在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了屬于超導(dǎo)材料檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一種在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置和方法。測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置包括交流背場(chǎng)磁體、三相程控交流電源、降壓變壓器、霍爾電流傳感器、高溫超導(dǎo)帶材、補(bǔ)償線圈、拾波線圈、電勢(shì)引線、數(shù)字表、示波器、鎖相放大器及其保護(hù)裝置及計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)提供系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)；測(cè)試方法是利用傳統(tǒng)四引線法測(cè)量電流傳輸損耗，利用拾波線圈測(cè)量外場(chǎng)損耗，將兩者相加即得到交流背場(chǎng)下高溫超導(dǎo)帶材的總交流損耗。從而能準(zhǔn)確測(cè)量出超導(dǎo)帶材的交流傳輸損耗。本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)潔、測(cè)量速度快、靈敏度高，對(duì)于研究高溫超導(dǎo)帶材的交流損耗具有重要價(jià)值。
【專利說(shuō)明】
在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于超導(dǎo)材料檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶 材交流損耗的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 未來(lái)電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展是一個(gè)需要從多學(xué)科、多角度、多層次綜合交叉研究的問(wèn) 題，對(duì)于高新技術(shù)、設(shè)備的需求更加迫切。而超導(dǎo)電力技術(shù)正是能滿足運(yùn)些需求的高新技 術(shù)，運(yùn)使得它具備重要的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略地位。
[0003] 高溫超導(dǎo)材料是一種具有巨大潛在應(yīng)用和商業(yè)價(jià)值的新材料，目前已經(jīng)在很多應(yīng) 用領(lǐng)域有了突破性和實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，例如電網(wǎng)、航天、交通等等，運(yùn)標(biāo)志著超導(dǎo)材料的實(shí)用 化已經(jīng)成為高科技領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。
[0004] 目前，交流應(yīng)用是高溫超導(dǎo)材料實(shí)際應(yīng)用中最普遍、最廣泛的情況，也是超導(dǎo)應(yīng)用 中最重要的方向之一。由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工工藝的原因，實(shí)用高溫超導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)存在大量的 晶界、位錯(cuò)、空位等點(diǎn)陣缺陷和不均勻性。運(yùn)些缺陷對(duì)磁通線有吸引和排斥作用，從而導(dǎo)致 磁通線化學(xué)勢(shì)產(chǎn)生局部變化，通常稱運(yùn)種作用為磁通釘扎。而在傳輸交流電流或處于變化 磁場(chǎng)時(shí)，熱激活和電磁力的作用會(huì)使得高溫超導(dǎo)體內(nèi)部的磁通克服磁通釘扎不斷的進(jìn)出超 導(dǎo)體，從而導(dǎo)致了電磁能量的損耗，也就是交流損耗。
