CN116379909A - 一种超导导体应变分布状态的测量装置与方法 - Google Patents

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戴超
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Abstract

本发明公开了一种超导导体应变分布状态的测量装置与方法，该装置包括真空杜瓦、补偿导体、信号补偿模块、超导导体、信号采集模块、超临界氦迫流冷却装置、变温装置、信号发生器、温控仪、功率放大器、数据采集卡和计算机等组件；该装置通过超临界氦迫流冷却装置产生超临界氦，用于冷却超导导体与补偿导体；利用变温装置对导体进行升降温，并由温控仪调控变温装置并采集温度信号；通过信号发生器对信号采集模块与信号补偿模块输入电信号，并由功率放大器进行信号放大；利用数据采集卡对放大信号进行采集与处理，然后计算机实时获取电信号与温度信号并计算出超导导体的应变分布状态。

Description

一种超导导体应变分布状态的测量装置与方法
技术领域
本发明属于超导电子学领域，具体涉及一种超导导体应变分布状态的测量装置与方法。
背景技术
CICC(铠装电缆)导体是聚变超导磁体系统的关键部件，导体性能及其稳定性关系到磁体的性能以及能否稳态运行，其研究难点在于大运行电流、高工作磁场所带来的强电磁载荷。诸如CFETR(中国聚变工程实验堆)与EU DEMO(欧洲聚变示范堆)等未来聚变堆磁体均会朝着大电流、高磁场的方向发展，则需要使用到以Nb3Sn为主的低温超导材料以及YBCO和Bi-2212等高温超导材料进行导体研制。但这些超导材料的性能对应变十分敏感，临界性能会随着应变的变化而发生显著退化。因此超导导体性能退化机理探究是目前超导磁体的核心问题之一，足够的导体运行性能和使用寿命是保证磁体稳定运行的重要前提之一。
为了测量不同实际工况下超导导体的真实应变状态，定量且准确的评估超导导体性能变化。2013年SPC(瑞士等离子体研究中心)提出了一种可以测量超导导体应变分布状态的检测方法，并取名为“磁测法”。磁测法是一种可以无损探测导体真实应变状态的方法，其测试方法的精度取决于对于超导导体的合理控温速率与信号监测精度。此方法相较于其他评估超导导体性能的方法如分流温度测试、中子衍射、CT探伤等具有经济运行成本较低，装置结构简单等优点。
为了对超导导体的应变状态分布进行准确测量以及配合其他检测方法进行多方面评估，需要准备大体积(>900cm3)的样品。但目前国内尚无对于超导导体的应变分布状态测量技术，且目前所发展的交流磁化率测试装置仅能对小体积样品进行测量，无法满足于实际超导导体的测试。
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导体应变分布状态的测量装置与方法，其适用于测量大体积超导导体在均匀的升降温速率下的交流磁化率信号，并通过后续计算可获得超导导体的应变分布状态。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超导导体应变分布状态的测量装置，包括真空杜瓦、补偿导体、超导导体、超临界氦迫流冷却装置、信号发生器、温控仪、功率放大器、数据采集卡和计算机；超导导体上安装有第一温度传感器，以实施监测超导导体的温度；其中：
补偿导体固定连接在超导导体的顶部，补偿导体和超导导体连接形成的一体结构放置在真空杜瓦内；补偿导体上安装有用于采集补偿导体信号的信号补偿模块，超导导体上安装有用于采集超导导体信号的信号采集模块；补偿导体和超导导体的中部沿其中轴线方向安装有中空冷却管；中空冷却管的一端通过变温装置与超临界氦迫流冷却装置连接，中空冷却管的另一端连接有出气管，出气管的出口伸出真空杜瓦外；变温装置用于控制从超临界氦迫流冷却装置输出的气体的温度，并将调节温度后的气体输送至中空冷却管内；变温装置靠近超导导体的一端安装有第二温度传感器，用于监测输入至超导导体的超临界氦的入口温度；
信号发生器用于为信号采集模块与信号补偿模块提供正弦波信号；
