CN114264555A - 一种超导线应变分布状态的测量装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超导线应变分布状态的测量装置与方法。该测量装置包括：温控仪，计算机，锁相放大器，函数发生器，双极放大器，氦气罐和液氦杜瓦；装置还包括：真空泵，氦气泵，压力表，线圈组和加热器；将待测超导线放置在拾取线圈内，然后装嵌在励磁线圈放入加热器内；将加热器放置在氦气罐中，然后一并安置在液氦杜瓦内；通过真空泵对氦气罐内抽真空，然后打开氦气泵通入适量氦气以确保样品加热均匀，氦气量通过压力表进行检测；通过函数发生器与双极放大器对励磁线圈产生交流电信号，同时锁相放大器检测拾取线圈的测试信号；通过加热器以及温控仪采集待测样品温度信号，然后计算机实时获取电信号与温度信号进行显示并计算应变分布。

Description

一种超导线应变分布状态的测量装置与测量方法

技术领域

本发明涉及超导电子学领域，具体涉及一种用于无损探测超导线应变分布状态的测量装置与方法。

背景技术

随着超导导体的不断发展与应用，诸如核磁共振成像、粒子加速器以及未来聚变堆的超导磁体均对其内部导体的工作磁场提出了更高的要求并要求运行性能稳定。Nb₃Sn铠装电缆导体(CICC)作为唯一一种既满足所需高磁场下稳定运行电流又可成功进行工业化生产的导体已被全面应用。但在高磁场下，导体内的Nb₃Sn复合超导线受到较大的洛伦兹力作用进而导致性能容易发生衰退，所以检测超导线性能衰退无可避免。目前大多数对于超导线性能的检测均为有损解剖，即通过机械方法将超导线切开进行显微镜观察，这需要对样品进行破坏性试验且在解剖的过程中易造成二次损伤进而难以判断导体实际损伤程度。就无损探测导体性能方法而言，中子衍射的测量精度较高，但其测量成本过高且测量后的样品具有辐射性难以取回。交流磁化率测量方法可以进行超导样品性能的无损探测，成本较低且无辐射影响，其采集到的交流磁化率信号与温度信号数据可通过后处理转变为超导线的应变分布状态进而表征超导线的真实性能。因此，发展可测量超导线应变分布状态的装置是表征超导导体性能衰退的检测方法之一。

为了准确的测量超导线的真实应变分布状态，对于待测超导线的长度具有一定要求。考虑到超导线产生应变后存在线的弯扭现象，需要进一步增大交流磁化率测量区域，对于存放待测样品区域的体积要求大于90立方毫米以上。而目前的交流磁化率测量装置均只能测量较小体积下甚至粉末状的待测样品，这对于大块体积的待测超导线而言无法满足。且目前对于超导样品的测量方法大多为对样品施加一定应变并测试它的性能随应变的变化，而对于股线本身的真实应变状态测量少有提及。

分析大科学装置中超导导体的实际性能对于导体后续的设计与研制十分重要，通过交流磁化率加后续算法处理的方法测量超导线的应变分布状态为导体性能的评估提供了一种新的研究思路。目前测量交流磁化率的装置与方法仅适用于微小体积下的样品，无法对具有一定长度的弯扭超导线进行精确测量且无法对超导样品的真实应变状态进行无损探测。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提出一种超导线应变分布状态的测量装置与方法，其适用于测量较大体积下的超导材料随温度的交流磁化率信号，并通过后续算法计算超导线的应变分布状态。

本发明的技术方案为：一种超导线应变分布状态的测量装置，包括温控仪、计算机、锁相放大器、函数发生器、双极放大器、氦气罐和液氦杜瓦、真空泵、氦气泵、压力表、线圈组和加热器；

所述线圈组、加热器、氦气罐和液氦杜瓦通过相互嵌套相连接，压力表、氦气泵以及真空泵均通过密封管道与氦气罐连接在一起，线圈组、加热器、温控仪以及计算机通过信号线相连接，线圈组、双极放大器、函数发生器、锁相放大器以及计算机通过信号线相连接：