[0005] 交流損耗是設(shè)計(jì)超導(dǎo)裝置時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素，它的存在不僅會(huì)增加制冷系 統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，降低經(jīng)濟(jì)性，而且會(huì)降低高溫超導(dǎo)裝置的穩(wěn)定性、運(yùn)行效率，給電網(wǎng)造成不必要 的損失。故而只有當(dāng)交流損耗足夠低時(shí)，高溫超導(dǎo)電力技術(shù)才能很好的體現(xiàn)出其優(yōu)越性。
[0006] 研究高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體的交流損耗產(chǎn)生機(jī)制、各向異性W及頻率依賴性等問(wèn)題有 助于探索如何在工程技術(shù)上實(shí)現(xiàn)制備低損耗、高電流的超導(dǎo)材料，對(duì)于高溫超導(dǎo)電力技術(shù) 的發(fā)展具有重要意義。
[0007] 目前對(duì)于交流背景磁場(chǎng)下高溫超導(dǎo)體交流損耗的測(cè)量一般都采用熱測(cè)法來(lái)測(cè)量， 然而熱測(cè)法的缺點(diǎn)和局限性較為明顯：1)設(shè)備復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)格;2)測(cè)量耗時(shí)較長(zhǎng);3)受 到低溫溫度傳感器靈敏度的限制，測(cè)量精度較低;4)需要樣品產(chǎn)生的損耗足夠大W引起明 顯的溫升；5)帶材的長(zhǎng)度要適中，過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)影響測(cè)量精確性;6)存在漏熱問(wèn)題。而與 熱測(cè)法相比，電測(cè)法由于其操作簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而在實(shí)際工程中應(yīng)用廣 泛，成為目前測(cè)量高溫超導(dǎo)體交流特性的主流方法。然而電測(cè)法在測(cè)量交流背場(chǎng)下高溫超 導(dǎo)帶材的交流損耗時(shí)，必須保證交流外場(chǎng)與傳輸電流同頻、同相，并且容易受到外界電磁環(huán) 境的干擾，所W也有較大的局限性。
[000引所W，需要發(fā)明一種對(duì)交流背場(chǎng)下高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的測(cè)量方法和裝置，并 要求即易于搭建、操作簡(jiǎn)單，同時(shí)測(cè)量頻率范圍滿足交流損耗研究中的測(cè)量要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的目的是提供一種在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置和方 法，其特征在于，在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置包括交流背場(chǎng)磁體、=相 程控交流電源、降壓變壓器、霍爾電流傳感器、高溫超導(dǎo)帶材、補(bǔ)償線圈、拾波線圈、電勢(shì)引 線、數(shù)字表、示波器、鎖相放大器及其保護(hù)裝置及計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)提供系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集 及處理系統(tǒng)；其中計(jì)算機(jī)分別連接數(shù)字表、兩個(gè)鎖相放大器;數(shù)字表與A相電流傳感器I連 接，A相電流傳感器I再分別與=相程控交流電源的A相連接的單相降壓變壓器、高溫超導(dǎo)帶 材及示波器;=相程控交流電源的B相連接B相電流傳感器n，B相電流傳感器n分別連接第 一交流背場(chǎng)磁體1及示波器;=相程控交流電源的C相連接C相電流傳感器m，c相電流傳感 器m分別連接第=交流背場(chǎng)磁體2及示波器;第一交流背場(chǎng)磁體1與第二交流背場(chǎng)磁體1/連 接組成一對(duì);第=交流背場(chǎng)磁體2與第四交流背場(chǎng)磁體y連接連接組成另一對(duì)，第二交流背 場(chǎng)磁體1/與第四交流背場(chǎng)磁體y連接的共用電纜穿過(guò)補(bǔ)償線圈中屯、后與高溫超導(dǎo)帶材連 接;每個(gè)鎖相放大器分別連接左右兩個(gè)保護(hù)裝置，兩個(gè)左保護(hù)裝置并聯(lián)在數(shù)字表上;兩個(gè)右 保護(hù)裝置中一個(gè)與電勢(shì)引線連接;另一個(gè)與拾波線圈和補(bǔ)償線圈連接。