温控仪用于采集超导导体上的温度信号和用于调控变温装置，为超导导体进行均匀升降温；温控仪与第一温度传感器和第二温度传感器信号连接；
功率放大器用于将信号采集模块与信号补偿模块上采集的信号进行放大；
数据采集卡用于采集来自于功率放大器的信号并进行信号处理，得出样品的磁化率信号；
计算机用于获取来自于数据采集卡和温控仪的信号。
优选的，信号采集模块包括从上至下依次绕制在超导导体上的采集励磁线圈和Pick-up线圈；超导导体的下部为圆柱状，以便于采集励磁线圈和Pick-up线圈的绕制。进一步优选的，超导导体的圆柱状外部从上至下还包覆有采集上Kapton胶带、采集中Kapton胶带与采集下Kapton胶带；采集上Kapton胶带包覆在采集励磁线圈的上方，用于防止励磁线圈与其余组件发生接触损伤；采集中Kapton胶带包覆在Pick-up线圈上方，用于防止Pick-up线圈与励磁线圈发生接触损伤以及信号干扰；采集下Kapton胶带位于Pick-up线圈和超导导体之间，用于防止Pick-up线圈直接与超导导体接触，发生损伤。上述Kapton胶带材质为聚酰亚胺。
优选的，信号补偿模块包括补偿线圈和补偿励磁线圈，补偿线圈、补偿励磁线圈的结构分别与Pick-up线圈、采集励磁线圈的结构相同；补偿导体的上部为圆柱状，以便于采集补偿线圈和补偿励磁线圈的绕制。进一步优选的，补偿导体的圆柱状外部从上至下还包覆有补偿上Kapton胶带、补偿中Kapton胶带与补偿下Kapton胶带；补偿上Kapton胶带包覆在补偿励磁线圈的上方，用于防止补偿励磁线圈与其余组件发生接触损伤；补偿中Kapton胶带包覆在补偿线圈上方，用于防止补偿线圈与补偿励磁线圈发生接触损伤以及信号干扰；补偿下Kapton胶带位于补偿线圈和补偿导体之间，用于防止补偿线圈直接与补偿导体接触，发生损伤。
优选的，补偿导体由铜线组成，由于铜线没有磁性，能够用于信号补偿模块对于环境信号的采集。
优选的，变温装置包括紫铜弯管和缠绕在紫铜弯管表面的加热器；紫铜弯管用于接收来自于超临界氦迫流冷却装置提供的超临界氦；加热器为锰铜电阻丝，均匀缠绕在紫铜弯管表面，用于加热紫铜弯管内的超临界氦。温控仪采集第一温度传感器和第二温度传感器的信号并对加热器进行功率调控，以实现超导导体均匀的升降温控制，同时将温度信号传输至计算机。
优选的，补偿导体的上部安装有上转接头，出气管穿设上转接头后伸出至真空杜瓦外；超导导体的底部安装有下转接头，所述下转接头用于连接超导导体与变温装置。
优选的，中空冷却管的内部放置有圆柱棒，以便于超临界氦更充分的冷却超导导体。
优选的，采集励磁线圈、补偿励磁线圈、Pick-up线圈与补偿线圈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热缩管，防止线发生损坏。
本发明还公开了一种超导导体应变分布状态测量方法，其是利用如上述所述的测试装置完成的，包括以下步骤：
步骤1：检查信号补偿模块、信号采集模块中的各个线圈和加热器，确保没有线发生弯折与损坏；若发生损坏则需要即使更换；
步骤2：安装超导导体并将各组件进行组装；
步骤3：将组装好的各组件放置在真空杜瓦内进行抽真空，减小辐射热效应；
步骤4：通过超临界氦迫流冷却装置向变温装置中输入超临界氦，进行超导导体冷却；
步骤5：变温装置对超临界氦进行进行加热，对冷却后的超导导体进行升温；
步骤6：打开温控仪，温控仪读取第一温度传感器、第二温度传感器的温度信号；通过调整变温装置工作参数控制超导导体温度；
步骤7：打开信号发生器、功率放大器与数据采集卡，信号发生器向信号采集模块与信号补偿模块输入交流电信号，功率放大器和数据采集卡将采集到的交流电信号进行放大和处理并输送至计算机中；
步骤8：打开计算机，启动Labview测试软件，同时接收来自于数据采集卡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正则化技术利用计算机对曲线中的磁化率矩阵进行后处理可得到超导导体的应变分布状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的测量装置通过真空杜瓦的高真空状态提供绝热环境，可以对大体积的超导导体进行应变状态分布测试，其所测量体积相对于现有技术来说大为提升。
