CN1963477B - 一种非接触连续测量超导线/带材n指数均匀性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触连续测量超导线/带材n指数均匀性的方法和装置，其特征在于在平行带面的交流场形及小于待测区域完全穿透场的前提下，将超导线/带材置于交流背场磁场中，测量探测线圈[2-2’]和补偿线圈[3-3’]两者感应电压之差为磁滞损耗电压分量U_rms″，测量不同交流背场下的损耗电压，根据损耗电压与交变磁场的幂指数拟合关系，得到该段超导线/带材的n值指数。应用本发明方法的测量装置，包括交流背场磁体，探测线圈和补偿线圈，步进电机[4]，收线盘[5]，放线盘[6]，放线定滑轮[7]，收线定滑轮[8]，低温冷却介质[9]，低温容器[10]，数字电压表[11]，交变背场磁体电源[12]，控制、数据采集及处理系统[13]。本发明可连续测量任何长度的实用超导线/带材局部的n指数及其分布。

Description

一种非接触连续测量超导线/带材n指数均匀性的方法和装置

技术领域

本发明涉及非接触连续测量超导线/带材各部分n指数均匀性的测量方法和装置。

背景技术

零电阻现象是超导体最重要的属性之一。描述实用超导体尤其是高温超导体的电磁特性，除了临界电流特性、电磁特性(各向异性)、机械特性等外，临界电流和n指数的均匀性也是实用超导材料的重要特性。一般情况下，描述超导体的模型有两个：理想电流电压超导电性模型(1)和实际超导材料的幂指数模型(2)。

$E=\left\{\begin{array}{cc}0& I\≤I_c\\ \∞& I>I_c\end{array}\right.---\left(1\right)$

$E=E_c{\left(\frac{I}{I_c}\right)}^n---\left(2\right)$

这里Ic是临界电流，以1μV/cm为判据定义，n是拟合的曲线幂指数；Ic和n值与温度和磁场有关，且n值由超导订扎势决定。图1为两种模型下，超导体的电流电压特性曲线。纵坐标表示超导体单位厘米长度上的电压即电场，横坐标表示超导材料的传输电流。因此，衡量实用超导材料的超导特性就是临界电流Ic和n指数。作为超导电性应用本身，希望Ic和n指数越大越好。n指数描述超导体从超导态到正常态转换的快慢程度：即失去超导电性的快慢程度(失超)。对于传统的低温超导材料，由于其n指数一般大于30，由超导向正常态过渡非常快。但是对于高温超导材料，由于其本生的内禀物理特性，存在弱连接、次相及微裂纹等，再加上实用高温超导线材的加工工艺-多芯化使得超导体内超导芯间存在香肠效应和桥连接，这使得实用长度(大于100米)高温超导材料的临界电流Ic和n指数沿长度方向不可能处处相同。众所周知，实用超导线/带材的整体特性由整个长度上的性能最差(Ic和n指数小)的部分确定。

因此，作为实用超导线/带材的临界电流Ic和n指数分布是高温超导应用的重要参量-是衡量超导线/带材质量的重要指标；无论对于使用者或者生产者具有重要意义。

测量超导临界参量Ic和n指数的方法通常采用传统的四引线方法：即超导线/带材两端施加直流电流，测量超导体的电流电压曲线，然后根据公式(2)以1μV/cm为判据确定临界电流Ic，同时曲线按照幂指数进行拟合得出n指数。为了研究目的，对短样超导线/带材的这种传输电流测量方法没有任何问题，但是对于实用长度(至少百米以上)的超导线/带材，采用四引线方法测量n值有三方面的问题：(1)电压引线的焊接或压接，有可能使超导线/带材，尤其是高温超导线/带材造成损伤。(2)精确度不够：因为两电压引线之间必须有一定距离，距离太近，电压引线接点大小必须考虑，造成单位长度上电压不准；距离太远，不可能得到线/带材局部的n值，只得到平均有效值。尤其对于多芯复合超导线/带材，在加工和生产的过程中，随着芯数的增多，复合导体内局部香肠效应和桥连效应很难避免，传统的四引线方法对此很难实现。(3)，实用长度的四引线测量方法所使用的低温设备庞大、复杂，测量速度很慢，对于线/带材的生产和应用很难实现。

发明内容

本发明的目的是克服现有传输电流四引线方法的缺点，提供一种采用交流背场感应方法—非接触测量技术检测超导线/材的n指数均匀性的方法和装置。本发明用于超导线/带材的质量检测，适用于所有超导材料的n指数分布非接触检测。

