一种超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统

摘要

本发明公开了一种超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统，包括由水平设置的铜质支撑板与竖直设置的铜质支撑杆组成的支架；在所述铜质支撑板上，自下向上依次设有激振器、铝制托盘与超导体测试装置；在所述铜质支撑杆上，水平设置有高度可调的铝梁，悬挂在所述铝梁上的永磁体，以及用于将所述永磁体固定在铝梁上的永磁体固定螺栓。本发明所述超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统，可以克服现有技术中变形测量传感器适应性差、测量数据有效性差、测量准确性差与检测精度低等缺陷，以实现变形测量传感器适应性好、测量数据有效性好、测量准确性好与检测精度高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及超导材料性能测试技术，具体地，涉及一种超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统。

背景技术

超导现象对我们并不陌生，而且超导材料领域每一次里程碑式的突破都会吸引几乎所有人的目光，皆因为其独特的物理性质及诱人的应用前景。事实上，超导物理和材料学家分别就超导物理机制、如何提高超导临界参数及寻求新的超导材料等已经为之分头近乎一个世纪。对于超导材料与结构力学问题的研究是伴随着低温超导材料的发展与应用而开启的，超导材料正常工作需要极低温环境（低温超导4.2K，液氦冷却环境；高温超导-77K，液氮冷却环境），超导材料在这种低温环境下的力学特性如杨氏模量、热导率，断裂韧性等及其对于温度、磁场的依赖规律，是超导材料与结构力学的最基本力学课题。

目前，国内的超导实验主要集中在高温超导悬浮系统的悬浮力测量方面，国际上在超导材料结构变形测试方面的实验也十分有限（国内几乎没有开展，已成为国内开展ITER相关研究的掣肘），其主要难度在于低温环境下有限空间内的检测装置安装与极低温与强磁场环境下的变形测量传感器适应性；而在超导体失超磁热分布规律与有效检测方面几乎还没有精度很好的检测实验方法和手段。

在实现本发明的过程中，发明人发现，现有技术中至少存在变形测量传感器适应性差、测量数据有效性差、测量准确性差与检测精度低等缺陷。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统，以实现变形测量传感器适应性好、测量数据有效性好、测量准确性好与检测精度高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统，包括由水平设置的铜质支撑板与竖直设置的铜质支撑杆组成的支架；在所述铜质支撑板上，自下向上依次设有激振器、铝制托盘与超导体测试装置；在所述铜质支撑杆上，水平设置有高度可调的铝梁，悬挂在所述铝梁上的永磁体，以及用于将所述永磁体固定在铝梁上的永磁体固定螺栓。

进一步地，所述超导体测试装置包括设置在铝制托盘上的聚苯乙烯泡沫塑料容器与振动测试传感器；在所述聚苯乙烯泡沫塑料容器的内部盛装有液氮，在液氮中放置有高温超导体、以及与所述高温超导体配合设置、且用于低温测试组件与超导体表面无缝连接的超导体探头夹具；在聚苯乙烯泡沫塑料容器的顶部加盖有环氧树脂盖板。

进一步地，所述超导体探头夹具用低温胶固定黏贴在聚苯乙烯泡沫塑料容器的底端，包括上下对称设置、且具有凹陷空腔的上“凹”型骨架与下“凹”型骨架，以及设置在所述上“凹”型骨架与下“凹”型骨架之间的低温测试组件。

进一步地，所述上“凹”型骨架与下“凹”型骨架，均为用于使超导体部分裸露以调整位置的网架结构。

进一步地，所述上“凹”型骨架与下“凹”型骨架的凹陷处相对设置、且具有内螺纹，所述低温测试组件包括铜管、封装在所述铜管中的低温霍尔探头及温度传感器、放置在下“凹”型骨架的内部空腔中的超导体、以及贴附在所述超导体表面上的低温应变片；与所述上“凹”型骨架及下“凹”型骨架的内螺纹相配合，在所述铜管的外围设有外螺纹。

进一步地，所述低温霍尔探头包括探头支座，以及根据测试点的数目设置的多个探头点；与每个探头点相对应，设有伸出铜管的探头导线余量与导线卡件；相应的探头导线余量通过相应的导线卡件，卡接在上“凹”型骨架远离凹陷处的顶板上。