[0010] 所述交流背場(chǎng)磁體為亥姆霍茲線圈，兩對(duì)亥姆霍茲線圈相互垂直放置，提供交流 背場(chǎng)。
[0011] 所述亥姆霍茲線圈通過(guò)提供不同大小的電流，能實(shí)現(xiàn)交流背場(chǎng)的大小和角度都能 連續(xù)可調(diào)。
[0012] 所述交流背場(chǎng)磁體、高溫超導(dǎo)帶材、電勢(shì)引線、拾波線圈浸沒(méi)在液氮中。
[0013] 測(cè)量裝置采用單相降壓變壓器來(lái)降低主回路電壓、提高主回路電流，并且能起到 電磁隔離的作用，衰減源端的高次諧波，使測(cè)量裝置更加精確。
[0014] 所述電勢(shì)引線、拾波線圈和補(bǔ)償線圈引線均采用多根銅線繞絞而成的圓形截面導(dǎo) 線，該圓形截面導(dǎo)線作為電流傳輸母線，減小測(cè)量過(guò)程中對(duì)補(bǔ)償線圈的影響，提高系統(tǒng)的測(cè) 量精度。
[0015] 所述高溫超導(dǎo)帶材上的電壓降落都由鎖相放大器測(cè)量得到，并且W霍爾電流傳感 器的信號(hào)為參考信號(hào)，由于鎖相放大器為非常精密且容易損壞的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采用保護(hù)裝置 來(lái)限制其輸入信號(hào)的大小。
[0016] -種在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的方法，根據(jù)電磁場(chǎng)理論分析，在 傳輸交流電流或其處于交變磁場(chǎng)中的情況下，超導(dǎo)體的交流損耗包括變化的磁場(chǎng)引起的外 場(chǎng)損耗，和由傳輸電流造成的傳輸損耗;其特征在于，測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材的交流損耗包括采 用四引線法測(cè)量電流傳輸損耗、采用拾波線圈測(cè)量外場(chǎng)損耗，將兩者相加即得到交流背場(chǎng) 下高溫超導(dǎo)帶材的總交流損耗；
[0017] 交變磁場(chǎng)會(huì)引起超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線克服磁通釘扎勢(shì)和表面勢(shì)壘不斷運(yùn)動(dòng)，從而在 超導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，使得超導(dǎo)體呈阻性，而運(yùn)個(gè)阻性損耗就是要測(cè)量的交流損耗;利用 電勢(shì)引線配合鎖相放大器測(cè)得交流電流導(dǎo)致的阻性電壓降Vt,則單位長(zhǎng)度的高溫超導(dǎo)帶材 每周期的交流傳輸損耗化(J/m/cyc 1 e)通過(guò)下式計(jì)算出：
[001 引
（1)
[0019] 式(1)中，P--超導(dǎo)帶材單位長(zhǎng)度的交流損耗(W/m);
[0020] f一一傳輸交流電流的頻率化Z);
[0021 ] It一一超導(dǎo)帶材的傳輸電流有效值(A);
[0022] Vt一一交流電流引起的超導(dǎo)帶材的電壓降有效值(V);
[0023] 1一一超導(dǎo)帶材電壓引線焊點(diǎn)之間的距離(m);
[0024] 拾波線圈平行放置于高溫超導(dǎo)帶材上，則利用拾波線圈配合鎖相放大器測(cè)得交流 背場(chǎng)導(dǎo)致的阻性電壓降Vm,單位長(zhǎng)度的高溫超導(dǎo)帶材每周期的交流外場(chǎng)損耗Q(J/m/cycle) 通過(guò)下式計(jì)算出：
[0025]
(2)
[00%]式(2)中，Wp--拾波線圈的寬度(m);
[0027] Lp--拾波線圈的長(zhǎng)度(m);
[0028] Ba一一交流背場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有效值(T);
[0029] Vm一一交流背場(chǎng)引起的超導(dǎo)帶材的電壓降落有效值(V);
[0030] f一一傳輸交流電流的頻率化Z);
[0031 ]則交流背場(chǎng)下高溫超導(dǎo)帶材的總交流損耗為：
[0032] Qiotai = Qt+Qm (3)