本发明测量方法采用感应非接触方法测量超导线/带材n值均匀性。超导线/带材置于交流背场磁场中，交流背场可以由亥母霍兹磁体产生，或者由鞍形磁体产生；在交变背场磁体内对称放置两个完全相同的鞍形线圈：一个是探测线圈，两边留有供超导线/带材穿过的空隙，以便待测超导线/带材穿过；另一个是补偿线圈。探测线圈和补偿线圈串联反接。由于两者对称放置于交变磁场中，如果探测线圈中没有超导线/带材，它们所感应出的电压相等，由于串联反接，输出电压为零；如果在探测线圈中有超导线/带材，那么由于探测线圈和补偿线圈反接，输出电压极性相反，该两线圈感应电压之差即为磁滞损耗电压分量。磁滞损耗电压与该超导线/带材的n值具有幂指数关系，通过对交流背场磁体提供不同电流，得到不同的交变磁场，从而可以得到不同的损耗电压，根据损耗电压与交变磁场的幂指数拟合关系，最后得到该段超导线/带材的n值指数。

使用本发明方法时必须满足两个前提：其一，交变磁场必须平行于超导带材宽表面(对于线材没有要求)；其二，交变磁场的最大幅值必须不大于超导线/带材在测量温度下的完全穿透磁场。

本发明的测量方法、测量设备简单、成本低廉，对于超导线/带材的生产和应用具有重要价值。

本发明方法的原理如下：

假定超导带材处于交变磁场中，交变磁场平行于带材宽面

$\stackrel{p}{B}=(0,B_0\sin \mathrm{\ωt},0)---\left(3\right)$

这里B₀是交变磁场的振幅，ω为交变场角频率，t是时间。如果B₀≤B_p(B_p完全穿透场，B_p＝μ₀Jcd/2，μ₀是真空磁导率，Jc是超导带材的临界电流密度，d为超导带材厚度)，那么利用实际超导体幂指数模型，计算得到单位面积上的交流损耗为：

$\frac{Q}{S}=\frac{B_0^3}{2{\mathrm{\μ}}_0^2{J}_c}{\left(\frac{E_c{J}_c{\mathrm{\μ}}_0}{\mathrm{\ω}{B}_0^2}\right)}^{\frac{1}{1+n}}(1.33+3.11n^{-0.55})---\left(4\right)$

这里Q是超导体交变磁场下磁滞损耗，n是(2)中超导材料的电压电流拟合幂指数，反映超导体从超导态向正常态转变快慢的参数；Ec是定义临界电流的判据，一般取单位厘米长度超导体上1μV的压降，即E_c＝1μV/cm(国际标准)。如果交变场频率恒定，单位面积上的交流损耗标度为

$\frac{Q}{S}~B_0^{3-\frac{2}{1+n}}---\left(5\right)$

在超导材料交变磁场中交流损耗的测量方法是比较成熟的磁测法。单位面积的交流损耗为

$\frac{Q}{S}=\frac{2}{{\mathrm{NSf\μ}}_0}{U}_{\mathrm{rms}}^{\text{'}\text{'}}{B}_{\mathrm{rms}}~U_{\mathrm{rms}}^{\text{'}\text{'}}{B}_0---\left(6\right)$

这里U_rms″是处于平行交变磁场中超导材料磁滞损耗分量，等于探测线圈与补偿线圈电压分量之差，N是探测线圈的匝数，S为带材周长，f交变场频率。

比较(5)和(6)，可以得到所测损耗电压分量与交变场振幅由如下关系：

$U_{\mathrm{rms}}^{\text{'}\text{'}}~B_0^{3-\frac{2}{n+1}}=B_0^{\mathrm{\α}}---\left(7\right)$

$n=\frac{\mathrm{\α}}{2-\mathrm{\α}}---\left(8\right)$

因此只要测出不同交流背场下超导带材的损耗电压分量，通过方程(7)和(8)就可以获得幂指数α，及超导材料的电流电压曲线的n指数值。在试验中，超导带材在测量中没有施加电流，也没有对超导线/带材进行力、热的作用，只是处于感应的交变磁场之中，实现了超导线/带材的n值指数的非接触连续测量。

应用本发明方法的测量装置包括交流背场磁体、探测线圈、补偿线圈、步进电机、放线盘、收线盘、放线定滑轮、收线定滑、低温冷却介质、低温容器、数字电压表、交变背景磁体电源、系统控制、数据采集、处理系统。其中交流背场磁体、探测线圈、补偿线圈、放线定滑轮、收线定滑轮、低温冷却介质置于低温容器中。步进电机、收线盘、放线盘、低温容器、数字电压表、交变背场磁体电源、系统控制、数据采集、处理系统置于室温环境中。

