骤2：将待测超导带材浸没在液氮中，向待测超导带材提供时变电流，通过所述临界电流测量部分采集对应时刻下的电压信息或磁场强度信息。
步骤3：根据电压信息或磁场强度信息得到待测超导带材在对应转弯直径下的临界电流值。
步骤4：根据得到的不同转弯直径所对应的临界电流值，得到待测超导带材的临界转弯直径，其中，在对应转弯直径的临界电流值低于原始值的预设百分比的情况下，判定所述转弯直径小于待测超导带材的临界转弯直径。
其中，可以通过多个临界电流测量部分同时采集不同转弯直径下的电压信息或磁场强度信息，在每一个时变电流下，分别检测到不同转弯直径下的临界电流值。或者，也可以通过一个临界电流测量部分按转弯直径由小到大依次采集不同转弯直径下的电压信息或磁场强度信息，在每个转弯直径检测时都分别输入一个时变电流。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
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)

1.一种卷对卷超导带材转弯直径测试装置，其特征在于，包括：带材转弯直径测试部分和临界电流测量部分；
待测超导带材卷绕在所述带材转弯直径测试部分上，所述带材转弯直径测试部分具多个预设的转弯直径；
所述临界电流测量部分包括：传感器，采集待测超导带材的电压信息或磁场强度信息；
通过向待测超导带材提供时变电流，以及通过所述临界电流测量部分采集对应转弯直径下的电压信息或磁场强度信息；
根据得到的电压信息或磁场强度信息，得到待测超导带材在对应转弯直径下的临界电流值；
在所述临界电流值的退化不超过预设值的情况下，最小的转弯直径即为待测超导带材的临界转弯直径。
2.根据权利要求1所述的卷对卷超导带材转弯直径测试装置，其特征在于，所述带材转弯直径测试部分包括：转向轮和测试轮；
所述转向轮包括多个第一带材卡槽，所述测试轮包括多个转弯直径不同的第二带材卡槽，待测超导带材往返卷绕在所述测试轮的第一带材卡槽和所述转向轮的第二带材卡槽之间。
3.根据权利要求1所述的卷对卷超导带材转弯直径测试装置，其特征在于，所述待测超导带材的两端分别连接导电端子，用于获取所述时变电流。
4.根据权利要求1所述的卷对卷超导带材转弯直径测试装置，其特征在于，所述时变电流包括上升快下降慢的尖峰波形。
5.根据权利要求1所述的卷对卷超导带材转弯直径测试装置，其特征在于，所述脉冲波形的脉宽小于50ms。
6.根据权利要求1所述的卷对卷超导带材转弯直径测试装置，其特征在于，所述时变电流的峰值大于待测超导带材的临界电流值。
7.根据权利要求1所述的卷对卷超导带材转弯直径测试装置，其特征在于，所述传感器包括：感应线圈、霍尔传感器、巨磁阻效应传感器、SQUID传感器或磁通门磁强计。
8.根据权利要求2所述的卷对卷超导带材转弯直径测试装置，其特征在于，所述临界电流测量部分包括：传感器、传感器安装部和滑轨；
所述传感器安装于所述传感器安装部，所述传感器安装部滑动连接在所述滑轨上，能够在不同转弯直径的所述第二带材卡槽外侧之间移动。
9.一种卷对卷超导带材转弯直径测试方法，其特征在于，采用权利要求1所述的卷对卷超导带材转弯直径测试装置，执行步骤：
步骤1：将待测超导带材卷绕在带材转弯直径测试部分；
步骤2：将待测超导带材浸没在液氮中，向待测超导带材提供时变电流，通过所述临界电流测量部分采集对应时刻下的电压信息或磁场强度信息；
步骤3：根据电压信息或磁场强度信息得到待测超导带材在对应转弯直径下的临界电流值；
步骤4：根据得到的不同转弯直径所对应的临界电流值，得到待测超导带材的临界转弯直径，其中，在对应转弯直径的临界电流值低于原始值的预设百分比的情况下，判定所述转弯直径小于待测超导带材的临界转弯直径。
10.根据权利要求9所述的卷对卷超导带材转弯直径测试方法，其特征在于，通过多个所述临界电流测量部分同时采集不同转弯直径下的电压信息或磁场强度信息；或者，
通过一个所述临界电流测量部分按转弯直径由小到大依次采集不同转弯直径下的电压信息或磁场强度信息。
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