高温超导线圈温度传感结构及高温超导线圈温度监测方法与流程

本发明涉及高温超导线圈的温度监测技术领域，具体涉及一种对高温超导线圈进行温度传感时能够避免外部应变的影响，无温度监测盲区，监测全面可靠的高温超导线圈温度传感结构及高温超导线圈温度监测方法。

背景技术：

随着超导技术的发展，高温超导磁体已经被广泛的应用于电机、变压器、限流器、储能等领域。高温超导磁体实用的一个关键研究点就是磁体的稳定运行问题。在运行过程中，如果出现过流、过热、机械应变等外部扰动，超导磁体将会由超导态变为正常态，即所谓的失超现象。研究发现高温超导磁体的失超传播速度比低温超导磁体小2-3个数量级，通常为十到几十毫米每秒，如此小的失超传播速度极易导致热量在局部点积累，从而在磁体内部产生温度过高的局部热点，如果不能及时的将热点信息反馈给保护系统，将有可能对磁体带来灾难性的伤害。

传统的失超检测方法包括电压检测法和温度检测法，电压检测法是通过检测磁体两端的电压信号，但是这种方法只适用于短带材样本。一方面，超导线圈通常具有很大的电感，因此会对电压信号的测量带来误差。另一方面，只有当磁体的运行温度大于分流温度后，超导磁体才会出现可被检测的信号，也就是说对于失超而言，温度信号的升高是先于电压信号的，因此，和温度检测法相比，电压检测法会有一定的延迟。所以，基于温度检测的失超检测方法是一种可行的检测方法。但是，传统的温度检测方法通常是基于热电偶和热电阻等传统电温度传感器，是基于电信号的测量，而高温超导磁体通常是强磁场环境，因此测量结果易受电磁干扰。同时，热电偶和热电阻等传感器都是点测量式传感器，要想实现磁体的分布式温度测量，就需要用到大量的传感器，每个传感器通常都是4线制接法，因此需要用到大量的铜引线，布线需要占用大量的空间，同时，大量的使用铜引线，布线麻烦，并且会给低温环境带来制冷负担，还会对低温系统带来漏热问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够对高温超导线圈的温度进行在线检测，快速的为失超保护系统提供温度反馈信号，保证超导磁体的稳定运行的高温超导线圈温度传感结构及高温超导线圈温度监测方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种高温超导线圈温度传感结构，包括通过光纤均匀串联的多个光纤光栅传感头形成的光纤光栅传感环，所述光纤光栅传感环的弯曲角度与所述高温超导线圈的弯曲角度一致；

所述光纤传感头包括毛细弯管，所述毛细弯管的两端设有金属固定柱，所述光纤穿过所述金属固定柱贯穿所述毛细弯管；所述毛细弯管内的所述光纤上有光纤光栅段，所述光纤光栅段为镀银光纤光栅段；所述毛细弯管的弯曲角度与所述高温超导线圈的弯曲角度一致。

优选的，所述金属固定柱通过低温胶封装在所述毛细弯管内部的两端。

优选的，所述毛细弯管由铜制成。

优选的，所述毛细弯管的外径为1mm，内径为0.75mm。

另一方面，本发明提供一种利用如上所述的高温超导线圈温度传感结构进行高温超导线圈温度监测的方法，在高温超导线圈的上表面由内向外依次均匀铺设多个光纤光栅传感环；其中，位于内侧的光纤光栅传感环的半径小于位于外侧的光纤光栅传感环的半径，光纤光栅传感环由内向外依次环环相套，相邻的两个所述光纤光栅传感环上的光纤光栅传感头的位置相互交错分布。

优选的，所述高温超导线圈上铺设有4个光纤光栅传感环，每个所述光纤光栅传感环上串联有5个光纤光栅传感头。

优选的，所述光纤光栅传感环通过低温胶粘贴在所述高温超导线圈的上表面。

本发明有益效果：对高温超导线圈进行温度传感时布线容易，一根光纤可以测量多个点，能够避免外部应变的影响，抗电磁干扰，无温度监测盲区，监测全面可靠；能够实现对高温超导线圈的温度进行在线检测，快速的为失超保护系统提供温度反馈信号，保证超导磁体的稳定运行。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的高温超导线圈温度传感结构的一个光纤光栅传感头的连接结构图。

