專利名稱：一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超導(dǎo)電工學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)材料為綠色，可持續(xù)能源經(jīng)濟(jì)提供了重要的技術(shù)支持，超導(dǎo)電纜，超導(dǎo)風(fēng)機(jī)都 在逐步走向民用，大規(guī)模使用高溫超導(dǎo)材料的年代即將到來。電流載流性能是反映超導(dǎo)帶 材性能的最基本參數(shù)。普遍采取“四引線法”測量臨界電流反映電流的載流性能，即在樣品 兩端加載電流，觀測電壓信號(hào)。隨著電流的增加，通過觀測電壓的增加，以每厘米帶材長度 產(chǎn)生1微伏作為失超判據(jù)，確 定超導(dǎo)帶材的臨界電流。這種方法原理簡單，廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn) 室級(jí)別的長度小于IOcm的短樣品測量。目前Bi系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)， 單根Bi系導(dǎo)線長度已經(jīng)超過了 500米，正在發(fā)展中的Y系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線長度也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 百米量級(jí)，在線檢測長帶整體性能和局部缺陷十分重要。作為一種接觸式的測量方法，四引 線法應(yīng)用在長超導(dǎo)帶材的臨界電流測量有很多局限性。首先在測量中電流引線和電壓引線 需要與帶材接觸，會(huì)對(duì)超導(dǎo)帶材造成機(jī)械損傷，其次測試效率也十分低下，不方便實(shí)現(xiàn)對(duì)百 米級(jí)長帶的連續(xù)快速測量。針對(duì)四引線法對(duì)于高溫超導(dǎo)帶材連續(xù)測量能力的不足，科研人員發(fā)展了一系列通 過霍爾片測量帶材表面磁場，反映臨界電流的方法。其中一種方法是將超導(dǎo)帶材放置在外 磁場下，通常由亥姆霍茨線圈提供，超導(dǎo)樣品中會(huì)感生環(huán)形電流抵抗外加磁場，環(huán)形電流產(chǎn) 生一定的空間分布，通過在樣品表面一定高度處放置霍爾探頭，測量感生環(huán)形電流磁場分 布和幅值，反算臨界電流。另外一種方法是超導(dǎo)帶材樣品首先通過一個(gè)背景磁場，通常背景磁場需要大于兩 倍的最大穿透場，然后將經(jīng)過磁化后的超導(dǎo)帶材樣品移出背景磁場，此時(shí)在超導(dǎo)帶材內(nèi)部 會(huì)感生出類似渦流的環(huán)形電流，由于超導(dǎo)材料自身電阻很小，該環(huán)形電流會(huì)長時(shí)間存在，并 產(chǎn)生一個(gè)磁場，通常稱該磁場為剩余磁場，剩余磁場在空間具有一定分布。在與帶材表面相 對(duì)位置固定點(diǎn)放置磁場探測元件，通常為霍爾探頭，測量帶材表面某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。探頭 與樣品相對(duì)位置固定時(shí)，測量到剩余磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值與帶材臨界電流具有正比的關(guān) 系，可反算帶材對(duì)應(yīng)的臨界電流。上述兩種測試方法已經(jīng)發(fā)展多年，成為比較標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，也有相關(guān)產(chǎn)品問世。 但這種方法的主要缺點(diǎn)是帶材與霍爾探頭之間需要精確定位，由于樣品產(chǎn)生磁場在空間具 有一定的分布，利用霍爾探頭測量僅僅是測量一個(gè)點(diǎn)或者幾個(gè)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從本質(zhì)上 講是一種“以點(diǎn)代面”的方法，帶材與霍爾探頭微小的相對(duì)位置改變，無論是左右的偏移，還 是上下的偏移，都會(huì)對(duì)最終測試結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。通常百微米級(jí)別的樣品與探頭的左 右或上下位置偏移都會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生很大誤差，測量者無法判斷磁場讀數(shù)變化是由于帶 材與探頭相對(duì)位置變化導(dǎo)致的還是由于帶材本身臨界電流的變化導(dǎo)致的。