一种超导带材电流传输能力测量探头、测量装置及方法

摘要

本发明涉及超导电工领域，尤其涉及一种超导带材电流传输能力测量探头、测量装置及方法，包括一个磁路、探测绕组以及连接在探测绕组上的测量电路；磁路包括磁路铁芯、励磁绕组以及为励磁绕组提供电流的可调电源，励磁绕组和所述探测绕组分别缠绕在所述磁路铁芯上，磁路铁芯上开设有一个用于容纳待测超导带材样品的狭缝，磁路铁芯和所述狭缝构成闭合磁路；通过励磁绕组以及为励磁绕组提供电流的可调电源调整所述狭缝中的磁场幅值，探测绕组以及连接在探测绕组上的测量电路对放置在狭缝中的待测超导带材样品的电流传输能力进行测量。本发明可以测量超导带材的沿带材宽度方向的局部电流传输特性，还可以测量超导带材在外磁场下的整体电流传输特性。

说明书

技术领域

本发明涉及超导电工领域，尤其涉及一种超导带材电流传输能力 测量探头、测量装置及方法。

背景技术

超导材料因其无阻可携带大电流的特性可广泛用于大型电力装 置，可以预期大规模使用高温超导材料的年代即将到来。电流传输性 能是反映超导带材性能的最基本参数。目前普遍采取“四引线法”测 量临界电流反映电流的传输性能，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10cm的短样品测量。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，有 可能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 发展了磁路法探测超导带材电流传输能力的方法，如专利 zl201010033688.5，这种方法利用双狭缝磁路和霍尔探头实现了对高 温超导带材电流传输能力的测量，但这种方法磁路需要设置两个狭缝， 导致磁路励磁能力大幅下降，另外特别是在测量外磁场下电流传输能 力的时候的，需要在大背景磁场下检测一个小2-3个数量级的信号， 导致会产生很大的误差，不利于实际应用。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者 至少部分地解决或者减缓上述问题的超导带材电流传输能力测量探 头、测量装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种超导带材电流传输能力测量 探头，所述超导带材电流传输能力测量探头包括一个磁路、探测绕组 以及连接在所述探测绕组上的测量电路；所述磁路包括磁路铁芯、励 磁绕组以及为所述励磁绕组提供电流的可调电源，所述励磁绕组和所 述探测绕组分别缠绕在所述磁路铁芯上，所述磁路铁芯上开设有一个 用于容纳待测超导带材样品的狭缝，磁路铁芯和所述狭缝构成闭合磁 路；通过所述励磁绕组以及为所述励磁绕组提供电流的可调电源调整 所述狭缝中的磁场幅值，所述探测绕组以及连接在所述探测绕组上的 测量电路对放置在所述狭缝中的待测超导带材样品的电流传输能力 进行测量。

可选的，所述磁路铁芯的材料为软磁铁芯。

可选的，所述磁路铁芯为闭合铁芯，形状为O型、矩形或闭合 多边形。

可选的，所述狭缝的高度大于待测超导带材样品的厚度，且宽度 大于待测超导带材样品的宽度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种超导带材电流传输能力测 量装置，所述超导带材电流传输能力测量装置包括如上任一所述的超 导带材电流传输能力测量探头、连续传动装置、低温维持装置，所述 连续传动装置由配合所述低温维持装置外部的放线设备和收线设备 的第一导轮和第二导轮组成，第一导轮和第二导轮分别置于所述磁路 两侧，所述第一导轮、狭缝和第二导轮在同一条直线上，所述待测超 导带材样品从外部的放线设备经过第一导轮导向穿过所述狭缝后再 经过第二导轮导向传送到外部收线设备，所述待测超导带材样品运动 方向从第一导轮指向第二导轮；装置工作时所述磁路和待测超导带材 样品均放置在低温维持装置中。