图2为本发明实施例所述的光纤光栅段在镀银前后的传感器低温特性响应曲线示意图。

图3为本发明实施例所述的高温超导线圈温度监测的方法中光纤光栅传感环在高温超导线圈上的铺设状态示意图。

图4为本发明实施例所述的相邻的光纤光栅传感环上的光纤光栅传感头对应分布的温度监测示意图。

图5为本发明实施例所述的相邻的光纤光栅传感环上的光纤光栅传感头交错分布的温度监测示意图。

其中：1-光纤；2-毛细弯管；3-金属固定柱；4-光纤光栅段；5-高温超导线圈；6-光纤光栅传感环；7-光纤光栅传感头。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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专利和简化描述，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，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。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专利中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供一种高温超导线圈温度传感结构，包括通过光纤1均匀串联的多个光纤光栅传感头7形成的光纤光栅传感环6，所述光纤光栅传感环的弯曲角度与所述高温超导线圈的弯曲角度一致；

所述光纤传感头包括毛细弯管2，所述毛细弯管2的两端封装有金属固定柱3，所述光纤1穿过所述金属固定柱3耦合有光纤光栅段4；所述毛细弯管2的弯曲角度与所述高温超导线圈的弯曲角度一致。

毛细弯管封装的光纤光栅传感结构由传输光纤1、金属固定柱3、毛细弯管2与镀银光纤光栅段4构成。光纤光栅段4为通过紫外光刻线在光纤1上的，而后再镀银，形成镀银光纤光栅段，提高了低温灵敏度，可以保证在液氮温区内测量的要求。金属固定柱3通过低温胶胶装在放在微弯曲毛细弯管2两端，毛细弯管2为铜管，并将低温胶填充在金属固定柱3和毛细弯管2之间。

选用弯曲的毛细弯管2，可以使光纤光栅传感段4也保持松弛微弯曲结构，避免光纤光栅传感段4受外界应变影响；微弯曲的毛细弯管2的弯曲角度与高温超导线圈的弧度相同，可以使其更容易与线圈贴合；低温胶与金属固定柱3可以使传输光纤1更好的和微弯曲毛细铜管2粘合，并且使光纤光栅传感段稳定的封装在毛细弯管2内，保证光栅不和弯曲毛细铜管接触；金属固定柱3可以使低温胶固定在光纤光栅端部，避免低温胶流动对光栅产生影响；通过将镀银光纤光栅传感段4密封在微弯曲毛细铜管2中，可以避免将光纤传感段固定在线圈上时受到所用环氧树脂胶的非均匀应变带来的啁啾现象。

如图2所示，为293k-77k镀银光纤光栅传感段与裸光纤光栅段的温度响应曲线对比图，在293k-77k的温区内，裸光纤光栅的波长最大改变量为1.27nm，镀银光纤光栅段的波长最大改变量为4.29nm,可知镀银光纤光栅段的波长改变量是裸光纤光栅的波长改变量的3.38倍，表明在光栅表明镀银极大的提高了光纤光栅传感器的波长响应；由计算可得在液氮运行温度区间(77k-92k)内，镀银光纤光栅传感器的平均温度灵敏度为11.4pm/k,而裸光纤光栅传感器平均温度灵敏度仅为1.6pm/k，镀银使光纤光栅传感段平均温度灵敏度变为镀银前的7.125倍，因此，镀银涂敷的光纤光栅传感段的温度灵敏度符合液氮温区的测温需求。

利用如上所述的高温超导线圈温度传感结构进行高温超导线圈温度监测时，在高温超导线圈5的上表面由内向外依次均匀铺设多个光纤光栅传感环6；其中，位于内侧的光纤光栅传感环6的半径小于位于外侧的光纤光栅传感环6的半径，光纤光栅传感环6由内向外依次环环相套，相邻的两个所述光纤光栅传感环6上的光纤光栅传感头7的位置相互交错分布。