所述线圈组，接收来自于函数发生器并经双极放大器放大后的交流电信号，并产生磁化率信号；

所述函数发生器，为锁相放大器提供参考交流电信号并为双极放大器提供交流电信号；

所述双极放大器，将函数放大器提供的交流电信号进行放大并提供给线圈组；

所述锁相放大器，将来自于线圈组的交流电信号与函数发生器的参考交流电信号进行处理与测量；

所述加热器，用于对其腔体内的线圈组与待测样品进行加热；

所述氦气罐，为其腔体内的加热器与线圈组提供均匀的氦气环境，并与外界液氦环境隔离开；

所述液氦杜瓦，用于冷却其腔体内的氦气罐、加热器、线圈组以及待测样品；

所述温控仪，用于测量线圈组中待测样品的待测温度，并通过控制加热器功率调整待测样品温度；

所述真空泵，用于抽取氦气罐内空气，使其初始状态处于真空状态；

所述氦气泵，用于向处于真空状态的氦气罐通入氦气；

所述压力表，用于测量氦气罐内氦气的气压；

所述计算机，用于获取来自于锁相放大器和温控仪的交流电信号与温度信号。

进一步的，所述线圈组中包括励磁线圈、拾取线圈以及补偿线圈，拾取线圈与补偿线圈位于同一圆柱体骨架的上下两部分并采取反向绕制，励磁线圈圆柱体骨架内腔半径大于拾取线圈与补偿线圈骨架外径，拾取线圈与补偿线圈骨架内部开有样品腔，用于放置待测样品，拾取线圈与补偿线圈骨架外部开有样品凹槽，用于放置温度传感器。

进一步的，所述线圈组、加热器以及温控仪相连接，圆柱形线圈组套入圆柱形加热器腔体内，线圈组内温度的上升通过加热器外侧的锰铜线圈实现，锰铜线圈采用无感双线反绕方式以降低自身电感，温控仪通过信号线连接线圈组中温度传感器与加热器，用于监测样品实际温度以及调整加热器的加热功率，并将其信号传递至计算机。

进一步的，所述加热器、氦气罐以及低温杜瓦相连接，加热器连同其内部线圈组放入氦气罐腔体内，然后氦气罐放入液氦杜瓦中，液氦杜瓦为氦气罐提供极低温冷却，而氦气罐将外部液氦环境与内部加热器隔绝开，确保加热器正常加热。

进一步的，所述真空泵、氦气罐、压力表通过密封管道与氦气罐相连接，真空泵将氦气罐内空气抽出，使氦气罐腔体内处于真空状态，随后关闭真空泵，打开氦气泵，并打开压力表，通过观察压力表，向氦气罐通入一定量的氦气，调节氦气罐内换热速率至合适数值。

进一步的，所述线圈组、双极放大器、函数发生器以及锁相放大器通过信号线相连接，函数发生器产生两部分交流信号，一部分为初始交流信号传入双极放大器，经双极放大器放大后，传递至线圈组中的励磁线圈，励磁线圈使拾取线圈感应出电压信号，然后传递至锁相放大器，经处理后传递至计算机。

进一步的，所述温控仪、锁相放大器与计算机通过信号线相连接，计算机通过Labview测试系统不断采集来自于温控仪与锁相放大器的温度信号与交流电信号，并实时显示磁化率信号与温度信号之间的关系曲线。