2、本发明提供的测量装置通过加热器对超临界氦进行加热并利用温控仪来调控加热器功率以确保导体升温速率均匀，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；
3、本发明测量装置的上转接头、下转接头可根据导体结构与类型进行调整更换，可适应于Nb3Sn、MgB2、YBCO、Bi-2212以及铁基等超导导体的应变分布状态测试。
4、本发明提供的测量方法，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为本发明中超导导体应变分布状态的测量装置总体示意图；
图2为本发明中超导导体示意图；
图3为本发明中信号采集模块示意图；
图4为本发明中变温装置示意图；
图5为本发明中测量方法流程图。
附图标记：1-出气管，2-上转接头，3-信号补偿模块，4-补偿导体，5-超导导体，6-信号采集模块，601-采集上Kapton胶带，602-采集励磁线圈，603-采集中Kapton胶带，604-Pick-up线圈，605-采集下Kapton胶带，7-下转接头，8-变温装置，801-紫铜弯管，802-加热器，9-真空杜瓦，10-超临界氦迫流冷却装置，11-信号发生器，12-温控仪，13-功率放大器，14-数据采集卡，15-计算机，16-第一温度传感器，17-第二温度传感器，18-中空冷却管，19-圆柱棒。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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发明和简化描述，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，因此不能理解为本发明的限制。本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。如无特殊说明外，本发明所使用的各个零部件均为市场上可直接购买得到的。
参考图1至图4，一种超导导体应变分布状态的测量装置，包括真空杜瓦9、补偿导体4、超导导体5、超临界氦迫流冷却装置10、信号发生器11、温控仪12、功率放大器13、数据采集卡14和计算机15；超导导体5上安装有第一温度传感器16，以实施监测超导导体5的温度；其中：
补偿导体4固定连接在超导导体5的顶部，补偿导体4和超导导体5连接形成的一体结构放置在真空杜瓦9内；进一步的，超导导体5可为Nb3Sn、MgB2、YBCO、Bi-2212以及铁基等超导导体；补偿导体4可由铜线组成；
超导导体5上安装有用于采集超导导体信号的信号采集模块6；信号采集模块6包括从上至下依次绕制在超导导体上的采集励磁线圈602和Pick-up线圈604；超导导体的下部为圆柱状，以便于采集励磁线圈602和Pick-up线圈604的绕制。超导导体的圆柱状外部从上至下还包覆有采集上Kapton胶带601、采集中Kapton胶带603与采集下Kapton胶带605；采集上Kapton胶带601包覆在采集励磁线圈602的上方，用于防止励磁线圈与其余组件发生接触损伤；采集中Kapton胶带603包覆在Pick-up线圈604上方，用于防止Pick-up线圈604与励磁线圈发生接触损伤以及信号干扰；采集下Kapton胶带605位于Pick-up线圈604和超导导体5之间，用于防止Pick-up线圈604直接与超导导体接触，发生损伤；上述Kapton胶带材质为聚酰亚胺。
补偿导体4上安装有用于采集补偿导体信号的信号补偿模块3，信号补偿模块3包括补偿线圈和补偿励磁线圈，补偿线圈、补偿励磁线圈的结构分别与Pick-up线圈、采集励磁线圈的结构相同；补偿导体的上部为圆柱状，以便于采集补偿线圈和补偿励磁线圈的绕制。进一步优选的，补偿导体的圆柱状外部从上至下还包覆有补偿上Kapton胶带、补偿中Kapton胶带与补偿下Kapton胶带；补偿上Kapton胶带包覆在补偿励磁线圈的上方，用于防止补偿励磁线圈与其余组件发生接触损伤；补偿中Kapton胶带包覆在补偿线圈上方，用于防止补偿线圈与补偿励磁线圈发生接触损伤以及信号干扰；补偿下Kapton胶带位于补偿线圈和补偿导体之间，用于防止补偿线圈直接与补偿导体接触，发生损伤。
