一种超导线材铜超比在线测试设备及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超导技术领域和无损检测技术领域，涉及一种超导线材铜超比在线测 试设备，本发明还涉及所述检测设备的检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着新能源技术和医疗卫生事业的快速发展，如国际热核聚变项目（ITER)和核 磁共振成像（MRI)都需要大量的超导线材，目前国内超导技术产业化刚刚起步，在超导线 材制备过程中的铜超比（Cu/Sc)参数控制中还缺乏有效地测试方法。
[0003]Cu/Sc是超导线材作为成品的重要参数之一，Cu/Sc直接决定超导线的设计，并影 响超导线性能，低铜比能够增加超导面积，提高超导线性能，但同时也增加了线材的加工难 度，而高铜比能够提高磁体运行的稳定性，但必然使超导相的体积比下降，同时会使超导线 断芯的危险增大，不利于提高Jc。
[0004] 目前的Cu/Sc测试方式有化学称重法和图像分析法。化学称重法是取单位长度超 导线材通过化学腐蚀去掉铜，再通过称重剩余超导体，根据密度算出铜Cu和超导Sc的横截 面积比；图像法是取超导线材截面通过光学电镜拍照，然后分析铜Cu和超导Sc的横截面积 比，但这两种方法都需要在完整的超导线上取样测试，是有损检测，且测试效率非常低，仅 适用于实验室很少样品的测试。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种超导线材铜超比测试设备，该设备解决了现有Cu/Sc测 试设备存在的只能进行有损检测的问题。
[0006] 本发明的另一目的是提供上述测试设备的测试方法，解决了现有检测方法存在的 无法连续在线检测、只能有损检测的问题。
[0007]本发明所采用的技术方案是，一种超导线材铜超比测试设备，包括主动放线机，在 线测试主机和带排线的主动收线机。
[0008] 本发明的特点还在于，
[0009] 主动放线机设置有张力单元，张力单元采用调节配重的方式调节张力大小；主动 收线机采用变频电机调速的方式实现放线的调速和换向，排线采用伺服电机控制的光杆排 线方式。
[0010] 在线测试主机包括随动测试架以及集成设置的数字I/O模块、PXI控制器、GPIB通 讯模块、串行通讯模块、PXI高精度数据采集模块、温度补偿模块、可编程电流源、可编程纳 伏计、K型热电偶、长度测量单元和编码器。
[0011] 随动测试架置于一个由透明材料制成的封闭的空间中，随动测试架由4组垂直同 步运动的气缸和1组水平运动的气缸组成，4组垂直同步运动的气缸中的2组安装有测试探 头，每个测试探头上分别有两根导线，两根导线分别连接到可编程电流源和可编程纳伏计 上，另外2组用于增大随动测试架与被测超导线材接触面的摩擦力。
[0012] 数字I/O模块、PXI控制器、GPIB通讯模块和串行通讯模块集成安装在一个带电子 屏蔽的温度为15°C~25°C的机箱内。
[0013] 可编程电流源采用GPIB通用接口总线的方式与计算机通讯；可编程电流源的输 出恒直流电范围为1~10安培；可编程纳伏计采用GPIB通用接口总线的方式与计算机通 讯，测试精度为10E-9伏特。
[0014] 测试探头选用银铜合金材质，测试探头采用弹性斜齿型结构。
[0015] 本发明的另一技术方案是，一种超导线材铜超比在线测试方法，具体包括以下步 骤：
[0016] 步骤1、将成卷的超导线装入在线测试主机进行测试，并绘制Cu/Sc测试曲线；
[0017] 步骤2、确定超导线的铜超比。
[0018] 本发明另一技术方案的特点还在于，
[0019] 步骤1具体按照以下步骤实施：
[0020] 步骤1. 1、将成卷的超导线装入主动放线机，按照确定的绕制路线将超导线穿过在 线测试主机，到达主动收线机；
[0021] 步骤1. 2、将两只测试探头紧靠超导线，调节Cu/Sc的采样率；
[0022] 步骤1. 3、可编程电流源按照预先设置的数值输出电流，可编程纳伏计测试两测试 探头之间超导线的电压；
[0023] 步骤1. 4、将K型热电偶布置在两测试探头之间的超导线近表面，测量超导线温 度；依据超导线温度，温度补偿模块补偿不同温度间材料的导电率差异；
[0024] 步骤1. 5、用长度测量单元和编码器记录流过的超导线的长度；
[0025] 步骤1. 6、根据室温下超导线Cu和Sc的导电率差异，用以下公式计算每个测量点 的铜超比，Cu/Sc=Beta:
[0027] 公式中符号代表的实际参量为：
[0028] a:不同温度下常数，如室温20°C下a取值等于234. 4 ;
[0029]b:b=a+k，k取值 20;
[0030] t:被测超导线实时的摄氏温度，单位°C;
[0032] RhO:室温20°C下铜的电阻率，如无氧铜RhO= 0? 0169 ;
[0033] Rm:超导线的综合电阻值，Rm=Um/Is;
[0034]Lg:两只测试探头间被测超导线长度，Lg多12米；
[0035]X:超导芯丝相对RhO的电阻率倍数，如Nb-4Hi，X= 42;
[0036] 步骤1. 7、利用步骤1. 5中记录的超导线流过长度做平面直角坐标系横坐标，取同 一时刻Cu/Sc做纵坐标，通过计算机绘制Cu/Sc-L离散图样，用"最小二乘拟合法"将各点 连接形成Cu/Sc-L连续曲线图，待整卷超导线流过便形成整卷线关于长度坐标上的Cu/Sc 测试曲线。
[0037] 步骤I. 2中，调节Cu/Sc的采样率的具体方法为：调节主动放线机、主动收线机的 收、放线速度或测试探头接触超导线的频率，从而得到间隔长度不同的测量点。
[0038] 步骤2的具体实施方法为：通过读取经步骤1绘制的Cu/Sc测试曲线上对应长度 处的Cu/Sc值，确定超导线在对应处的铜超比。
[0039] 本发明的有益效果是：
[0040] 1) 一种超导线材铜超比在线测试设备，通过设置在线测试主机，能够在检测超导 线材铜超比时进行无损检测，并且能够进行不间断测试，大大提高了超导线材铜超比检测 效率；
[0041] 2) -种超导线材铜超比在线测试设备的测试方法，完全的无损害、无污染测试，避 免了被测材料的浪费和对环境的污染；在线不间断测试，极大的提高了测试效率，尤其对于 超导线材的大批量生产颇为重要；能直观反映出整卷超导线的Cu/Sc走势，测试结果可作 为工艺设计、质量控制的参数，亦可作为超导线Cu/Sc性能指标的判定依据。
【附图说明】：
[0042] 图1是本发明一种超导线材铜超比测试设备的结构示意图；
[0043] 图2是本发明中测试探头的横截面图；
[0044] 图3是本发明一种超导线材铜超比在线测试设备的测试方法测试NbTi/Cu复合超 导线铜超比的测试结果曲线图；
[0045] 图4是本发明测试方法的铜超比数据采集图。
[0046] 图中，1.主动放线机，2.主动收线机，3.随动测试架，4.数字I/O模块，5. PXI控 制器，6. GPIB通讯模块，7.串行通讯模块，8.PXI高精度数据采集模块，9.温度补偿模块， 10.可编程电流源，11.可编程纳伏计，12.受测超导线材，13.K型热电偶，14.长度测量单 元，15.编码器，16.在线测试主机，17.测试探头。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0048] 如图1所示，本发明一种超导线材铜超比测试设备，包括主动放线机1，在线测试 主机16和带排线的主动收线机2,在线测试主机16设置在主动放线机1和主动收线机2之 间。
[0049] 其中，主动放线机1设置有张力单元，张力单元采用调节配重的方式调节张力大 小；主动收线机2采用变频电机调速的方式实现放线的调速和换向，排线采用伺服电机控 制的光杆排线方式；在线测试主机16包括随动测试架3以及集成设置的数字I/O模块4、 PXI控制器5、GPIB通讯模块6、串行通讯模块7、PXI高精度数据采集模块8、温度补偿模块 9、可编程电流源10、可编程纳伏计11、K型热电偶13、长度测量单元14和编码器15。其中， 随动测试架3置于一个由透明材料制成的封闭的空间中，随动测试架3由4组垂直同步运 动的气缸和1组水平运动的气缸组成，4组垂直同步运动的气缸中的2组均安装有测试探头 17,每个测试探头17上分别有两根导线，两根导线分别连接到可编程电流源10和可编程纳 伏计11上；另外2组用于增大随动测试架3与受测超导线材12接触面的摩擦力，通过同步 气缸的运动使测试探头17同步接触或分离于受测超导线材12,另外，受测超导线材12在 随动架3两端导轮间的长度保持恒定，依此保证每次测试时测试探头17间的被测超导线材 长度也保证相同；数字I/O模块4、PXI控制器5、GPIB通讯模块6和串行通讯模块7集成 安装在一个温度为15°C~25°C的带电子屏蔽的机箱内；可编程电流源10采用GPIB通用接 口总线的方式与计算机通讯，其输出恒直流电范围为1~10安培；可编程纳伏计