进一步的，所述样品凹槽设置在拾取线圈与补偿线圈骨架的拾取线圈的上下端部，便于采集待测样品温度信号，温度传感器与样品凹槽通过低温胶相连接。

进一步的，所述线圈组均采用可屏蔽外来信号的漆包纯铜线绕制，引出的铜线端套上一个空心塑料管，防止线发生损坏。

一种超导线应变分布状态测量方法，采用一种超导线应变分布状态装置实现，具体步骤如下：

步骤1：检查线圈组中的线圈与加热器上的锰铜电阻丝，确保没有线发生弯折与损坏；若发生线圈或电阻丝损坏则需要重新绕制线圈或电阻丝；

步骤2：将待测样品放置在拾取线圈的样品腔内，确保待测样品没有受到样品腔壁的挤压，防止待测样品初始应变状态被破坏；

步骤3：将氦气罐放入液氦杜瓦中，进行降温；

步骤4：打开真空泵对氦气罐内腔抽真空，根据真空泵上显示示数确保腔体内处于真空状态，抽真空时确保氦气泵与压力表关闭；

步骤5：打开氦气泵与压力表，对处于真空状态下的氦气罐通适量氦气，确保罐内氦气分布均匀；

步骤6：打开温控仪，温控仪通过放置在待测样品附近的温度传感器读取温度，并通过调整加热器功率控制样品温度；

步骤7：打开双极放大器、函数发生器以及锁相放大器，通过函数放大器对锁相放大器以及双极放大器提供交流电信号，双极放大器将交流电信号放大后传递至线圈组，线圈组感应出磁化率信号后再和函数放大器发出的参考交流电信号一同传递至锁相放大器，经锁相放大器处理后的交流磁化率信号输送至计算机中；

步骤8：打开计算机，启动Labview测试软件，同时接收来自于锁相放大器的交流磁化率信号与温控仪的温度信号，实时读取测量数据并显示交流磁化率信号与温度信号的曲线。

步骤9：通过Tikonov正则化技术对计算机所绘制的交流磁化率-温度曲线中的磁化率矩阵进行后处理可得到待测样品的应变分布状态。

有益技术效果：

1、本发明测量装置可通过内部拾取线圈所加工的样品腔容纳较大体积的超导线材，其所测量体积相对于现有技术来说大为提升；

2、本发明测量方法基于磁化率测量原理结合后续算法优化可对超导股线的真实应变状态进行无损探测，测量手段相较于现有技术更为先进；

3、本发明测量装置通过温控仪来精确提升加热器内的温度，并通过氦气泵向氦气罐内输入一定量的氦气，通过调节罐内氦气压来调整整体换热速率，确保样品升温均匀，有利于减小交流磁化率信号随温度信号变化曲线的波动现象，使输出结果更为准确；

4、本发明测量方法采用信号线将各精密仪表与计算机集成于一体，可自动读取并保存相应测量数据，防止了停电等意外发生时数据丢失的情况，并且计算机能实时显示交流磁化率信号随温度信号变化的曲线，有利于及时掌握测量实情，是可靠、准确及高效的测量方法。

附图说明

图1为本发明中超导线应变分布状态的测量装置总体示意图；

图2为本发明中线圈组中局部放大图；

图3为本发明中拾取线圈与补偿线圈示意图；

图4为本发明中测量方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对现有技术和实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

本发明实施例提出了一种超导线应变分布状态的测量装置，如图1所示，包括：双极放大器1，函数发生器2，锁相放大器3，计算机4，温控仪5，加热器6，氦气罐7，液氦杜瓦8，真空泵9，氦气泵10，压力表11以及线圈组12。

所述线圈组12、加热器6、氦气罐7、液氦杜瓦8均通过相互嵌套相连接，压力表11、氦气泵10以及真空泵9均通过密封管道与氦气罐7连接在一起，线圈组12、加热器6、温控仪5以及计算机4通过信号线相连接，线圈组12、双极放大器1、函数发生器2、锁相放大器3以及计算机4通过信号线相连接：