基于這種原理的 臨界電流連續(xù)測量裝置，為了盡可能保持霍爾探頭與樣品相對(duì)位置的穩(wěn)定，帶材傳動(dòng)裝置需要精密設(shè)計(jì)，并且以犧牲傳動(dòng)速度來進(jìn)一步提高樣品與霍爾探頭相對(duì)位置的穩(wěn)定，造成 測量效率低下，目前比較成熟的產(chǎn)品測量速度大約為60米/小時(shí)。即便如此，利用這種方 法測試帶材臨界電流，其本底噪音都在幾個(gè)安培左右。本申請(qǐng)人遞交的發(fā)明專利申請(qǐng)《非接觸式超導(dǎo)帶材臨界電流測量裝置》(申請(qǐng)?zhí)?201010033688. 5)是一種基于雙磁路，通過測量帶材剩余磁場對(duì)于磁路的驅(qū)動(dòng)能力測量臨 界電流的方法，這種方法從本質(zhì)上消除了機(jī)械振動(dòng)對(duì)于測量的影響，實(shí)現(xiàn)了速度大于360 米/小時(shí)，重復(fù)性優(yōu)于的測量裝置，克服了上述利用測量超導(dǎo)帶材表面磁感應(yīng)強(qiáng)度再反 算臨界電流的方法的缺點(diǎn)。這種方法特別適用于快速檢驗(yàn)帶材臨界電流。但這種方法只 用于檢驗(yàn)帶材在自場下，全穿透狀態(tài)下的臨界電流，是帶材在自場下載流能力的反應(yīng)。由于 超導(dǎo)帶材電流載流能力對(duì)于外加磁場十分敏感，同時(shí)不同穿透狀態(tài)下的載流能力也不盡相 同，這種利用雙磁路測量剩磁的方法無法實(shí)現(xiàn)帶材在各種外磁場和各種穿透狀態(tài)下 的載流 能力測試，所測數(shù)據(jù)還不夠全面反映在不同工作磁場下的載流能力信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為解決現(xiàn)有技術(shù)利用雙磁路測量剩磁的方法無法實(shí)現(xiàn)帶材在各種 外磁場和各種穿透狀態(tài)下的載流能力測試，所測數(shù)據(jù)還不夠全面反映在不同工作磁場下的 載流能力信息的問題，本發(fā)明基于單磁路，通過測量外磁場在超導(dǎo)帶材感生的環(huán)形電流對(duì) 磁路的反向驅(qū)動(dòng)能力反映通流能力的方法，提出一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝 置，其特征在于，探測磁路垂直固定在基座10上，探測磁路包括鐵芯1、勵(lì)磁線圈2、樣品狹 縫3和測量狹縫4，安裝在基座10上的第一導(dǎo)輪7和第二導(dǎo)輪8配合液氮容器9外部的放 線設(shè)備和收線設(shè)備組成超導(dǎo)帶材連續(xù)傳動(dòng)裝置，第一導(dǎo)輪7和第二導(dǎo)輪8分別置于探測磁 路兩側(cè)，第一導(dǎo)輪7、樣品狹縫3和第二導(dǎo)輪8在同一條直線上，高溫超導(dǎo)帶材的樣品6從外 部的放線設(shè)備經(jīng)過第一導(dǎo)輪7導(dǎo)向穿過樣品狹縫3后再經(jīng)過第二導(dǎo)輪8導(dǎo)向傳送到外部收 線設(shè)備，樣品運(yùn)動(dòng)方向11從第一導(dǎo)輪7指向第二導(dǎo)輪8 ；基座10置于液氮容器9的底部，裝 置工作時(shí)探測磁路和樣品6均浸泡在液氮里；所述探測磁路中勵(lì)磁線圈2纏繞在鐵芯1上， 探測磁路的鐵芯1、樣品狹縫3和測量狹縫4構(gòu)成閉合磁路，測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場探頭5 置于測量狹縫4內(nèi)。所述鐵芯1為閉合鐵芯，形狀為0型、矩形或閉合多邊形。所述鐵芯1的材料為軟磁鐵芯。所述探測磁路的樣品狹縫3的高度h大于樣品寬度W，樣品狹縫寬度％大于樣品 厚度t。所述磁場探頭5為霍爾探頭或巨磁阻探頭。本發(fā)明測量裝置的核心部件是含有雙狹縫和勵(lì)磁線圈的探測磁路。為了完成對(duì)長 超導(dǎo)帶材的連續(xù)測量，還配有帶材連續(xù)傳動(dòng)裝置和低溫容器。