專利名稱：高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置及方法，屬于超導(dǎo)陶瓷材料性能測試的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高溫超導(dǎo)(HTQ單疇塊材自發(fā)現(xiàn)以來，得到各國高度重視。在磁懸浮列車、飛輪儲能系統(tǒng)、發(fā)電機用馬達、故障限流器、污水處理等方面有著很好的應(yīng)用前景，已逐步從實驗室開始轉(zhuǎn)向工業(yè)化。對工業(yè)應(yīng)用來說，塊材超導(dǎo)體有兩個重要的材料特性。其中一個是磁懸浮力，它決定了超導(dǎo)塊材所能承受的懸浮重量；另一個是俘獲磁通密度，它決定了超導(dǎo)塊材能夠產(chǎn)生的最大磁場。比起常規(guī)磁體，目前得到的高溫超導(dǎo)俘獲場都遠遠超過常規(guī)永磁體的磁場極限，使高溫超導(dǎo)體成為非常有希望的新一代永磁材料。這些數(shù)值強烈地依賴于測試方法，因此，我國迫切需要建立與國際接軌的關(guān)于塊狀超導(dǎo)體性能測試的國家標(biāo)準(zhǔn)。2007年，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布了《塊狀氧化物超導(dǎo)體磁浮力的測量》的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21115-2007)。目前我國也打算將 IEC61788-9 國際標(biāo)準(zhǔn)《SUPERCONDUCTIVITY-Measurements for bulk high temperature superconductors-Trapped flux density of large grain bulk oxide superconductors)) (《超導(dǎo)電性塊狀高溫超導(dǎo)體的測量-大晶粒氧化物超導(dǎo)體的俘獲磁通密度》)轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)。制定高溫超導(dǎo)單疇塊材俘獲磁通密度測試的國家標(biāo)準(zhǔn)正是本發(fā)明任務(wù)來源。Virtual Instrument (VI)虛擬儀器，突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式， 用軟件算法代替電子線路，充分發(fā)揮了計算機的長項。把傳統(tǒng)儀器的后兩部分(信號處理、 結(jié)果表達與儀器控制)用計算機軟件來實現(xiàn)，而不再采用硬件(電子線路)來實現(xiàn)。美國國家儀器公司(Ni)推出的Labview正是基于這種思想開發(fā)出來的軟件，其依靠圖形化編程進行數(shù)據(jù)采集和儀器控制，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究生實驗室接受。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)的不足之處，提供一種高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置及方法，能高效且方便地測量出俘獲磁場超導(dǎo)特性，為進一步高溫超導(dǎo)體應(yīng)用特性的研究和機理理論分析提供了強大的實驗技術(shù)方案。為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置，包括一個呈密封桶體的強磁體裝置、置于該裝置中的低溫杜瓦瓶和圍繞該瓶的超導(dǎo)強磁體，其特征在于
(1)有一個三維支架的垂直桿下端伸入所述低溫杜瓦瓶內(nèi)，與放置在該瓶內(nèi)的高溫超導(dǎo)單疇塊材樣品相靠近并且與所述樣品上表面保持垂直，一個上位機聯(lián)接一個步進電動機驅(qū)動器，該步進電動機驅(qū)動器通過3個RS232輸出端口與所述三維支架的3個RS232端口相聯(lián)接，驅(qū)動所述三維支架中的三個步進馬達使垂直桿作x、y、z軸方向的三維移動；
(2)所述三維支架的垂直桿下端臨近樣品上表面裝有一個低溫霍爾探頭，用于采集顯示所述樣品表面垂直方向的磁通凍結(jié)場，該探頭通過15針D-sub接口的電纜線聯(lián)接至一個高斯測量儀，并且該高斯測量儀與所述上位機相連接；所述強磁體裝置內(nèi)部裝有溫度傳感器，用來實時監(jiān)測所述超導(dǎo)強磁體的溫度，該溫度傳感器由所述強磁體裝置桶體表面的16 針D-sub接口引出，通過電纜線聯(lián)接至一個數(shù)字多用表的20通道多路傳輸接口，并且該數(shù)字多用表與所述上位機相連接；
(3)有一個壓縮制冷機和一個分子真空泵連接所述強磁體裝置，對其制冷和抽真空；有一個磁體電源接通所述超導(dǎo)強磁體的線圈，用于產(chǎn)生充磁場。所述上位機采用裝有美國國家儀器公司開發(fā)的軟件LabvieW2009的PC機，所述步進電動機驅(qū)動器采用美國國家儀器公司的MID-7604/7602型步進電動機驅(qū)動器，所述高斯測量儀采用Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的Model455DSP型高斯測量儀，所述低溫霍爾探頭采用Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的HMCA-2560-WN型低溫霍爾探頭，所述數(shù)字多用表采用Keithley Instrument, Inc.公司的Model 2700型數(shù)字多用表，所述超導(dǎo)強磁體采用Cryogenic Limited.