所述线圈组12，接收来自于函数发生器2并经双极放大器3放大后的交流电信号，并产生磁化率信号；

所述函数发生器2，为锁相放大器3提供参考交流电信号并为双极放大器1提供交流电信号；

所述双极放大器1，将函数放大器2提供的交流电信号进行放大并提供给线圈组12；

所述锁相放大器3，将来自于线圈组12的交流电信号与函数发生器2的参考交流电信号进行处理与测量；

所述加热器6，用于对其腔体内的线圈组12与待测样品进行加热；

所述氦气罐7，为其腔体内的加热器6与线圈组12提供均匀的氦气环境，并与外界液氦环境隔离开；

所述液氦杜瓦8，用于冷却其腔体内的氦气罐7、加热器6、线圈组12以及待测样品；

所述温控仪5，用于测量线圈组12中样品的待测温度，并通过控制加热器6功率调整样品温度；

所述真空泵9，用于抽取氦气罐7内空气，使其初始状态处于真空状态；

所述氦气泵10，用于向处于真空状态的氦气罐7通入氦气；

所述压力表11，用于测量氦气罐7内氦气的气压；

所述计算机4，用于获取来自于锁相放大器3和温控仪5的交流电信号与温度信号。

所述线圈组12中包括励磁线圈1201、拾取线圈1202以及补偿线圈1203，拾取线圈1202与补偿线圈1203位于同一圆柱体骨架的上下两部分并采取反向绕制，励磁线圈1201圆柱体骨架内腔半径大于拾取线圈1202与补偿线圈1203骨架外径，如图2所示；拾取线圈1202与补偿线圈1203骨架内部开有样品腔，用于放置待测样品，拾取线圈1202与补偿线圈1203骨架外部开有样品凹槽，用于放置温度传感器1204，如图3所示。

所述线圈组12、加热器6以及温控仪5通过信号线相连接，圆柱形线圈组12套入圆柱形加热器6腔体内，线圈组12内温度的上升通过加热器6外侧的锰铜线圈实现，锰铜线圈采用无感双线反绕方式以降低自身电感，温控仪5通过信号线连接线圈组12中温度传感器与加热器6，用于监测样品实际温度以及调整加热器的加热功率，并将其信号传递至计算机4。

所述加热器6、氦气罐7以及液氦杜瓦8相连接，加热器6连同其内部线圈组12放入氦气罐7腔体内，然后氦气罐7放入液氦杜瓦8中，液氦杜瓦8为氦气罐7提供极低温冷却，而氦气罐7将外部液氦环境与内部加热器6隔绝开，确保加热器6正常加热。

所述真空泵9、氦气罐7、压力表11通过密封管道与氦气罐7相连接，真空泵9将氦气罐7内空气抽出，使氦气罐7腔体内处于真空状态，随后关闭真空泵9，打开氦气泵10，并打开压力表11，通过观察压力表11，向氦气罐7通入一定量的氦气，调节氦气罐7内换热速率至合适数值。

所述线圈组12、双极放大器1、函数发生器2以及锁相放大器3通过信号线相连接，函数发生器2产生两部分交流信号，一部分为初始交流信号传入双极放大器1，经双极放大器1放大后，传递至线圈组12中的励磁线圈1201，励磁线圈1201使拾取线圈1202感应出电压信号，然后传递至锁相放大器3，经处理后传递至计算机4。

所述温控仪5、锁相放大器3与计算机4通过信号线相连接，计算机4通过Labview测试系统不断采集来自于温控仪5与锁相放大器3的温度信号与交流电信号，并实时显示磁化率信号与温度信号之间的关系曲线。