交流背场磁体工作于低温环境下，可以是超导磁体，也可以是一般常规铜导线绕制的磁体。采用亥母霍兹线圈，截面为圆形或跑道形线圈(一对螺管磁体)，两磁体之间留有空间，磁场均匀，超导线/带材可以通过。亦可以选择鞍形磁体，中间留有超导线/带材穿过的空隙，如采用鞍形结构磁体，只需一个即可。

探测线圈和补偿线圈为鞍形螺管线圈，中间留有超导线/带材通过的空间，其内孔径尺寸大小决定测量精度，即探测线圈孔径的大小决定待测超导线/带材的局部长度；如果探测线圈孔径为5cm，那么超导线/带材处于该探测线圈内的长度也是5cm，测量得到的n值即为这5cm超导线/带材段的n值。所以，对于成品的超导线/带材，探测线圈孔径的大小，一般采用在1cm-5cm为宜，可以保证整根超导线/带材n值测量的分辨率。补偿线圈和探测线圈工作于低温环境，并对称地放置于交流背场磁体均匀磁场空间内。探测线圈和补偿线圈产生的磁场在100mT以下，一般情况下，在100匝以内，如测量仪表精度高，匝数可以少一些。

步进电机采用商用小功率电机，它的转轴与收线盘相连，驱动超导线/带收线盘的转动，完成测量。放线盘与收线盘结构完全相同；步进电机、收线盘、放线盘工作于室温环境，对称放置于低温容器(内有在磁体、探测线圈，补偿线圈及交流背场磁体)上方两侧。放线定滑轮和收线定滑轮位于放线盘和收线盘之间，使超导线在运动方向改变90°转向，对称地置于交变背景磁体两边；放线盘、收线盘、放线定滑轮、收线定滑轮直径与所测超导线的机械性能有关，一般大于超导线/带的临界弯曲直径。由于该两轮与交变背场磁体和探测线圈、补偿线圈工作在低温环境，所以放线定滑轮和收线定滑必须用聚四氟等能够在低温下收缩小、变形小的材料加工，这样两个滑轮可以在低温下无阻力地转动，不会损伤超导线/带材。

低温冷却介质：测量高温超导材料的低温冷却介质用液氮即可，测量低温超导材料，必须使用液氦或制冷机冷却。

低温容器：测量高温超导材料的低温容器，可用商用绝热材料外加双层不锈钢外壳，双层不锈钢壳之间加入绝热材料即可制成；测量低温超导材料必须使用低温杜瓦容器。数字电压表可以采用精度为μV量级的电压表即可；系统控制、数据采集、处理系统等只需要普通计算机、数据采集卡即可完成。交流背场磁体电源最好能够频率可调，避免工频50Hz的干扰。

附图说明

图1为典型的理想超导线/带材电流电压曲线和实际超导线/带的电流电压曲线；

图2为对超导带材施加的交流背场磁场场形示意图；

图3为测量超导线/带材损耗电压分量原理示意图，图中：1-1’为交流背场磁体，C超导样品，2-2’探测线圈，3-3’补偿线圈，F电流分流器，PC计算机采集系统，DVM1和DVM2为两块交流数字电压表，AC power是背景交流磁体电源；

图4为用本发明的非接触法测量的高温超导带材的n值指数曲线；

图5位采用常规的四引线方法进行测量的曲线拟合的n值指数曲线；

图6本发明装置示意框图，图中：1和1’交流背场磁体，2和2’探测线圈，3和3’补偿线圈，4步进电机，5收线盘，6放线盘，7放线定滑轮，8收线定滑轮，9低温冷却介质，10低温容器，11数字电压表，12交流背场磁体电源，13控制、数据采集、处理系统。

具体实施方式

图1是理想超导体和实际超导体的直流传输特性曲线-电流电压曲线示意图。按照指数模型(2)，理想超导体的n值为无穷大；实际超导体的n值为有限值。n值体现曲线的陡度程度-由超导态向正常转变的快慢程度。而临界电流的定义统一采用国际惯例判据1μV/cm，即只要超导线/带材电场达到该判据，所对应的电流即为临界电流。这样不同n值的超导线/带材有可能对应同一个临界电流值，所以超导线/带在一定温度和磁场条件下的临界参量仅有临界电流是远远不够的，n值必须同时给出，标度超导线/带材的特性。因此.n值的测量对于超导应用非常必要。