进一步地，所述超导体为圆柱体或正六棱柱状的超导块。

本发明各实施例的超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统，由于包括由水平设置的铜质支撑板与竖直设置的铜质支撑杆组成的支架；在铜质支撑板上，自下向上依次设有激振器、铝制托盘与超导体测试装置；在铜质支撑杆上，水平设置有高度可调的铝梁，悬挂在铝梁上的永磁体，以及用于将所述永磁体固定在铝梁上的永磁体固定螺栓；可以测量超导材料在动态情形下的力学变形、磁场分布、热传导规律等的实验测试平台，解决在极端环境下超导材料电磁与力学等特性参数的实验测量方法的基础性关键问题；可以通过实验的手段，揭示超导材料其物理特性参数对极低温和磁场环境的依赖规律，为超导材料的应用提供有效且可靠的基本数据；从而可以克服现有技术中变形测量传感器适应性差、测量数据有效性差、测量准确性差与检测精度低的缺陷，以实现变形测量传感器适应性好、测量数据有效性好、测量准确性好与检测精度高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统的结构示意图；

图2为根据本发明超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统中低温探头、超导体及夹具的装配结构示意图；

图2a为图2中低温探头及探头支座的俯视图的结构示意图；

图2b和图2c为图2中超导体的横截面示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-铜质支撑杆；2-铝梁；3-永磁体；4-永磁体固定螺栓；5-环氧树脂盖板；6-聚苯乙烯泡沫塑料容器；7-液氮；8-超导体探头夹具；9-高温超导体；10-振动测试传感器；11-铝制托盘；12-激振器；13-导线卡件；14-探头导线余量；15-内螺纹；16-外螺纹；17-低温霍尔（hall）探头及温度传感器；18-超导块；19-低温应变片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，提供了一种超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统。如图1-图2c所示，本实施例包括由水平设置的铜质支撑板与竖直设置的铜质支撑杆1组成的支架；在铜质支撑板上，自下向上依次设有激振器12、铝制托盘11与超导体测试装置；在铜质支撑杆1上，水平设置有高度可调的铝梁2，悬挂在铝梁2上的永磁体3，以及用于将永磁体3固定在铝梁2上的永磁体固定螺栓4。

在上述实施例中，超导体测试装置包括设置在铝制托盘11上的聚苯乙烯泡沫塑料容器6与振动测试传感器10；在聚苯乙烯泡沫塑料容器6的内部盛装有液氮7（77K），在液氮7中放置有高温超导体9、以及与高温超导体9配合设置、且用于低温测试组件与超导体表面无缝连接的超导体探头夹具8；在聚苯乙烯泡沫塑料容器6的顶部加盖有环氧树脂盖板5。

在上述实施例中，超导体探头夹具8用低温胶固定黏贴在聚苯乙烯泡沫塑料容器6的底端，包括上下对称设置、且具有凹陷空腔的上“凹”型骨架与下“凹”型骨架，以及设置在上“凹”型骨架与下“凹”型骨架之间的低温测试组件。其中，上“凹”型骨架与下“凹”型骨架，均为用于使超导体部分裸露以调整位置的网架结构。这里，上“凹”型骨架与下“凹”型骨架的材质可采用铝或铜。

在上述实施例中，上“凹”型骨架与下“凹”型骨架的凹陷处相对设置、且具有内螺纹15，低温测试组件包括铜管（直接为2mm）、封装在铜管中的低温霍尔（hall）探头（适用温度77K-400K，尺寸为直径2mm）及温度传感器（精度0.1K）、放置在下“凹”型骨架的内部空腔中的超导体、以及贴附在超导体表面上的低温应变片19；与上“凹”型骨架及下“凹”型骨架的内螺纹15相配合，在铜管的外围设有外螺纹16。这里，超导体为圆柱体或正六棱柱状的超导块18。

在上述实施例中，低温霍尔探头包括探头支座，以及根据测试点的数目设置的多个探头点；与每个探头点相对应，设有伸出铜管的探头导线余量14与导线卡件13，并在上“凹”型骨架远离凹陷处的顶板上设有夹头；相应的探头导线余量14通过相应的导线卡件13，卡接在上“凹”型骨架的夹头处，夹头的材质为铝或铜。