可选的，所述超导带材电流传输能力测量装置还包括设置在所述 连续传动装置上的外加磁场，所述第一导轮、外加磁场、狭缝和第二 导轮依次设置在同一条直线上。

可选的，所述外加磁场通过电磁铁或永磁体施加。

可选的，所述低温维持装置为装有液氮的容器。

根据本发明的又一个方面，提供了一种基于上述的超导带材电 流传输能力测量装置的超导带材电流传输能力的测量方法，所述方 法包括：

将待测超导带材样品放置在所述低温维持装置中进行冷却；

通过所述连续传动装置将冷却后的待测超导带材样品进入所述 狭缝；

通过所述为所述励磁绕组提供电流的可调电源，调整所述励磁 绕组所产生磁场的大小和/或方向进行；

通过探测绕组和测量电路以感应电压的形式对所述待测超导带 材样品进行测量。

根据本发明的又一个方面，提供了一种基于上述的超导带材电 流传输能力测量装置的超导带材电流传输能力的测量方法，所述方 法包括：

将待测超导带材样品放置在所述低温维持装置中进行冷却；

将冷却后的待测超导带材样品通过电磁铁或永磁体提供放入一 个至少大于2倍穿透磁场的外加磁场；

通过所述连续传动装置将所述待测超导带材样品移出所述外加 磁场，并进入所述狭缝；

通过探测绕组和测量电路以感应电压的形式对所述待测超导带 材样品进行测量。

本发明超导带材电流传输能力测量装置中的励磁绕组匝数及励 磁电源需保证在狭缝处具有产生至少大于1倍超导带材穿透磁场幅 值的能力，超导带材，如高温超导导线。高温超导带材穿透磁场可以 利用Jc*d的公式估算，其中，Jc为超导带材的电流密度，d为超导 带材的厚度。

本发明超导带材电流传输能力测量装置具有3种使用方法，可以 反映出带材在不同条件下的电流传输能力。

第一种使用方法：高温超导带材经过液氮制冷后，进入磁路的狭 缝，此时励磁绕组即磁路励磁线圈通流，在狭缝处产生直流磁场，磁 场幅值小于等于1倍穿透磁场。高温超导带材经过直流磁场，在带材 上会被磁化产生环流，随着加载外磁场幅值的增加，环流会呈现自外 向内的穿透过程。环流产生的磁场与施加的外磁场方向相反，这种对 于施加外磁场的抵抗导致磁路磁通变化，会被探测绕组以感应电压的 形式探测到。由于带材各处的临界电流密度不一致，同时调整外磁场 的幅值，可以调控环流位置，获得不同位置的电流传输能力信息，这 些信息会被探测绕组和测量电路以感应电压的形式探测到。在这种结 构下，探测绕组和测量电路检测到的仅仅是电流传输能力的变化，通 过系统标定之后，可以到电流传输能力的绝对值。

第二种使用方法：高温超导带材经过液氮制冷后，进入磁路的狭 缝，此时励磁绕组通流，在狭缝处产生直流磁场，第二种使用方法中， 磁场幅值至少达到1倍穿透磁场以上。高温超导带材暴露在大于1倍 穿透磁场条件下，会产生全穿透固定形状的大环流，但随着加载外磁 场幅值的增加，受到高温超导带材本征的Jc(B)影响，虽然全穿透环 流形状不会改变，但是环流幅值会降低，加载不同外磁场，反映了超 导带材在磁场下的电流传输能力。这些信息会被探测绕组以感应电压 的形式探测到。探测线圈检测到的仅仅是电流传输能力的变化，通过 系统标定之后，可以到电流传输能力的绝对值。

第三种使用方法：高温超导带材经过液氮冷却后，先经过一个至 少大于2倍穿透磁场的外加磁场，外加磁场可以通过电磁铁施加，也 可以通过永磁体施加。超导带材经过大于2倍大小外加磁场之后，再 移出外加磁场之后会剩余全穿透形态超导环流，此时高温超导带材进 入本发明超导带材电流传输能力测量装置中的狭缝，利用探测绕组和 测量电路检测该高温超导带材在零外加磁场下的整体电流传输能力。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种超导带材电流传输能力测量探头、测量装置 及方法，仅需要单狭缝磁路就实现了对超导带材电流传输能力的非 接触无损测量，采用单狭缝使得励磁信号更强，同时通过外加磁场 的设置可以在对超导带材施加外磁场测量的同时，并在过滤外磁场 信号后，实现超导带材在外磁场下的整体电流传输特性的测量，有 效地提高了测量精度，同时降低了系统的复杂性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发 明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明 的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的 具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处 对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施 方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用 相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例的一种超导带材电流传输能力测量探头 的结构示意图；

图2示出了本发明实施例的一种超导带材电流传输能力测量装置 的结构示意图；

图3示出了本发明实施例中采用第一种测试方法在超导带材上形 成的环流示意图；

图4示出了本发明实施例中采用第二种测试方法在超导带材上形 成的环流示意图；

图5示出了本发明实施例中采用第三种测试方法在超导带材上形 成的环流示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅 用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

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、组件和/或它们的组。

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，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含 义来解释。

本发明实施例提供一种超导带材电流传输能力测量探头，可无损 连续检测高温超导带材的临界电流。如图1所示，这种探头包含一个 磁路，所述磁路包括磁路铁芯1，本发明实施例中磁路铁芯呈C型结 构。磁路的磁路铁芯1由软磁材料制成，实施例中C型磁路由坡莫 合金以环形磁路形式成型，其中环形磁路内半径50mm，环形磁路外 半径60mm，环形磁路厚度10mm。磁路上的狭缝2的窗口宽度d大 于待测高温超导带材7的宽度，狭缝窗口高度a大于待测高温超导带 材7的厚度，实施例中a＝5mm，d＝10mm。本发明实施例中磁路还 包含励磁绕组3以及配合励磁绕组的可调励磁电源4，励磁绕组匝数 设置为240匝。C型磁路铁芯上还缠绕有探测绕组5以及配合探测绕 组的测量电路6，探测绕组设置为1000匝。