图2所示为对超导带材施加的交流背场磁场，如图2所示，采用笛卡尔坐标系，x方向为带材长度方向即传输电流方向，y-z平面为超导带材截面，y方向为平行于带材宽面方向——宽度方向，z为垂直于宽带面的方向——厚度方向，B为所加带材的交变磁场及方向。外加磁场平行于超导带材的宽面，外磁场振幅小于超导带材局部的完全穿透磁场，这是本发明非接触方法的前提条件。

图3所示为测量超导线/带材损耗电压分量示意，交流背场磁体1-1’、探测线圈2-2’、补偿线圈3-3’均为鞍形结构，以获得平行于超导样品宽带面的场形。探测线圈2-2’与补偿线圈3-3’的结构、匝数完全相同。交流背场磁体1-1’、探测线圈2-2’、补偿线圈3-3’均置于低温容器中；探测线圈2-2’、补偿线圈3-3’均对称地置于交流背场磁体1-1’均匀磁场空间内。探测线圈2-2’与补偿线圈3-3’反接，这样才能保证在没有超导样品时进行测量，输出电压信号为零；将超导线/带材C置于交流背景磁场中，此时进行测量，输出电压即为超导带材的交流损耗电压分量U_rms″。超导线/带材样品C(这里用的是Bi系高温超导带材)置于探测线圈2-2’内，然后置于交流背场磁体1-1’内。当超导样品处于低温(这里用液氮)环境下，处于超导态。交变背场磁体励磁电流可用数字电压表DVM2测量串在供电回路中分流器F上的电压监测，并通过计算机控制电源电流AC power电流的输出大小，磁体励磁电流与磁体产生的磁场成正比，因此可以通过不同励磁电流获得不同的交变磁场。数字电压表DVM1测量探测线圈2-2’和与其反接的补偿线圈3-3’两端的电压即损耗电压分量。在不同交流背场下，数字电压表DVM1所测出的超导带材的损耗电压分量即探测线圈2-2’和与其反接的补偿线圈3-3’两端的电压分量即为损耗电压分量，通过方程(7)和(8)就可以获得幂指数α，及超导材料的电流电压曲线的n指数值。为了减小工频干扰，交流电源的频率最好远离工频50Hz。

图4为采用本发明方法介绍的非接触n指数方法测量的磁滞损耗电压与不同交流背场幅值的关系曲线，坐标采用对数标度，经过幂指数拟合，得到的损耗电压分量U_rms″与交变磁场幅值B₀的幂指数α为1.8512，通过公式(8)得到该样品的n值为12.44。

图5是对于同一超导带材样品，采用传统的标准四引线方法测量的电流电压曲线拟合得到的幂指数曲线，仍然采用对数标度，直接得到的n值12.89，两者符合得非常好，从而验证了本发明方法的有效性和可靠性。

图6为本发明装置的原理框图，如图6所示，本发明装置包括交流背场磁体1、1’，探测线圈2、2’，补偿线圈3、3’，步进电机4，收线盘5，放线盘6，放线定滑轮7，收线定滑轮8，低温冷却介质9，低温容器10，数字电压表11，交变背景磁体电源12，控制、数据采集及处理系统13。

交流背景磁体1-1’位于整个装置的中心，能够产生100mT以下的磁场；探测线圈2-2’和补偿线圈3-3’，对称地置于交流背场磁体均匀磁场空间内。步进电机5：采用商用小功率电机即可，它的转轴与收线盘相连，可以驱动超导线盘转动；放线定滑轮7和收线定滑轮8放在磁体两侧，切向与超导带的运动方向相同。1-1’交流背场磁体，2-2’探测线圈，3-3’补偿线圈，7放线定滑轮，8收线定滑轮，置于低温容器10内，加入冷却介质9，即可为这些部件提供低温环境。