如图3所示，本发明实施例中，对高温超导线圈温度进行监测时，所述光纤光栅传感环6通过低温胶粘贴在所述高温超导线圈5的上表面。

在本发明具体实施例中，铺设了4个光纤光栅传感环6的圆饼形高温超导线圈5，其中，每个光纤光栅传感环6均是通过波分复用技术实现的一根光纤串联多个有多个光纤光栅传感接头的测量光纤。所述高温超导线圈5上铺设有4个光纤光栅传感环6，每个所述光纤光栅传感环6上串联有5个光纤光栅传感头7。实现一根光纤对多点温度的测量，克服了传统传感器布线麻烦及漏热问题。用低温胶并排交错分布在超导线圈上表面，这种交错分布可以实现线圈温度的分布式检测。

而在实际应用中，本领域技术人员可根据待测高温超导线圈的尺寸大小，具体设置光纤光栅传感环的半径大小，只要保证多个光纤光栅传感环能够在待测高温超导线圈的上表面实现由内向外的环环相套的设置即可。

其中，光纤光栅段的长度在8mm-10mm之间，因为太大和太小都会影响光栅的反射率，从而影响测量，本领域技术人员可根据具体情况设置光纤光栅段的长度。

在本发明的实施例中，所述毛细弯管2的外径为1mm，内径为0.75mm。而在实际应用中，毛细弯管2的外径和内径也不受上述数值的限制，本领域技术人员可根据光纤光栅段的直径设置合适的毛细弯管的内径，保证光纤光栅段不会接触毛细弯管的内壁即可。

高温超导线圈的失超传播速度很低，热量容易积聚在一点从而使线圈烧毁，因此，当超导线圈某处发生失超时，需要传感器快速检测到温度改变并及时反馈给保护系统。光纤光栅传感器为点测量式传感器，由于工作原理及制作工艺的限制，每两个相邻光栅之间必须有一定的间隔，通常为8mm-10mm,意味着仅用一根光纤是无法实现线圈温度的分布式测量的。

假设超导线圈上的光纤光栅传感环排列方式如图4所示，此时每根光纤光栅传感环上的光纤光栅传感头处于相同位置，此种排列中，光纤光栅传感环6-1、6-2、6-3及6-4的a、b、c、d处有光纤光栅传感头，而e、f、g、h处没有光纤光栅传感头。当超导线圈某处发生失超时，a、b、c、d处有光线光栅传感头，可以及时检测对应位置上的温度改变，而e、f、g、h处没有光纤光栅传感头，为温度检测盲区，则不能及时检测此处温度的改变。

因此，为了避免测温盲区，实现线圈温度分布式检测，本发明实施例提出的交错排列方式，如图5所示，此排列中，6-1、6-2、6-3及6-4的b、d、e、g处均没有光纤光栅传感头，a、c、f、h处有光纤光栅传感头。当超导线圈某处发生失超时，对于位置a、b、c、d，虽然光纤光栅传感环6-2、6-4的b、d位置没有光纤光栅传感器，不能进行温度测量，但是该位置上的光纤光栅传感环6-1、6-3有光纤光栅传感头可以检测温度，从而避免了此处的测温盲区。同理，对于位置e、f、g、h，光纤光栅传感环6-1、6-3的e、g位置没有光纤光栅传感头，不能进行温度测量，但是该位置上的光纤光栅传感环6-2、6-4有光纤光栅传感头可以检测温度，从而避免了此处的测温盲区，以此类推，此类光纤光栅传感头的交错排列方式可以实现超导线圈温度的分布式测量。

综上所述，本发明实施例提出的高温超导线圈温度传感结构和高温超导线圈温度监测的方法，对高温超导线圈进行温度传感时能够避免外部应变的影响，无温度监测盲区，监测全面可靠；能够实现对高温超导线圈的温度进行在线检测，快速的为失超保护系统提供温度反馈信号，保证超导磁体的稳定运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。