[0033] 由于在傳輸交流電流時(shí)高溫超導(dǎo)帶材的感性電壓分量相對(duì)于阻性電壓分量很大， 所W電壓Vt與電流It之間的相位差巧接近90%此時(shí)即使是很小的角度誤差A(yù) 0也會(huì)引起較 大的測(cè)量誤差，運(yùn)將對(duì)交流損耗的測(cè)量造成很大的干擾；因此在測(cè)量裝置中采用多根銅線 繞絞而成的圓形截面引線和補(bǔ)償線圈來(lái)補(bǔ)償感性電壓分量使相位差C盡量減小，W此來(lái)提 高測(cè)量精度，從而能準(zhǔn)確測(cè)量出超導(dǎo)帶材的交流傳輸損耗。
[0034] 所述測(cè)量裝置中的電流傳感器不僅為鎖相放大器提供參考信號(hào)，配合數(shù)字表來(lái)測(cè) 量高溫超導(dǎo)帶材傳輸?shù)慕涣麟娏鞯拇笮?，還接入到示波器上觀察3條支路電流的相位，并配 合交流電源來(lái)調(diào)節(jié)=相輸出的相位使得交流背場(chǎng)與高溫超導(dǎo)帶材的傳輸交流電流同頻、同 相。
[0035] 本發(fā)明的有益效果是在測(cè)量裝置中采用多根銅線繞絞而成的圓形截面引線和補(bǔ) 償線圈來(lái)補(bǔ)償感性電壓分量使相位差巧盡量減小，W此來(lái)提高測(cè)量精度，從而能準(zhǔn)確測(cè)量 出超導(dǎo)帶材的交流傳輸損耗。適用于所有交流背場(chǎng)下高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的測(cè)量。本發(fā) 明的測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)潔、測(cè)量速度快、靈敏度高，對(duì)于研究高溫超導(dǎo)帶材的交流損耗 具有重要價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1為交流背場(chǎng)下高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的測(cè)量裝置示意圖。
[0037] 圖2為交流背場(chǎng)磁體示意圖。圖中1-1'和2-2'為兩對(duì)相互垂直放置的亥姆霍茲線 圈磁體，3為高溫超導(dǎo)帶材的截面。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 本發(fā)明提供一種在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置和方法，下面結(jié) 合圖1和圖2對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0039] 圖1所示為交流背場(chǎng)下高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的測(cè)量裝置示意圖。
[0040] 在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置包括交流背場(chǎng)磁體、=相程控交 流電源、降壓變壓器、霍爾電流傳感器、高溫超導(dǎo)帶材、補(bǔ)償線圈、拾波線圈、電勢(shì)引線、數(shù)字 表、示波器、鎖相放大器及其保護(hù)裝置及計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)提供系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理 系統(tǒng);其中計(jì)算機(jī)分別連接數(shù)字表、兩個(gè)鎖相放大器;數(shù)字表與A相電流傳感器I連接，A相電 流傳感器I再分別與=相程控交流電源的A相連接的單相降壓變壓器、高溫超導(dǎo)帶材及示波 器;=相程控交流電源的B相連接B相電流傳感器n，B相電流傳感器n分別連接第一交流背 場(chǎng)磁體1及示波器;=相程控交流電源的C相連接C相電流傳感器m，c相電流傳感器m分別 連接第=交流背場(chǎng)磁體2及示波器;第一交流背場(chǎng)磁體1與第二交流背場(chǎng)磁體1/連接組成一 對(duì);第=交流背場(chǎng)磁體2與第四交流背場(chǎng)磁體y連接連接組成另一對(duì)，第二交流背場(chǎng)磁體1/ 與第四交流背場(chǎng)磁體y連接的共用電纜穿過(guò)補(bǔ)償線圈中屯、后與高溫超導(dǎo)帶材連接;每個(gè)鎖 相放大器分別連接左右兩個(gè)保護(hù)裝置，兩個(gè)左保護(hù)裝置并聯(lián)在數(shù)字表上;兩個(gè)右保護(hù)裝置 中一個(gè)與電勢(shì)引線連接;另一個(gè)與拾波線圈和補(bǔ)償線圈連接。