所述样品凹槽设置在拾取线圈与补偿线圈骨架的拾取线圈的上下端部，便于采集样品温度信号，温度传感器与所述样品凹槽通过低温胶相连接。

所述线圈组12均采用可屏蔽外来信号的漆包纯铜线绕制，引出的铜线端套上一个空心塑料管，防止线发生损坏。

基于上述测量方法，如图4所示，主要通过以下9个步骤来完成测试。

步骤1：检查线圈组中的线圈与加热器上的锰铜电阻丝，确保没有线发生弯折与损坏；若发生线圈或电阻丝损坏则需要重新绕制线圈或电阻丝；

步骤2：将待测样品放置在拾取线圈的样品腔内，确保样品没有受到样品腔壁的挤压，防止样品初始应变状态被破坏；

步骤3：将氦气罐放入液氦杜瓦中，进行降温；

步骤4：打开真空泵对氦气罐内腔抽真空，根据真空泵上显示示数确保腔体内处于真空状态，抽真空时确保氦气泵与压力表关闭；

步骤5：打开氦气泵与压力表，对处于真空状态下的氦气罐通适量氦气，确保罐内氦气分布均匀；

步骤6：打开温控仪，温控仪通过放置在样品附近的温度传感器读取温度，并通过调整加热器功率控制样品温度；

步骤7：打开双极放大器、函数发生器以及锁相放大器，通过函数放大器对锁相放大器以及双极放大器提供交流电信号，双极放大器将交流电信号放大后传递至线圈组，线圈组感应出磁化率信号后再和函数放大器发出的参考交流电信号一同传递至锁相放大器，经锁相放大器处理后的交流磁化率信号输送至计算机中；

步骤8：打开计算机，启动Labview测试软件，同时接收来自于锁相放大器的交流磁化率信号与温控仪的温度信号，实时读取测量数据并显示交流磁化率信号与温度信号的曲线。

步骤9：通过Tikonov正则化技术对计算机所绘制的交流磁化率-温度曲线中的磁化率矩阵进行后处理可得到样品的应变分布状态。

以上所述，仅为本发明的一个具体实施方式的概念图，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超导线应变分布状态的测量装置，其特征在于，包括温控仪、计算机、锁相放大器、函数发生器、双极放大器、氦气罐和液氦杜瓦、真空泵、氦气泵、压力表、线圈组和加热器；

所述线圈组、加热器、氦气罐和液氦杜瓦通过相互嵌套相连接，压力表、氦气泵以及真空泵均通过密封管道与氦气罐连接在一起，线圈组、加热器、温控仪以及计算机通过信号线相连接，线圈组、双极放大器、函数发生器、锁相放大器以及计算机通过信号线相连接：

所述线圈组，接收来自于函数发生器并经双极放大器放大后的交流电信号，并产生磁化率信号；

所述函数发生器，为锁相放大器提供参考交流电信号并为双极放大器提供交流电信号；

所述双极放大器，将函数放大器提供的交流电信号进行放大并提供给线圈组；

所述锁相放大器，将来自于线圈组的交流电信号与函数发生器的参考交流电信号进行处理与测量；

所述加热器，用于对其腔体内的线圈组与待测样品进行加热；

所述氦气罐，为其腔体内的加热器与线圈组提供均匀的氦气环境，并与外界液氦环境隔离开；

所述液氦杜瓦，用于冷却其腔体内的氦气罐、加热器、线圈组以及待测样品；

所述温控仪，用于测量线圈组中待测样品的待测温度，并通过控制加热器功率调整待测样品温度；

所述真空泵，用于抽取氦气罐内空气，使其初始状态处于真空状态；

所述氦气泵，用于向处于真空状态的氦气罐通入氦气；

所述压力表，用于测量氦气罐内氦气的气压；

所述计算机，用于获取来自于锁相放大器和温控仪的交流电信号与温度信号。

2.如权利要求1所述的一种超导线应变分布状态的测量装置，其特征在于：

所述线圈组中包括励磁线圈、拾取线圈以及补偿线圈，拾取线圈与补偿线圈位于同一圆柱体骨架的上下两部分并采取反向绕制，励磁线圈圆柱体骨架内腔半径大于拾取线圈与补偿线圈骨架外径，拾取线圈与补偿线圈骨架内部开有样品腔，用于放置待测样品，拾取线圈与补偿线圈骨架外部开有样品凹槽，用于放置温度传感器。

3.如权利要求1所述的一种超导线应变分布状态的测量装置，其特征在于：

所述线圈组、加热器以及温控仪相连接，线圈组套入圆柱形的加热器腔体内，线圈组内温度的上升通过加热器外侧的锰铜线圈实现，锰铜线圈采用无感双线反绕方式以降低自身电感，温控仪通过信号线连接线圈组中温度传感器与加热器，用于监测待测样品实际温度以及调整加热器的加热功率，并将其信号传递至计算机。