收线盘5与放线盘6分别置于收线定滑轮8和放线定滑轮7的正上方即收线盘5与收线定滑轮8轴心处于同一垂直线上，放线盘6与收线定滑轮7轴心处于同一垂直线上。

步进电机4、11数字电压表，12交变背场磁体电源，13控制、数据采集及处理系统等处于低温系统外，处于室温环境。

待测超导带通过牵引由放线盘6经过放线定滑轮7，穿过交变背场磁体及探测线圈2-2’，通过收线定滑轮8到达收线盘6；收线盘6由步进电机驱动。这样可以实现连续测量。

其中交流背场磁体，探测线圈，补偿线圈，放线定滑轮，收线定滑轮，低温冷却介质置于低温容器中，工作于低温环境。交变背场磁体电源，数字电压表，系统控制、数据采集、数据处理系统等构成处于低温环境外的室温环境。交流背场磁体可以采用一个鞍形磁体，两边开有超导线/带材通过的孔，保证磁体产生的磁场平行于超导带宽面。探测线圈和补偿线圈采用与交流背场磁体相同的结构，置于交流背场均匀磁场空间内，并将两者反串联连接后，接数字电压表，获得损耗电压分量U_rms″。至于测量损耗电压分量的方法及原理与图3相同。

测量开始前，将要检测的超导线/带放于线盘5上，然后通过引导经过定滑轮7，8，绕于收线盘5上。低温冷却介质9可以为液氮或液氦。低温容器10可以为不锈钢杜瓦，用于液氦冷却介质；或者普通绝热材料制成的容器，用于液氮冷却介质。数字电压表11测量探测线圈2-2’与补偿线圈3-3’反串接输出的损耗电压分量。交流背场磁体电源12，为背场磁体供电以产生交变磁场。测量、处理、监测系统13，可以控制交流电源、电机等所有部件，使背场迅速产生并从0增加到小于超导线/带的完全穿透磁场，然后进行数值拟合处理，直接给出该部位超导线/带材的n指数值。

本发明装置结构简单、紧凑，操作方便，制造成本低廉，使用简便，是超导应用和生产企业检测的理想设备。

本发明适用于高温超导Bi系、Y系，也适用于低温超导线/带材如NbTi、Nb₃Sn、Nb₃Al，以及MgB₂线/带材的n指数分布的非接触测量。

Claims (2)

1.一种非接触连续测量超导线/带材n指数均匀性的方法，其特征在于将超导线/带材置于交流背场磁场[1-1’]中，测量探测线圈[2-2’]和补偿线圈[3-3’]两者感应电压之差为磁滞损耗电压分量U″_rma，对交流背场磁体提供不同电流，得到不同的交变磁场，从而得到不同的损耗电压分量，根据损耗电压分量与交变磁场振幅的幂指数拟合关系，最后得到该段超导线/带材的n值指数；所述的交变磁场平行于超导带材宽带面方向，磁场最大幅值小于该超导线/带材待测部分的完全穿透场；所述的探测线圈[2-2’]和补偿线圈[3-3’]为鞍形螺管线圈，对称地置于交流背场磁体[1-1’]均匀磁场空间内；探测线圈[2-2’]与补偿线圈[3-3’]反串联连接。

2.应用权利要求1所述的非接触连续测量超导线/带材n指数均匀性的方法的装置，其特征在于包括交流背场磁体[1-1’]，探测线圈[2-2’]，补偿线圈[3-3’]，步进电机[4]，收线盘[5]，放线盘[6]，放线定滑轮[7]，收线定滑轮[8]，低温冷却介质[9]，低温容器[10]，数字电压表[11]，交变背景磁体电源[12]，控制、数据采集及处理系统[13]；交流背场磁体[1-1’]位于整个装置的中心，交流背场磁体[1-1’]采用亥母霍兹线圈，其线圈截面为圆形或跑道形，两磁体之间留有超导带材通过的空间，磁场均匀；交流背场磁体[1-1’]或者选择一个鞍形磁体，中间留有超导线穿过的空间；探测线圈[2-2’]和补偿线圈[3-3’]，对称地置于交流背景磁体均匀磁场空间内，探测线圈[2-2’]与补偿线圈[3-3’]的结构、匝数完全相同；交流背场磁体[1-1’]、探测线圈[2-2’]、补偿线圈[3-3’]均置于低温容器中；探测线圈[2-2’]与补偿线圈[3-3’]接数字电压表；步进电机[4]的转轴与收线盘[5]相连，收线盘[5]与放线盘[6]分别置于收线定滑轮[8]和放线定滑轮[7]的正上方，即收线盘[5]与收线定滑轮[8]轴心处于同一垂直线上，放线盘[6]与收线定滑轮[7]轴心处于同一垂直线上；放线定滑轮[7]和收线定滑轮[8]放在交流背场磁体[1-1’]两侧，切向与超导线/带材的运动方向相同；交流背场磁体[1-1’]，探测线圈[2-2’]，补偿线圈[3-3’]，放线定滑轮[7]，收线定滑轮[8]，置于低温容器[10]内。

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