裝置基本工作流程如下在液氮低溫條件下，探測磁路的勵(lì)磁線圈通電驅(qū)動(dòng)磁路 工作，此時(shí)在樣品狹縫和測量狹縫處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定磁場，該磁場幅值被放置在測量狹縫 處的磁場探頭測量記為B—待測的高溫超導(dǎo)帶材樣品由傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過樣品狹縫，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形電流， 該環(huán)形電流反向驅(qū)動(dòng)磁路，削弱測量狹縫處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，經(jīng)磁場探頭測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，進(jìn)而推算該超導(dǎo)帶材通流性能。對(duì)于同批次(帶材寬度和厚度都相同)的超導(dǎo)帶材， 測量狹縫處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的減小量與高溫超導(dǎo)帶材樣品的通流能力成正比。需要特別注意的是，實(shí)際測量中可以任意調(diào)整勵(lì)磁線圈的電流來改變Btl值，因此 本發(fā)明可測量超導(dǎo)帶材在不同磁場下，不同穿透狀態(tài)下的通流能力，得到被測樣品更豐富 的物理信息。當(dāng)Btl幅值大于一倍穿透場時(shí)，樣品環(huán)形電流占據(jù)整個(gè)樣品，此時(shí)通過對(duì)比標(biāo) 準(zhǔn)樣品四點(diǎn)法得到的臨界電流數(shù)據(jù)，可以反算長帶臨界電流分布。探測磁路厚度d，即沿帶材傳動(dòng)方向的磁路厚度決定測量裝置對(duì)樣 品的空間分辨 率。探測磁路厚度d越小，所測樣品局部信息反映得越充分；探測磁路厚度d越大，對(duì)所測 樣品整體通流能力反映得越充分。探測磁路厚度d可根據(jù)使用者需求確定。本發(fā)明的測量裝置特別適合扁平狀高溫超導(dǎo)帶材載流能力測試，所測樣品可以為 Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材，也可以為YBCO高溫超導(dǎo)帶材。本發(fā)明和基于雙磁路的非接觸式超導(dǎo)帶材臨界電流測量裝置共同之處在于，從物 理本質(zhì)上解決現(xiàn)有技術(shù)測量方法的“以點(diǎn)代面”局限性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品整體臨界電流性能的 測量。測量過程中帶材的左右偏移或上下偏移即便達(dá)到幾個(gè)毫米，對(duì)于測量結(jié)果的影響小 于百分之一。測量時(shí)只要樣品不被移出樣品狹縫，其左右或上下的偏移不會(huì)改變樣品的環(huán) 形電流，不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)磁路能力發(fā)生變化，在測量狹縫測量到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也不會(huì)發(fā)生變化， 不會(huì)對(duì)通流能力測試結(jié)果產(chǎn)生影響，從根本上解決了現(xiàn)有技術(shù)要求樣品與探頭精確定位的 缺點(diǎn)，使得帶材傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度大幅度降低，還可以大幅度提高走帶速度和測量效 率。特別適合工業(yè)化超長帶材通流能力連續(xù)測量。本發(fā)明和基于雙磁路的非接觸式超導(dǎo)帶材臨界電流測量裝置不同之處在于，本發(fā) 明可測量帶材在不同磁場，不同穿透狀態(tài)下的通流能力，使用范圍更為廣泛，揭示的物理信 息更為豐富，同時(shí)由于僅使用一個(gè)磁路，系統(tǒng)復(fù)雜程度也有所降低?；陔p磁路的非接觸式 超導(dǎo)帶材臨界電流測量裝置是一種在零磁場條件下通過測量帶材剩余磁場對(duì)于磁路的驅(qū) 動(dòng)能力反算測量臨界電流的裝置。本發(fā)明的有益效果為，這種方具備與雙磁路裝置同樣的高速，重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，還 可以測量超導(dǎo)帶材在不同外加磁場下，不同磁場穿透情況的帶材載流性能，為精細(xì)研究帶 材在不同磁場下的載流能力提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)由于僅使用了一個(gè)磁路，裝置的復(fù)雜程 度也有所降低。