补偿导体4和超导导体5的中部沿其中轴线方向安装有中空冷却管18，中空冷却管18的内部放置有圆柱棒19；中空冷却管18的一端通过变温装置8与超临界氦迫流冷却装置10连接，中空冷却管18的另一端连接有出气管1，出气管1的出口伸出真空杜瓦9外；优选的，补偿导体4的上部安装有上转接头2，出气管1穿设上转接头2后伸出至真空杜瓦9外；变温装置8包括紫铜弯管801和缠绕在紫铜弯管801表面的加热器802，加热器802为锰铜电阻丝。优选的，超导导体5的底部安装有下转接头7，下转接头7用于连接超导导体5与变温装置8。变温装置8用于控制从超临界氦迫流冷却装置10输出的气体的温度，并将调节温度后的气体输送至中空冷却管18内；变温装置8靠近超导导体5的一端安装有第二温度传感器17，用于监测输入至超导导体的超临界氦的入口温度；
信号发生器11用于为信号采集模块6与信号补偿模块3提供正弦波信号；
温控仪12用于采集超导导体上的温度信号和用于调控变温装置8，为超导导体进行均匀升降温；温控仪12与第一温度传感器16和第二温度传感器17信号连接；温控仪12采集第一温度传感器16和第二温度传感器17的信号并对加热器802进行功率调控，以实现超导导体均匀的升降温控制，同时将温度信号传输至计算机15。
功率放大器13用于将信号采集模块6与信号补偿模块3上采集的信号进行放大；
数据采集卡14用于采集来自于功率放大器13的信号并进行信号处理，得出样品的磁化率信号；
计算机15用于获取来自于数据采集卡14和温控仪12的信号。
本发明还公开了一种超导导体应变分布状态测量方法，参考图5，其是利用如上述所述的测试装置完成的，主要通过以下9个步骤来完成测试：
步骤1：检查各个线圈和加热器802，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：安装超导导体5并将各组件进行组装；
步骤3：将组装好的各组件放置在真空杜瓦9内进行抽真空，减小辐射热效应；
步骤4：通过超临界氦迫流冷却装置10向变温装置8输入超临界氦，进行超导导体5冷却；
步骤5：变温装置8对超临界氦进行加热，对冷却后的超导导体5进行升温；
步骤6：打开温控仪12，温控仪12读取放置在超导导体5以及变温装置8上的温度传感器温度的温度信号，并通过调整加热器802功率控制超导导体5温度；
步骤7：打开信号发生器11、功率放大器13与数据采集卡14，信号发生器11向励磁线圈输入交流电信号，功率放大器13和数据采集卡14将Pick-up线圈604与补偿线圈采集到的交流电信号进行放大和处理并输送至计算机15中；
步骤8：打开计算机15，启动Labview测试软件，同时接收来自于数据采集卡14的交流磁化率信号与温控仪12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正则化技术利用计算机15对曲线中的磁化率矩阵进行后处理可得到超导导体5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，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)

1.一种超导导体应变分布状态的测量装置，其特征在于：包括真空杜瓦、补偿导体、超导导体、超临界氦迫流冷却装置、信号发生器、温控仪、功率放大器、数据采集卡和计算机；所述超导导体上安装有第一温度传感器；其中：
所述补偿导体固定连接在超导导体的顶部，所述补偿导体和超导导体连接形成的一体结构放置在真空杜瓦内；所述补偿导体上安装有用于采集补偿导体信号的信号补偿模块，所述超导导体上安装有用于采集超导导体信号的信号采集模块；所述补偿导体和超导导体的中部沿其中轴线方向安装有中空冷却管；所述中空冷却管的一端通过变温装置与超临界氦迫流冷却装置连接，所述中空冷却管的另一端连接有出气管，所述出气管的出口伸出真空杜瓦外；所述变温装置用于控制从超临界氦迫流冷却装置输出的气体的温度，并将调节温度后的气体输送至中空冷却管内；所述变温装置靠近超导导体的一端安装有第二温度传感器；