[0041] 圖2所示為交流背場(chǎng)磁體示意圖。圖中1-1'和2-2'為兩對(duì)相互垂直放置的亥姆霍 茲線圈（交流背場(chǎng)磁體），S為高溫超導(dǎo)帶材的截面，即第一交流背場(chǎng)磁體1與第二交流背場(chǎng) 磁體1/連接組成一對(duì);第=交流背場(chǎng)磁體2與第四交流背場(chǎng)磁體y連接連接組成另一對(duì)，第 二交流背場(chǎng)磁體1/與第四交流背場(chǎng)磁體y連接的共用電纜穿過(guò)補(bǔ)償線圈中屯、后與高溫超 導(dǎo)帶材連接。
[0042] 本測(cè)量裝置的關(guān)鍵在于精確地把超導(dǎo)帶材電壓降落中的阻性分量運(yùn)一微弱的電 壓信號(hào)從復(fù)雜的電磁信號(hào)中提取出來(lái)。鎖相放大器可W在復(fù)雜的電磁環(huán)境中提取出與參考 信號(hào)同頻、同相位的電壓信號(hào)，所W采用鎖相放大器來(lái)測(cè)量該阻性分量。其工作原理是將被 測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行頻率和相位的比較后，只輸出與參考信號(hào)同頻(或者倍頻)且同相位 的信號(hào)分量。鎖相放大器的測(cè)量精度理論上可W達(dá)到納伏數(shù)量級(jí)，可W滿足交流損耗測(cè)量 的要求。
[0043] 因?yàn)殒i相放大器測(cè)量的都是小信號(hào)，所W其輸入電壓信號(hào)端口的額定電壓較低。 如果在使用過(guò)程中輸入的電壓信號(hào)超過(guò)額定值或者較強(qiáng)的靜電作用下都有可能損壞。鑒于 該設(shè)備是非常精密而且容易損壞的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)的核屯、設(shè)備，故采用 鎖相放大器保護(hù)裝置來(lái)限制其輸入信號(hào)的大小。
[0044] 由一個(gè)可變頻=相交流電源為測(cè)量裝置供電，該交流電源為可程控電源，能分別 調(diào)節(jié)=相輸出的相位。其中A相提供主電路電流，為了達(dá)到測(cè)量需要的電流值，本測(cè)量裝置 采用單相降壓變壓器來(lái)和交流電源配合W達(dá)到降低主回路電壓、提高主回路電流的目的。 除此之外，降壓變壓器還有著電磁隔離的作用，能衰減源端的高次諧波，使測(cè)量系統(tǒng)更加精 確。B相和C相為交流背場(chǎng)磁體供電。
[0045] 本測(cè)量裝置使用的電流傳輸母線采用多根銅線繞絞而成的圓形截面導(dǎo)線，能減小 傳輸電流在傳輸母線截面上的滿流損耗，運(yùn)將減小測(cè)量過(guò)程中對(duì)補(bǔ)償線圈的影響，提高系 統(tǒng)的測(cè)量精度。
[0046] -種在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的方法，根據(jù)電磁場(chǎng)理論分析，在 傳輸交流電流或其處于交變磁場(chǎng)中的情況下，超導(dǎo)體的交流損耗包括變化的磁場(chǎng)引起的外 場(chǎng)損耗，和由傳輸電流造成的傳輸損耗;其特征在于，測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材的交流損耗包括采 用四引線法測(cè)量電流傳輸損耗、采用拾波線圈測(cè)量外場(chǎng)損耗，將兩者相加即得到交流背場(chǎng) 下高溫超導(dǎo)帶材的總交流損耗；
[0047] 交變磁場(chǎng)會(huì)引起超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線克服磁通釘扎勢(shì)和表面勢(shì)壘不斷運(yùn)動(dòng)，從而在 超導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，使得超導(dǎo)體呈阻性，而運(yùn)個(gè)阻性損耗就是要測(cè)量的交流損耗;利用 電勢(shì)引線配合鎖相放大器測(cè)得交流電流導(dǎo)致的阻性電壓降Vt,則單位長(zhǎng)度的高溫超導(dǎo)帶材 每周期的交流傳輸損耗化(J/m/cyc 1 e)通過(guò)下式計(jì)算出：