圖1為一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置實(shí)施例示意圖；圖2為探測磁路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3對(duì)2. 8米YBCO帶材和2. 5米Bi2223高溫超導(dǎo)帶材的測量結(jié)果；圖中，1-鐵芯，2-勵(lì)磁線圈，3—樣品狹縫，4-測量狹縫，5-磁場探頭，6—樣 品，7-第一導(dǎo)輪，8-第二導(dǎo)輪，9-低溫容器，10-基座，11-樣品運(yùn)動(dòng)方向。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明基于單磁路法的非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測 量裝置的工作原理、測量流程和測試結(jié)果。
非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置實(shí)施例示意圖如圖1所示，探測磁路垂直固 定在基座10上，探測磁路包括鐵芯1、勵(lì)磁線圈2、樣品狹縫3和測量狹縫4。為了實(shí)現(xiàn)長帶 材的連續(xù)測量，安裝在基座10上的第一導(dǎo)輪7和第二導(dǎo)輪8配合液氮容器9外部的放線設(shè) 備和收線設(shè)備組成超導(dǎo)帶材連續(xù)傳動(dòng)裝置，第一導(dǎo)輪7和第二導(dǎo)輪8分別置于探測磁路兩 側(cè)，第一導(dǎo)輪7、樣品狹縫3和第二導(dǎo)輪8在同一條直線上，高溫超導(dǎo)帶材的樣品6從外部的 放線設(shè)備經(jīng)過第一導(dǎo)輪7導(dǎo)向穿過樣品狹縫3后再經(jīng)過第二導(dǎo)輪8導(dǎo)向傳送到外部收線設(shè) 備，樣品運(yùn)動(dòng)方向11從第一導(dǎo)輪7指向第二導(dǎo)輪8 ；基座10置于液氮容器9的底部，裝置 工作時(shí)探測磁路和樣品6均浸泡在液氮里；所述探測磁路中勵(lì)磁線圈2纏繞在鐵芯1上，探 測磁路的鐵芯1、樣品狹縫3和測量狹縫4構(gòu)成閉合磁路，測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場探頭5置 于測量狹縫4內(nèi)。如圖2所示，本實(shí)施例的探測磁路中，鐵芯1采用一個(gè)初始外徑T1 = 25mm、內(nèi)徑r2 =16mm的閉合0型坡莫合金鐵芯，用兩側(cè)對(duì)稱開縫的方式，即在鐵芯同一條直徑兩端切割 獲得樣品狹縫3和測量狹縫4。樣品狹縫寬度ai和測量狹縫寬度a2均為2毫米，樣品狹縫 高度h為9毫米，大于樣品寬度W。樣品狹縫3沿帶材移動(dòng)方向的探測磁路厚度d為10毫 米。磁場探頭5采用霍爾探頭。鐵芯1為閉合0型坡莫合金鐵芯，在鐵芯的同一條直徑兩端分別切割出樣品狹縫 3和測量狹縫4。本測量裝置用于扁平狀高溫超導(dǎo)帶材樣品測試。這種結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，除了 已經(jīng)得到工業(yè)化生產(chǎn)的Bi2223帶材，還有已經(jīng)初步具備實(shí)驗(yàn)室規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的YBCO高溫超 導(dǎo)帶材。裝置基本工作流程如下在液氮低溫條件下，探測磁路勵(lì)磁線圈2通電驅(qū)動(dòng)磁路工 作，此時(shí)在樣品狹縫，和測量狹縫處會(huì)產(chǎn)生磁場，該磁場幅值被放置在測量狹縫處的霍爾探 頭測量，記為B。。待測的高溫超導(dǎo)帶材樣品由傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過樣品狹縫，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形電流， 該環(huán)形電流反向驅(qū)動(dòng)磁路，削弱測量狹縫處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化為霍爾探頭 測量。磁感應(yīng)強(qiáng)度減小正比樣品環(huán)形電流驅(qū)動(dòng)能力，環(huán)形電流驅(qū)動(dòng)能力正比樣品的通流能 力。如圖3為選取的兩段待測樣品YBCO高溫超導(dǎo)帶材和Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)帶材的測試結(jié)果，其中YBCO帶材長度2. 8米，寬度3. 5毫米，厚度0. 1毫米，Β 2223帶材長度2. 5 米，寬度4. 3毫米、厚度0. 25毫米。兩段樣品之間用銅帶相連，兩段樣品首尾也分別連接有 銅帶。