所述信号发生器用于为信号采集模块与信号补偿模块提供正弦波信号；
所述温控仪用于采集超导导体上的温度信号和用于调控变温装置，为超导导体进行均匀升降温；所述温控仪与第一温度传感器和第二温度传感器信号连接；
所述功率放大器用于将信号采集模块与信号补偿模块上采集的信号进行放大；
所述数据采集卡用于采集来自于功率放大器的信号并进行信号处理，得出样品的磁化率信号；
所述计算机用于获取来自于数据采集卡和温控仪的信号。
2.根据权利要求1所述的超导导体应变分布状态的测量装置，其特征在于：所述信号采集模块包括从上至下依次绕制在超导导体上的采集励磁线圈和Pick-up线圈；所述超导导体的下部为圆柱状。
3.根据权利要求2所述的超导导体应变分布状态的测量装置，其特征在于：所述超导导体的圆柱状外部从上至下还包覆有采集上Kapton胶带、采集中Kapton胶带与采集下Kapton胶带；所述采集上Kapton胶带包覆在采集励磁线圈的上方；所述采集中Kapton胶带包覆在Pick-up线圈上方；所述采集下Kapton胶带位于Pick-up线圈和超导导体之间。
4.根据权利要求2所述的超导导体应变分布状态的测量装置，其特征在于：所述信号补偿模块包括补偿线圈和补偿励磁线圈，所述补偿线圈、补偿励磁线圈的结构分别与Pick-up线圈、采集励磁线圈的结构相同；所述补偿导体的上部为圆柱状。
5.根据权利要求4所述的超导导体应变分布状态的测量装置，其特征在于：所述补偿导体的圆柱状外部从上至下还包覆有补偿上Kapton胶带、补偿中Kapton胶带与补偿下Kapton胶带；所述补偿上Kapton胶带包覆在补偿励磁线圈的上方；所述补偿中Kapton胶带包覆在补偿线圈上方；所述补偿下Kapton胶带位于补偿线圈和补偿导体之间。
6.根据权利要求4所述的超导导体应变分布状态的测量装置，其特征在于：所述补偿导体由铜线组成。
7.根据权利要求1至6任一项所述的超导导体应变分布状态的测量装置，其特征在于：所述变温装置包括紫铜弯管和缠绕在紫铜弯管表面的加热器；所述加热器为锰铜电阻丝。
8.根据权利要求7所述的超导导体应变分布状态的测量装置，其特征在于：所述补偿导体的上部安装有上转接头，所述出气管穿设上转接头后伸出至真空杜瓦外；所述超导导体的底部安装有下转接头，所述下转接头用于连接超导导体与变温装置。
9.根据权利要求7所述的超导导体应变分布状态的测量装置，其特征在于：所述中空冷却管的内部放置有圆柱棒。
10.一种超导导体应变分布状态测量方法，其特征在于：其是利用如权利要求1至9中任一项所述的测量装置完成的，包括以下步骤：
步骤1：检查信号补偿模块、信号采集模块中的各个线圈和加热器，确保没有线发生弯折与损坏；若发生损坏则需要即使更换；
步骤2：安装超导导体并将各组件进行组装；
步骤3：将组装好的各组件放置在真空杜瓦内进行抽真空，减小辐射热效应；
步骤4：通过超临界氦迫流冷却装置向变温装置中输入超临界氦，进行超导导体冷却；
步骤5：变温装置对超临界氦进行进行加热，对冷却后的超导导体进行升温；
步骤6：打开温控仪，温控仪读取第一温度传感器、第二温度传感器的温度信号；通过调整变温装置工作参数控制超导导体温度；
步骤7：打开信号发生器、功率放大器与数据采集卡，信号发生器向信号采集模块与信号补偿模块输入交流电信号，功率放大器和数据采集卡将采集到的交流电信号进行放大和处理并输送至计算机中；
步骤8：打开计算机，启动Labview测试软件，同时接收来自于数据采集卡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正则化技术利用计算机对曲线中的磁化率矩阵进行后处理可得到超导导体的应变分布状态。
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