[0048]
(1)
[0049] 式(1)中，P-一超導(dǎo)帶材單位長(zhǎng)度的交流損耗(W/m);
[0050] f一一傳輸交流電流的頻率化Z);
[0051] It一一超導(dǎo)帶材的傳輸電流有效值(A);
[0052] Vt一一交流電流引起的超導(dǎo)帶材的電壓降有效值(V);
[0053] 1一一超導(dǎo)帶材電壓引線焊點(diǎn)之間的距離(m);
[0054] 拾波線圈平行放置于高溫超導(dǎo)帶材上，則利用拾波線圈配合鎖相放大器測(cè)得交流 背場(chǎng)導(dǎo)致的阻性電壓降Vm,單位長(zhǎng)度的高溫超導(dǎo)帶材每周期的交流外場(chǎng)損耗Q(J/m/cycle) 通過(guò)下式計(jì)算出：
[00巧]
間
[0056] 式(2)中，Wp--拾波線圈的寬度(m);
[0057] Lp--拾波線圈的長(zhǎng)度(m);
[005引Ba--交流背場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有效值(T);
[0059] Vm一一交流背場(chǎng)引起的超導(dǎo)帶材的電壓降落有效值(V);
[0060] f--傳輸交流電流的頻率化Z);
[0061 ]則交流背場(chǎng)下高溫超導(dǎo)帶材的總交流損耗為：
[0062] Qiotai = Qt+Qm (3)
[0063] 由于在傳輸交流電流時(shí)高溫超導(dǎo)帶材的感性電壓分量相對(duì)于阻性電壓分量很大， 所W電壓Vt與電流It之間的相位差巧接近90%此時(shí)即使是很小的角度誤差A(yù) 0也會(huì)引起較 大的測(cè)量誤差，運(yùn)將對(duì)交流損耗的測(cè)量造成很大的干擾；因此在測(cè)量裝置中采用多根銅線 繞絞而成的圓形截面引線和補(bǔ)償線圈來(lái)補(bǔ)償感性電壓分量使相位差0盡量減小，W此來(lái)提 高測(cè)量精度，從而能準(zhǔn)確測(cè)量出超導(dǎo)帶材的交流傳輸損耗。
[0064] 所述測(cè)量裝置中的電流傳感器不僅為鎖相放大器提供參考信號(hào)，配合數(shù)字表來(lái)測(cè) 量高溫超導(dǎo)帶材傳輸?shù)慕涣麟娏鞯拇笮。€接入到示波器上觀察3條支路電流的相位，并配 合交流電源來(lái)調(diào)節(jié)=相輸出的相位使得交流背場(chǎng)與高溫超導(dǎo)帶材的傳輸交流電流同頻、同 相。
[0065] 補(bǔ)償線圈的工作原理是利用補(bǔ)償線圈和主回路傳輸母線禪合感應(yīng)出的感性電壓 分量對(duì)鎖相放大器的測(cè)量信號(hào)（即超導(dǎo)帶材的電壓降落)進(jìn)行補(bǔ)償，從而抵消部分高溫超導(dǎo) 帶材的感性電壓分量，減小電壓V與電流I之間的相位差0，從而達(dá)到減小實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差的目 的。理想情況是補(bǔ)償線圈只補(bǔ)償純感性電壓分量，如果補(bǔ)償信號(hào)中含有阻性電壓分量，將會(huì) 給測(cè)量帶來(lái)新的誤差。然而在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，補(bǔ)償線圈很容易受到外界電磁環(huán)境的干擾。 交流電源、變壓器、W及傳輸電流母線附近的金屬設(shè)備等，都會(huì)干擾補(bǔ)償線圈產(chǎn)生阻性電壓 分量，對(duì)測(cè)量造成較大困難。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中補(bǔ)償線圈需要進(jìn)行電磁屏蔽，或使其遠(yuǎn)離 干擾源。
[0066] 測(cè)量裝置的交流背場(chǎng)磁體為2對(duì)相互垂直放置的亥姆霍茲線圈，如圖2所示。其原 理為:將兩個(gè)相同尺寸的圓形線圈同軸放置，當(dāng)兩個(gè)線圈之間的距離為其半徑時(shí)，能在間隙 中產(chǎn)生較大范圍的均勻磁場(chǎng)。把兩對(duì)亥姆霍茲線圈中屯、重合并互相垂直放置，其中一對(duì)水 平放置，產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿垂直方向?yàn)锽i,另一對(duì)亥姆赫茲線圈垂直放置，產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿水平方 向記為馬7,那么在兩對(duì)磁體孔徑處的總磁場(chǎng)B為兩磁場(chǎng)的矢量疊加：
