专利名称：一种非接触式超导带材载流能力测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于超导电工学领域，特别涉及一种非接触式超导带材载流能力测量装置。
背景技术：
超导材料为绿色，可持续能源经济提供了重要的技术支持，超导电缆，超导风机都 在逐步走向民用，大规模使用高温超导材料的年代即将到来。电流载流性能是反映超导带 材性能的最基本参数。普遍采取“四引线法”测量临界电流反映电流的载流性能，即在样品 两端加载电流，观测电压信号。随着电流的增加，通过观测电压的增加，以每厘米带材长度 产生1微伏作为失超判据，确 定超导带材的临界电流。这种方法原理简单，广泛应用于实验 室级别的长度小于IOcm的短样品测量。目前Bi系高温超导导线已经实现了产业化生产， 单根Bi系导线长度已经超过了 500米，正在发展中的Y系高温超导导线长度也已经实现了 百米量级，在线检测长带整体性能和局部缺陷十分重要。作为一种接触式的测量方法，四引 线法应用在长超导带材的临界电流测量有很多局限性。首先在测量中电流引线和电压引线 需要与带材接触，会对超导带材造成机械损伤，其次测试效率也十分低下，不方便实现对百 米级长带的连续快速测量。针对四引线法对于高温超导带材连续测量能力的不足，科研人员发展了一系列通 过霍尔片测量带材表面磁场，反映临界电流的方法。其中一种方法是将超导带材放置在外 磁场下，通常由亥姆霍茨线圈提供，超导样品中会感生环形电流抵抗外加磁场，环形电流产 生一定的空间分布，通过在样品表面一定高度处放置霍尔探头，测量感生环形电流磁场分 布和幅值，反算临界电流。另外一种方法是超导带材样品首先通过一个背景磁场，通常背景磁场需要大于两 倍的最大穿透场，然后将经过磁化后的超导带材样品移出背景磁场，此时在超导带材内部 会感生出类似涡流的环形电流，由于超导材料自身电阻很小，该环形电流会长时间存在，并 产生一个磁场，通常称该磁场为剩余磁场，剩余磁场在空间具有一定分布。在与带材表面相 对位置固定点放置磁场探测元件，通常为霍尔探头，测量带材表面某点的磁感应强度。探头 与样品相对位置固定时，测量到剩余磁场的磁感应强度幅值与带材临界电流具有正比的关 系，可反算带材对应的临界电流。上述两种测试方法已经发展多年，成为比较标准的测试方法，也有相关产品问世。 但这种方法的主要缺点是带材与霍尔探头之间需要精确定位，由于样品产生磁场在空间具 有一定的分布，利用霍尔探头测量仅仅是测量一个点或者几个点的磁感应强度，从本质上 讲是一种“以点代面”的方法，带材与霍尔探头微小的相对位置改变，无论是左右的偏移，还 是上下的偏移，都会对最终测试结果产生很大的影响。通常百微米级别的样品与探头的左 右或上下位置偏移都会对测量结果产生很大误差，测量者无法判断磁场读数变化是由于带 材与探头相对位置变化导致的还是由于带材本身临界电流的变化导致的。基于这种原理的 临界电流连续测量装置，为了尽可能保持霍尔探头与样品相对位置的稳定，带材传动装置需要精密设计，并且以牺牲传动速度来进一步提高样品与霍尔探头相对位置的稳定，造成 测量效率低下，目前比较成熟的产品测量速度大约为60米/小时。即便如此，利用这种方 法测试带材临界电流，其本底噪音都在几个安培左右。本申请人递交的发明专利申请《非接触式超导带材临界电流测量装置》(申请号 201010033688. 5)是一种基于双磁路，通过测量带材剩余磁场对于磁路的驱动能力测量临 界电流的方法，这种方法从本质上消除了机械振动对于测量的影响，实现了速度大于360 米/小时，重复性优于的测量装置，克服了上述利用测量超导带材表面磁感应强度再反 算临界电流的方法的缺点。这种方法特别适用于快速检验带材临界电流。但这种方法只 用于检验带材在自场下，全穿透状态下的临界电流，是带材在自场下载流能力的反应。由于 超导带材电流载流能力对于外加磁场十分敏感，同时不同穿透状态下的载流能力也不尽相 同，这种利用双磁路测量剩磁的方法无法实现带材在各种外磁场和各种穿透状态下 的载流 能力测试，所测数据还不够全面反映在不同工作磁场下的载流能力信息。