本发明的另一实施例还提供了一种超导带材电流传输能力测量 装置，如图2所示，所述的超导带材电流传输能力测量装置中该超导 带材电流传输能力测量探头配合如图2中的连续传动装置8和低温维 持装置9组成就可以实现对高温超导长带电流传输特性的连续测量， 得到其中，低温维持装置9可以采用液氮箱实现。

本发明实施例提供的超导带材电流传输能力测量装置，特别适合 扁平状高温超导带材电流传输能力的测量，该装置有3种测量方法， 可以反映出不同条件下带材的电流传输能力。

本发明的一个实施例中采用第一种方法目标测量高温超导带材 在不同宽度位置的电流传输能力。其使用方法如下：高温超导带材7 经过液氮制冷后，进入狭缝2，此时C型磁路励磁线圈通流，在狭缝 2处产生一直流磁场，该实施例中直流磁场幅值始终小于1倍穿透磁 场。高温超导带材经过这种直流磁场会产生如图3所示自外向内穿透 环流11，加载外磁场幅值越大，环流穿透深度越深，当直流磁场大 至1倍穿透场的时候，恰好实现完全穿透。

环流产生的磁场与施加的外磁场方向相反，这种对于施加外磁场 的抵抗导致磁路磁通变化，会被探测绕组5和测量电路6以感应电压 的形式探测到。由于带材各处的临界电流密度不一致，同时调整外磁 场的幅值，可以调控环流自外向内的位置，获得不同位置的电流传输 能力信息，这些信息均会被探测绕组探测到。通过系统标定之后，可 以到电流传输能力的绝对值。

本发明的另一个实施例中采用第二种使用方法目标测量高温超 导带材在不同磁场下整体电流传输能力。其使用方法如下：高温超导 带材7经过液氮制冷后，进入狭缝2，此时C型磁路励磁线圈通流， 在狭缝2处产生直流磁场，第二种使用方法中，磁场幅值至少达到1 倍穿透磁场以上。高温超导带材暴露在大于1倍穿透磁场条件下，会 产生全穿透形态环流，如图4所示，随着加载外磁场12幅值的增加， 全穿透形态环流形状不会改变，但受到高温超导带材本征的Jc(B)影 响，环流幅值会降低，加载不同外磁场，反映了超导带材在不同磁场 下的整体电流传输能力。会被探测绕组5和测量电路6以感应电压的 形式探测到，通过系统标定之后，可以到电流传输能力的绝对值。

进一步地，超导带材电流传输能力测量装置还包括设置在所述连 续传动装置上的外加磁场，所述第一导轮、外加磁场、狭缝和第二导 轮依次设置在同一条直线上，其中，外加磁场通过电磁铁或永磁体施 加。

本发明的又一个实施例中采用第三种测量方法目标测量高温超 导带材恰好在零外磁场下的整体电流传输能力。其使用方法如下：高 温超导带材7经过液氮冷却后，先经过一个足够大的外加磁场，外加 磁场可以通过电磁铁施加，也可以用永磁体施加，本实施例中采用如 图2所示的永磁体10施加外磁场，本发明实施例中，足够大的外加 磁场一般指至少大于2倍高温超导带材穿透磁场大小的磁场。超导带 材经过大于2倍大小外加磁场之后，再移出外加磁场，此时带材上会 剩余一个完全穿透状态的超导环流，如图5所示。携带完全穿透状态 环流的带材经过狭缝2，会磁化磁路，由于带材各处临界电流密度不 一样，导致环流大小不一样，同第一种方法，会被探测绕组5和测量 电路6以感应电压的形式探测到，通过系统标定之后，可以到电流传 输能力的绝对值。

以上实施例仅列举一种基于C型磁路结构探头的超导带材电流 传输能力测量装置，实际探头还可以多种多样，如开设有狭缝的O 型、矩形或闭合多边形等，只要是利用励磁绕组对狭缝中样品加载可 调磁场，同时利用探测绕组探测样品环流信号均是依据本发明精神所 作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

综上所述，本发明提供的一种超导带材电流传输能力测量探头、 测量装置及方法，仅需要单狭缝磁路就实现了对超导带材电流传输能 力的非接触无损测量，采用单狭缝使得励磁信号更强，同时通过外加 磁场的设置可以在对超导带材施加外磁场测量的同时，并在过滤外磁 场信号后，实现超导带材在外磁场下的整体电流传输特性的测量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有 关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况 下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于 本发明的保护范畴。