[0067] (4)
[006引
[0069] 間
[0070]
[0071] (6)
[0072] 其中巧為總磁場(chǎng)B相對(duì)于帶材表面的夾角。
[0073] 通過(guò)對(duì)兩對(duì)亥姆赫茲磁體提供不同大小的電流，改變水平方向磁場(chǎng)度和垂直方 向磁場(chǎng)的大小Bi，就能實(shí)現(xiàn)交流背場(chǎng)的大小和角度都連續(xù)可調(diào)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置，其特征在于，在交流背場(chǎng)下 測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置包括交流背場(chǎng)磁體、三相程控交流電源、降壓變壓器、霍 爾電流傳感器、高溫超導(dǎo)帶材、補(bǔ)償線圈、拾波線圈、電勢(shì)引線、數(shù)字表、示波器、鎖相放大器 及其保護(hù)裝置及計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)提供系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng);其中計(jì)算機(jī)分別連 接數(shù)字表、兩個(gè)鎖相放大器;數(shù)字表與A相電流傳感器(I)連接，A相電流傳感器(I)再分別與 三相程控交流電源的A相連接的單相降壓變壓器、高溫超導(dǎo)帶材及示波器;三相程控交流電 源的B相連接B相電流傳感器（Π )，B相電流傳感器（Π )分別連接第一交流背場(chǎng)磁體（1)及示 波器;三相程控交流電源的C相連接C相電流傳感器（ΙΠ )，C相電流傳感器（ΙΠ )分別連接第三 交流背場(chǎng)磁體(2)及示波器;第一交流背場(chǎng)磁體（1)與第二交流背場(chǎng)磁體（V)連接組成一 對(duì);第三交流背場(chǎng)磁體(2與第四交流背場(chǎng)磁體(2〇連接連接組成另一對(duì)，第二交流背場(chǎng)磁 體（V )與第四交流背場(chǎng)磁體(2')連接的共用電纜穿過(guò)補(bǔ)償線圈中心后與高溫超導(dǎo)帶材連 接;每個(gè)鎖相放大器分別連接左右兩個(gè)保護(hù)裝置，兩個(gè)左保護(hù)裝置并聯(lián)在數(shù)字表上;兩個(gè)右 保護(hù)裝置中一個(gè)與電勢(shì)引線連接;另一個(gè)與拾波線圈和補(bǔ)償線圈連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置，其特征在于， 所述交流背場(chǎng)磁體為亥姆霍茲線圈，兩對(duì)亥姆霍茲線圈相互垂直放置，提供交流背場(chǎng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置，其特征在于， 所述亥姆霍茲線圈通過(guò)提供不同大小的電流，能實(shí)現(xiàn)交流背場(chǎng)的大小和角度都能連續(xù)可 調(diào)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置，其特征在于， 所述交流背場(chǎng)磁體、高溫超導(dǎo)帶材、電勢(shì)引線、拾波線圈浸沒(méi)在液氮中。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置，其特征在于， 測(cè)量裝置采用單相降壓變壓器來(lái)降低主回路電壓、提高主回路電流，并且能起到電磁隔離 的作用，衰減源端的高次諧波，使測(cè)量裝置更加精確。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置，其特征在于， 所述電勢(shì)引線、拾波線圈和補(bǔ)償線圈引線均采用多根銅線繞絞而成的圓形截面導(dǎo)線，該圓 形截面導(dǎo)線作為電流傳輸母線，減小測(cè)量過(guò)程中對(duì)補(bǔ)償線圈的影響，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的裝置，其特征在于， 所述高溫超導(dǎo)帶材上的電壓降都由鎖相放大器測(cè)量得到，并且以霍爾電流傳感器的信號(hào)為 參考信號(hào)，由于鎖相放大器為非常精密且容易損壞的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采用保護(hù)裝置來(lái)限制其輸 入信號(hào)的大小。