发明内容
本发明的目的为解决现有技术利用双磁路测量剩磁的方法无法实现带材在各种 外磁场和各种穿透状态下的载流能力测试，所测数据还不够全面反映在不同工作磁场下的 载流能力信息的问题，本发明基于单磁路，通过测量外磁场在超导带材感生的环形电流对 磁路的反向驱动能力反映通流能力的方法，提出一种非接触式超导带材载流能力测量装 置，其特征在于，探测磁路垂直固定在基座10上，探测磁路包括铁芯1、励磁线圈2、样品狭 缝3和测量狭缝4，安装在基座10上的第一导轮7和第二导轮8配合液氮容器9外部的放 线设备和收线设备组成超导带材连续传动装置，第一导轮7和第二导轮8分别置于探测磁 路两侧，第一导轮7、样品狭缝3和第二导轮8在同一条直线上，高温超导带材的样品6从外 部的放线设备经过第一导轮7导向穿过样品狭缝3后再经过第二导轮8导向传送到外部收 线设备，样品运动方向11从第一导轮7指向第二导轮8 ；基座10置于液氮容器9的底部，装 置工作时探测磁路和样品6均浸泡在液氮里；所述探测磁路中励磁线圈2缠绕在铁芯1上， 探测磁路的铁芯1、样品狭缝3和测量狭缝4构成闭合磁路，测量磁感应强度的磁场探头5 置于测量狭缝4内。所述铁芯1为闭合铁芯，形状为0型、矩形或闭合多边形。所述铁芯1的材料为软磁铁芯。所述探测磁路的样品狭缝3的高度h大于样品宽度W，样品狭缝宽度％大于样品 厚度t。所述磁场探头5为霍尔探头或巨磁阻探头。本发明测量装置的核心部件是含有双狭缝和励磁线圈的探测磁路。为了完成对长 超导带材的连续测量，还配有带材连续传动装置和低温容器。装置基本工作流程如下在液氮低温条件下，探测磁路的励磁线圈通电驱动磁路 工作，此时在样品狭缝和测量狭缝处会产生一个固定磁场，该磁场幅值被放置在测量狭缝 处的磁场探头测量记为B—待测的高温超导带材样品由传动装置驱动，经过样品狭缝，会产生一个环形电流， 该环形电流反向驱动磁路，削弱测量狭缝处的磁感应强度，经磁场探头测量磁感应强度的变化，进而推算该超导带材通流性能。对于同批次(带材宽度和厚度都相同)的超导带材， 测量狭缝处的磁感应强度的减小量与高温超导带材样品的通流能力成正比。需要特别注意的是，实际测量中可以任意调整励磁线圈的电流来改变Btl值，因此 本发明可测量超导带材在不同磁场下，不同穿透状态下的通流能力，得到被测样品更丰富 的物理信息。当Btl幅值大于一倍穿透场时，样品环形电流占据整个样品，此时通过对比标 准样品四点法得到的临界电流数据，可以反算长带临界电流分布。探测磁路厚度d，即沿带材传动方向的磁路厚度决定测量装置对样 品的空间分辨 率。探测磁路厚度d越小，所测样品局部信息反映得越充分；探测磁路厚度d越大，对所测 样品整体通流能力反映得越充分。探测磁路厚度d可根据使用者需求确定。本发明的测量装置特别适合扁平状高温超导带材载流能力测试，所测样品可以为 Bi2223/Ag高温超导带材，也可以为YBCO高温超导带材。本发明和基于双磁路的非接触式超导带材临界电流测量装置共同之处在于，从物 理本质上解决现有技术测量方法的“以点代面”局限性，实现了对样品整体临界电流性能的 测量。测量过程中带材的左右偏移或上下偏移即便达到几个毫米，对于测量结果的影响小 于百分之一。