4.如权利要求1所述的一种超导线应变分布状态的测量装置，其特征在于：

所述加热器连同其内部线圈组放入氦气罐腔体内，然后氦气罐放入液氦杜瓦中，液氦杜瓦为氦气罐提供极低温冷却，而氦气罐将外部液氦环境与内部加热器隔绝开，确保加热器正常加热。

5.如权利要求1所述的一种超导线应变分布状态的测量装置，其特征在于：

所述真空泵、氦气罐、压力表通过密封管道与氦气罐相连接，真空泵将氦气罐内空气抽出，使氦气罐腔体内处于真空状态，随后关闭真空泵，打开氦气泵，并打开压力表，通过观察压力表，向氦气罐通入一定量的氦气，调节氦气罐内换热速率至合适数值。

6.如权利要求1所述的一种超导线应变分布状态的测量装置，其特征在于：

所述线圈组、双极放大器、函数发生器以及锁相放大器通过信号线相连接，函数发生器产生两部分交流信号，一部分为初始交流信号传入双极放大器，经双极放大器放大后，传递至线圈组中的励磁线圈，励磁线圈使拾取线圈感应出电压信号，然后传递至锁相放大器，经处理后传递至计算机。

7.如权利要求1所述的一种超导线应变分布状态的测量装置，其特征在于：

所述温控仪、锁相放大器与计算机通过信号线相连接，计算机通过Labview测试系统不断采集来自于温控仪与锁相放大器的温度信号与交流电信号，并实时显示磁化率信号与温度信号之间的关系曲线。

8.如权利要求2所述的一种超导线应变分布状态的测量装置，其特征在于：

所述样品凹槽设置在所述拾取线圈与补偿线圈的骨架的拾取线圈的上下端部，便于采集待测样品温度信号，温度传感器与所述样品凹槽通过低温胶相连接。

9.如权利要求1所述的一种超导线应变分布状态的测量装置，其特征在于：

所述线圈组均采用可屏蔽外来信号的漆包纯铜线绕制，引出的铜线端套上一个空心塑料管，防止铜线发生损坏。

10.一种超导线应变分布状态的测量方法，具体步骤如下：

步骤1：检查线圈组中的线圈与加热器上的锰铜电阻丝，确保没有发生弯折与损坏；若发生线圈或电阻丝损坏则需要重新绕制线圈或电阻丝；

步骤2：将待测样品放置在拾取线圈的样品腔内，确保样品没有受到样品腔壁的挤压，防止样品初始应变状态被破坏；

步骤3：将氦气罐放入液氦杜瓦中，进行降温；

步骤4：打开真空泵对氦气罐内腔抽真空，根据真空泵上显示示数确保腔体内处于真空状态，抽真空时确保氦气泵与压力表关闭；

步骤5：打开氦气泵与压力表，对处于真空状态下的氦气罐通适量氦气，确保罐内氦气分布均匀；

步骤6：打开温控仪，温控仪通过放置在待测样品附近的温度传感器读取温度，并通过调整加热器功率控制待测样品温度；

步骤7：打开双极放大器、函数发生器以及锁相放大器，通过函数放大器对锁相放大器以及双极放大器提供交流电信号，双极放大器将交流电信号放大后传递至线圈组，线圈组感应出磁化率信号后再和函数放大器发出的参考交流电信号一同传递至锁相放大器，经锁相放大器处理后的交流磁化率信号输送至计算机中；

步骤8：打开计算机，启动Labview测试软件，同时接收来自于锁相放大器的交流磁化率信号与温控仪的温度信号，实时读取测量数据并显示交流磁化率信号与温度信号的曲线；

步骤9：通过Tikonov正则化技术对计算机所绘制的交流磁化率-温度曲线中的磁化率矩阵进行后处理可得到待测样品的应变分布状态。

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