8. -種在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的方法，根據(jù)電磁場(chǎng)理論分析，在傳 輸交流電流或其處于交變磁場(chǎng)中的情況下，超導(dǎo)體的交流損耗包括變化的磁場(chǎng)引起的外場(chǎng) 損耗，和由傳輸電流造成的傳輸損耗;其特征在于，測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材的交流損耗包括采用 四引線法測(cè)量電流傳輸損耗、采用拾波線圈測(cè)量外場(chǎng)損耗，將兩者相加即得到交流背場(chǎng)下 高溫超導(dǎo)帶材的總交流損耗； 交變磁場(chǎng)會(huì)引起超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線克服磁通釘扎勢(shì)和表面勢(shì)皇不斷運(yùn)動(dòng)，從而在超導(dǎo) 體中產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，使得超導(dǎo)體呈阻性，而這個(gè)阻性損耗就是要測(cè)量的交流損耗;利用電勢(shì) 引線配合鎖相放大器測(cè)得交流電流導(dǎo)致的阻性電壓降VT，則單位長(zhǎng)度的高溫超導(dǎo)帶材每周 期的交流傳輸損耗QT (J/m/cy c I e)通過(guò)下式計(jì)算出： (I) 式(1)中，P--超導(dǎo)帶材單位長(zhǎng)度的交流損耗(W/m); f一一傳輸交流電流的頻率(Hz); It一一超導(dǎo)帶材的傳輸電流有效值(A); Vt--交流電流引起的超導(dǎo)帶材的電壓降有效值(V); 1一一超導(dǎo)帶材電壓引線焊點(diǎn)之間的距離(m); 拾波線圈平行放置于高溫超導(dǎo)帶材上，則利用拾波線圈配合鎖相放大器測(cè)得交流背場(chǎng) 導(dǎo)致的阻性電壓降VM，單位長(zhǎng)度的高溫超導(dǎo)帶材每周期的交流外場(chǎng)損耗Q(J/m/CyCle)通過(guò) 下式計(jì)算出：(2) 式(2)中，Wp-一拾波線圈的寬度(m); Lp一一拾波線圈的長(zhǎng)度(m); Ba一一交流背場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有效值(T); Vm一一交流背場(chǎng)引起的超導(dǎo)帶材的電壓降落有效值(V); f一一傳輸交流電流的頻率(Hz); 則交流背場(chǎng)下高溫超導(dǎo)帶材的總交流損耗為： Qiotai 一 Qt+Qm ( 3 ) 由于在傳輸交流電流時(shí)高溫超導(dǎo)帶材的感性電壓分量相對(duì)于阻性電壓分量很大，所以 電壓VT與電流IT之間的相位差Θ接近90° ;此時(shí)即使是很小的角度誤差△ Θ也會(huì)引起較大的 測(cè)量誤差，這將對(duì)交流損耗的測(cè)量造成很大的干擾；因此在測(cè)量裝置中采用多根銅線繞絞 而成的圓形截面引線和補(bǔ)償線圈來(lái)補(bǔ)償感性電壓分量使相位差Θ盡量減小，以此來(lái)提高測(cè) 量精度，從而能準(zhǔn)確測(cè)量出超導(dǎo)帶材的交流傳輸損耗。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種在交流背場(chǎng)下測(cè)試高溫超導(dǎo)帶材交流損耗的方法，其特征 在于，所述測(cè)量裝置中的電流傳感器不僅為鎖相放大器提供參考信號(hào)，配合數(shù)字表來(lái)測(cè)量 高溫超導(dǎo)帶材傳輸?shù)慕涣麟娏鞯拇笮?，還接入到示波器上觀察3條支路電流的相位，并配合 交流電源來(lái)調(diào)節(jié)三相輸出的相位使得交流背場(chǎng)與高溫超導(dǎo)帶材的傳輸交流電流同頻、同 相。
【文檔編號(hào)】G01R27/26GK106018972SQ201610319845
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】劉宏偉, 李光熹, 張慧媛
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)