测量时只要样品不被移出样品狭缝，其左右或上下的偏移不会改变样品的环 形电流，不会对驱动磁路能力发生变化，在测量狭缝测量到的磁感应强度也不会发生变化， 不会对通流能力测试结果产生影响，从根本上解决了现有技术要求样品与探头精确定位的 缺点，使得带材传动系统设计复杂程度大幅度降低，还可以大幅度提高走带速度和测量效 率。特别适合工业化超长带材通流能力连续测量。本发明和基于双磁路的非接触式超导带材临界电流测量装置不同之处在于，本发 明可测量带材在不同磁场，不同穿透状态下的通流能力，使用范围更为广泛，揭示的物理信 息更为丰富，同时由于仅使用一个磁路，系统复杂程度也有所降低。基于双磁路的非接触式 超导带材临界电流测量装置是一种在零磁场条件下通过测量带材剩余磁场对于磁路的驱 动能力反算测量临界电流的装置。本发明的有益效果为，这种方具备与双磁路装置同样的高速，重复性好的优点，还 可以测量超导带材在不同外加磁场下，不同磁场穿透情况的带材载流性能，为精细研究带 材在不同磁场下的载流能力提供了实验平台，同时由于仅使用了一个磁路，装置的复杂程 度也有所降低。
图1为一种非接触式超导带材载流能力测量装置实施例示意图；图2为探测磁路结构示意图；图3对2. 8米YBCO带材和2. 5米Bi2223高温超导带材的测量结果；图中，1-铁芯，2-励磁线圈，3—样品狭缝，4-测量狭缝，5-磁场探头，6—样 品，7-第一导轮，8-第二导轮，9-低温容器，10-基座，11-样品运动方向。
具体实施例方式以下结合附图和实施例详细说明基于单磁路法的非接触式超导带材载流能力测 量装置的工作原理、测量流程和测试结果。
非接触式超导带材载流能力测量装置实施例示意图如图1所示，探测磁路垂直固 定在基座10上，探测磁路包括铁芯1、励磁线圈2、样品狭缝3和测量狭缝4。为了实现长带 材的连续测量，安装在基座10上的第一导轮7和第二导轮8配合液氮容器9外部的放线设 备和收线设备组成超导带材连续传动装置，第一导轮7和第二导轮8分别置于探测磁路两 侧，第一导轮7、样品狭缝3和第二导轮8在同一条直线上，高温超导带材的样品6从外部的 放线设备经过第一导轮7导向穿过样品狭缝3后再经过第二导轮8导向传送到外部收线设 备，样品运动方向11从第一导轮7指向第二导轮8 ；基座10置于液氮容器9的底部，装置 工作时探测磁路和样品6均浸泡在液氮里；所述探测磁路中励磁线圈2缠绕在铁芯1上，探 测磁路的铁芯1、样品狭缝3和测量狭缝4构成闭合磁路，测量磁感应强度的磁场探头5置 于测量狭缝4内。如图2所示，本实施例的探测磁路中，铁芯1采用一个初始外径T1 = 25mm、内径r2 =16mm的闭合0型坡莫合金铁芯，用两侧对称开缝的方式，即在铁芯同一条直径两端切割 获得样品狭缝3和测量狭缝4。样品狭缝宽度ai和测量狭缝宽度a2均为2毫米，样品狭缝 高度h为9毫米，大于样品宽度W。样品狭缝3沿带材移动方向的探测磁路厚度d为10毫 米。磁场探头5采用霍尔探头。铁芯1为闭合0型坡莫合金铁芯，在铁芯的同一条直径两端分别切割出样品狭缝 3和测量狭缝4。本测量装置用于扁平状高温超导带材样品测试。这种结构的高温超导导线，除了 已经得到工业化生产的Bi2223带材，还有已经初步具备实验室规模产业化的YBCO高温超 导带材。装置基本工作流程如下在液氮低温条件下，探测磁路励磁线圈2通电驱动磁路工 作，此时在样品狭缝，和测量狭缝处会产生磁场，该磁场幅值被放置在测量狭缝处的霍尔探 头测量，记为B。。待测的高温超导带材样品由传动装置驱动，经过样品狭缝，会产生一个环形电流， 该环形电流反向驱动磁路，削弱测量狭缝处的磁感应强度，磁感应强度的变化为霍尔探头 测量。磁感应强度减小正比样品环形电流驱动能力，环形电流驱动能力正比样品的通流能 力。如图3为选取的两段待测样品YBCO高温超导带材和Bi2223/Ag高温超导带材的测试结果，其中YBCO带材长度2. 