樣品以每秒10cm(360米/小時(shí))速度通過樣品狹縫，用計(jì)算機(jī)連接數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí) 監(jiān)測霍爾探頭輸出電壓數(shù)據(jù)，反算成磁場信息。樣品在背景磁場Btl分別為50高斯和200高 斯條件下測得磁場變化如圖3所示?？v坐標(biāo)為扣除了背景磁場本底信號(hào)之后樣品驅(qū)動(dòng)磁路 產(chǎn)生的磁場變化信號(hào)。磁場幅值的波動(dòng)即對(duì)應(yīng)著樣品長度方向上載流能力的波動(dòng)?？梢悦?顯看出在不同背景磁場下，帶材的載流能力呈現(xiàn)出很大的不同，在小磁場下，無論YBCO帶 材還是Bi2223帶材，其載流能力波動(dòng)更為平緩，由于小磁場下電流更集中在帶材的外圍， 這也從一個(gè)方面顯示出帶材在最外圍的均勻性要好于內(nèi)層。
權(quán)利要求
一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置，其特征在于，探測磁路垂直固定在基座(10)上，探測磁路包括鐵芯(1)、勵(lì)磁線圈(2)、樣品狹縫(3)和測量狹縫(4)，安裝在基座(10)上的第一導(dǎo)輪(7)和第二導(dǎo)輪(8)配合液氮容器(9)外部的放線設(shè)備和收線設(shè)備組成超導(dǎo)帶材連續(xù)傳動(dòng)裝置，第一導(dǎo)輪(7)和第二導(dǎo)輪(8)分別置于探測磁路兩側(cè)，第一導(dǎo)輪(7)、樣品狹縫(3)和第二導(dǎo)輪(8)在同一條直線上，高溫超導(dǎo)帶材的樣品(6)從外部的放線設(shè)備經(jīng)過第一導(dǎo)輪(7)導(dǎo)向穿過樣品狹縫(3)后再經(jīng)過第二導(dǎo)輪(8)導(dǎo)向傳送到外部收線設(shè)備，樣品運(yùn)動(dòng)方向(11)從第一導(dǎo)輪(7)指向第二導(dǎo)輪(8)；基座(10)置于液氮容器(9)的底部，裝置工作時(shí)探測磁路和樣品(6)均浸泡在液氮里；所述探測磁路中勵(lì)磁線圈(2)纏繞在鐵芯(1)上，探測磁路的鐵芯(1)、樣品狹縫(3)和測量狹縫(4)構(gòu)成閉合磁路，測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場探頭(5)置于測量狹縫(4)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置，其特征在于，所 述鐵芯(1)為閉合鐵芯，形狀為0型、矩形或閉合多邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置，其特征在于， 所述鐵芯(1)的材料為軟磁鐵芯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置，其特征在于，所 述探測磁路的樣品狹縫(3)的高度h大于樣品寬度w，樣品狹縫寬度al大于樣品厚度t。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置，其特征在于，所 述磁場探頭(5)為霍爾探頭或巨磁阻探頭。
全文摘要
本發(fā)明屬于超導(dǎo)電工學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種非接觸式超導(dǎo)帶材載流能力測量裝置。本發(fā)明基于單磁路法的電流傳輸性能連續(xù)測量方法，探測磁路垂直固定在基座上，探測磁路的鐵芯、樣品狹縫、測量狹縫和勵(lì)磁線圈構(gòu)成閉合探測磁路。在液氮低溫條件下，勵(lì)磁線圈通電在樣品狹縫和測量狹縫處產(chǎn)生一個(gè)固定磁場，將樣品通過樣品狹縫，樣品內(nèi)感生環(huán)形電流，在測量狹縫測量環(huán)形電流反向驅(qū)動(dòng)探測磁路產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化反映帶材的電流載流能力。本發(fā)明的單磁路裝置與雙磁路裝置具有同樣的高速和重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，還可以測量帶材在不同外加磁場下，不同磁場穿透情況的帶材載流性能，特別適合連續(xù)測量超長超導(dǎo)帶材載流能力。
文檔編號(hào)G01R19/00GK101833027SQ20101016371
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者瞿體明, 鄒圣楠, 韓征和, 顧晨 申請(qǐng)人:清華大學(xué)