具体操作时，将超导体放置于的超导体探头夹具8中，同点测磁场强度的低温hall探头及温度传感器17（温度传感器同低温hall探头置于一体），然后将超导体探头夹具8整体用低温胶黏贴在聚苯乙烯泡沫塑料容器6的底端，同聚苯乙烯泡沫塑料容器6固定在一起；将要实验的聚苯乙烯泡沫塑料容器6固定在激振器12的铝制托盘11上，并在铝制托盘11上放置振动测试传感器10的动态信号；固定好聚苯乙烯泡沫塑料容器6和激振器12后，将液氮7倒入聚苯乙烯泡沫塑料容器6中，并用环氧树脂盖板5盖住聚苯乙烯泡沫塑料容器6的开口，在铝梁2上安放永磁体3，用永磁体固定螺栓4固定永磁体3，同时根据实验的要求可以调升或者降低铝梁2的高度，从而达到实验的要求和目的。

必要说明的是，超导体在动态时，存在与静态时不同的特性，即磁热分布规律有很大的差异，超导体表面的磁热会有不同的特征，对于不同点测量，这就显得尤为重要。同时，目前国内、国外技术，所生产的超导体其结构都是比较小的，其直径约为30mm、高度约为20mm的圆柱体或者六棱柱，为此，上述实施例的超导体探头夹具8及采用的低温hall探头的尺寸都非常的小，并且，超导体探头夹具8能够根据所测样品的尺寸实现最大25个点的振动测试传感器10的位置固定，能够较为全面的测试超导体在动态情形下超导材料表面磁、热分布规律进行多点测试。

对于超导体的力学同步变形，采用在超导体柱面粘贴低温应变片19（适用温度4—400K），测试超导体的力学形变特性，从而实现力学变形与磁、热特征量的同步测试。

其中，为了使超导材料表面与低温hall探头及温度传感器17的无缝接触，上述实施例设计了超导体探头夹具8；其中固定超导体的骨架为网状结构，只需起到固定超导体与探头支座无缝连接的作用，并且方便调整它在骨架里面的位置。探头支座采用铝质材料，其直径为2mm，结构为蜂窝结构，可以将低温hall探头及温度传感器17插入孔中，与超导体截面无缝接触，再通过上“凹”型骨架，来固定低温hall探头及温度传感器17还有导线，以免在振动中产生摆动，而影响实验测试，并且让导线能够不受张力，对导线产生破坏；从而整个超导体探头夹具8可以使超导体以及测试的低温hall探头及温度传感器17于一体，保证动态实验测试的准确性和精度。

上述实施例的超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统，是开创性的，有利于建立一套可靠、准确、自动化程度高的测量超导材料在动态情形下的力学变形、磁场分布、热传导规律等的实验测试平台，解决在极端环境下，超导材料电磁与力学等特性参数的实验测量方法的基础性关键问题，可以通过实验的手段，来揭示超导材料其物理特性参数对极低温和磁场环境的依赖规律，为超导材料的应用提供有效的、可靠的基本数据，为进一步开发和应用打下良好的基础；该超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统，适用于极端环境下，超导材料在动态情形下，电磁与力学等特性参数的实验测量系统；可实现不施加外加电流情形下的超导体磁场、温度场以及应力场之间的关联测试，填补超导失超磁热分布规律的有效检测。

综上所述，本发明各实施例的超导体动态表面磁场及热分布的多点测试系统，由于包括由水平设置的铜质支撑板与竖直设置的铜质支撑杆组成的支架；在铜质支撑板上，自下向上依次设有激振器、铝制托盘与超导体测试装置；在铜质支撑杆上，水平设置有高度可调的铝梁，悬挂在铝梁上的永磁体，以及用于将所述永磁体固定在铝梁上的永磁体固定螺栓；可以测量超导材料在动态情形下的力学变形、磁场分布、热传导规律等的实验测试平台，解决在极端环境下超导材料电磁与力学等特性参数的实验测量方法的基础性关键问题；可以通过实验的手段，揭示超导材料其物理特性参数对极低温和磁场环境的依赖规律，为超导材料的应用提供有效且可靠的基本数据；从而可以克服现有技术中变形测量传感器适应性差、测量数据有效性差、测量准确性差与检测精度低的缺陷，以实现变形测量传感器适应性好、测量数据有效性好、测量准确性好与检测精度高的优点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。