8米，宽度3. 5毫米，厚度0. 1毫米，Β 2223带材长度2. 5 米，宽度4. 3毫米、厚度0. 25毫米。两段样品之间用铜带相连，两段样品首尾也分别连接有 铜带。样品以每秒10cm(360米/小时)速度通过样品狭缝，用计算机连接数据采集卡实时 监测霍尔探头输出电压数据，反算成磁场信息。样品在背景磁场Btl分别为50高斯和200高 斯条件下测得磁场变化如图3所示。纵坐标为扣除了背景磁场本底信号之后样品驱动磁路 产生的磁场变化信号。磁场幅值的波动即对应着样品长度方向上载流能力的波动。可以明 显看出在不同背景磁场下，带材的载流能力呈现出很大的不同，在小磁场下，无论YBCO带 材还是Bi2223带材，其载流能力波动更为平缓，由于小磁场下电流更集中在带材的外围， 这也从一个方面显示出带材在最外围的均勻性要好于内层。
权利要求
一种非接触式超导带材载流能力测量装置，其特征在于，探测磁路垂直固定在基座(10)上，探测磁路包括铁芯(1)、励磁线圈(2)、样品狭缝(3)和测量狭缝(4)，安装在基座(10)上的第一导轮(7)和第二导轮(8)配合液氮容器(9)外部的放线设备和收线设备组成超导带材连续传动装置，第一导轮(7)和第二导轮(8)分别置于探测磁路两侧，第一导轮(7)、样品狭缝(3)和第二导轮(8)在同一条直线上，高温超导带材的样品(6)从外部的放线设备经过第一导轮(7)导向穿过样品狭缝(3)后再经过第二导轮(8)导向传送到外部收线设备，样品运动方向(11)从第一导轮(7)指向第二导轮(8)；基座(10)置于液氮容器(9)的底部，装置工作时探测磁路和样品(6)均浸泡在液氮里；所述探测磁路中励磁线圈(2)缠绕在铁芯(1)上，探测磁路的铁芯(1)、样品狭缝(3)和测量狭缝(4)构成闭合磁路，测量磁感应强度的磁场探头(5)置于测量狭缝(4)内。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式超导带材载流能力测量装置，其特征在于，所 述铁芯(1)为闭合铁芯，形状为0型、矩形或闭合多边形。
3.根据权利要求1或2所述的一种非接触式超导带材载流能力测量装置，其特征在于， 所述铁芯(1)的材料为软磁铁芯。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式超导带材载流能力测量装置，其特征在于，所 述探测磁路的样品狭缝(3)的高度h大于样品宽度w，样品狭缝宽度al大于样品厚度t。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式超导带材载流能力测量装置，其特征在于，所 述磁场探头(5)为霍尔探头或巨磁阻探头。
全文摘要
本发明属于超导电工学领域，特别涉及一种非接触式超导带材载流能力测量装置。本发明基于单磁路法的电流传输性能连续测量方法，探测磁路垂直固定在基座上，探测磁路的铁芯、样品狭缝、测量狭缝和励磁线圈构成闭合探测磁路。在液氮低温条件下，励磁线圈通电在样品狭缝和测量狭缝处产生一个固定磁场，将样品通过样品狭缝，样品内感生环形电流，在测量狭缝测量环形电流反向驱动探测磁路产生的磁感应强度的变化反映带材的电流载流能力。本发明的单磁路装置与双磁路装置具有同样的高速和重复性好的优点，还可以测量带材在不同外加磁场下，不同磁场穿透情况的带材载流性能，特别适合连续测量超长超导带材载流能力。
文档编号G01R19/00GK101833027SQ20101016371
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者瞿体明, 邹圣楠, 韩征和, 顾晨 申请人:清华大学