公司的5T NbTi超導(dǎo)線圈強磁體，所述壓縮制冷機采用 Sumitomo Heavy Industries, Ltd.公司F_50型壓縮制冷機，所述分子真空泵采用Edwards 公司的EXPT型分子真空泵。所述三維支架主要構(gòu)件為χ軸滑動槽、y軸滑動槽、ζ軸滑動槽和一個支撐桿，所述 χ軸滑動槽驅(qū)動所述y軸滑動槽運動，所述y軸滑動槽驅(qū)動所述ζ軸滑動槽運動，所述ζ軸滑動槽驅(qū)動所述支撐桿運動。其中每個滑動槽內(nèi)部含有一個步進馬達、一個RS232接口和一個驅(qū)動桿，所述RS232接口通過串口線連接至所述步進電動機驅(qū)動器，所述步進馬達的運動狀態(tài)由所述RS232接口接收到的信號控制，該步進馬達一端連接有所述驅(qū)動桿，該驅(qū)動桿與上層滑動槽固定連接成一體的螺母旋配而驅(qū)動上層構(gòu)件在滑動槽上進行移動，所述支撐桿垂直連接垂直桿和水平桿。一種高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量方法，采用上述裝置進行測量，其特征在于測量步驟如下
(1)用分子真空泵對強磁體裝置抽真空，當(dāng)內(nèi)部大氣壓小于0.IPa之后壓縮制冷機進行制冷，直至強磁體裝置內(nèi)部溫度保持在4K，其中強磁體裝置內(nèi)部超導(dǎo)強磁體溫度可由數(shù)字多用表獲??；
(2)低溫杜瓦瓶中放入待測高溫超導(dǎo)單疇塊材樣品，低溫霍爾探頭固定在三維支架的垂直桿上并且定位在距離樣品上表面1.5mm處，打開充磁磁體電源，使超導(dǎo)強磁體產(chǎn)生5T 充磁場；
(3)低溫杜瓦瓶中倒入液氮，液氮穩(wěn)定后樣品進入超導(dǎo)態(tài)；
(4)撤去外加磁場調(diào)節(jié)磁體電源，將外磁場降到零，由于樣品磁通凍結(jié)場的初始峰值不能用于實際裝置的設(shè)計，外磁場降到零后需要等待15分鐘再開始采集數(shù)據(jù)；
(5)使用上位機控制步進電動機驅(qū)動器，通過三維支架的垂直桿的移動定位低溫霍爾探頭掃描起始位置，然后上位機決定χ軸、y軸掃描步長和范圍，步長應(yīng)小于被掃描χ-y平面最大尺寸的10%，參數(shù)設(shè)定完后步進電動機驅(qū)動器驅(qū)動三維支架進行x-y平面運動，測量開始；
(6)高斯測量儀將測得樣品的磁通凍結(jié)場數(shù)值傳輸至上位機，上位機保存數(shù)據(jù)，將χ 軸、y軸坐標(biāo)和接收到的特斯拉值一一對應(yīng)，繪制出樣品ζ軸方向磁通凍結(jié)場的分布圖。
本發(fā)明的高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置及方法，其硬件平臺搭建、軟件編程設(shè)計和測試流程步驟進一步詳盡說明如下
A.硬件平臺搭建
高溫超導(dǎo)塊材俘獲磁通測量系統(tǒng)硬件組成如下裝有美國國家儀器公司(Ni)開發(fā)的軟件Labview2009的PC機一臺，美國國家儀器公司MID-7604/7602步進電動機驅(qū)動器一臺，Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的 Model455DSP 高斯測量儀一臺，Keithley Instrument, Inc.公司的 Model 2700 數(shù)字多用表一臺，內(nèi)含 Cryogenic Limited.公司的5T NbTi超導(dǎo)線圈強磁體裝置一臺，三維鋁合金可控支架一座，低溫杜瓦瓶一個，Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的 HMCA-2560-WN 低溫霍爾探頭一個，Sumitomo Heavy Industries, Ltd.公司F_50壓縮制冷機一臺，Edwards公司的EXPT分子真空泵一臺。測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見附

圖1。上述提到的超導(dǎo)強磁體裝置高度為760mm，直徑為750mm，外部是鋁合金組成的低溫恒溫器，產(chǎn)生充磁場的中心孔徑直徑為80. 3mm。內(nèi)部強磁體由NbTi線圈構(gòu)成，當(dāng)電源提供83. 74A電流強度，磁體可產(chǎn)生高達5T充磁場，最短達到5T的時間為62s。工作前需對強磁體裝置抽真空，內(nèi)部氣壓<0. 1 之后進行壓縮制冷，將強磁體周圍溫度降至4K。上述提到的步進電機驅(qū)動器通過4個RS232串口輸出連接至三維支架，對支架χ 軸、y軸、ζ軸進行運動控制，低溫霍爾探頭(直徑5mm)固定于三維支架上，三維支架結(jié)構(gòu)框圖見附圖2。驅(qū)動器可提供有效值為0. 1ΠΑ的交流電用以驅(qū)動步進電機，并且設(shè)置10倍微步進速率(對于1.8°每步進的標(biāo)準(zhǔn)電機，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)一周需2000步)。步進電機驅(qū)動器由PC機實時控制。上述提到的數(shù)字多用表和高斯測量儀用于采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過GPIB-USB連線傳輸至PC機得到處理和表達。數(shù)字多用表實時監(jiān)控強磁體裝置內(nèi)部溫度，高斯測量儀接收低溫霍爾探頭傳遞來的數(shù)據(jù)，從而實時顯示高溫超導(dǎo)單疇塊材樣品表面的磁通凍結(jié)場。B.軟件編程設(shè)計
磁體溫度的監(jiān)控、三維支架運動控制、空間坐標(biāo)與俘獲磁通密度數(shù)據(jù)的處理及圖形展示將由Labview軟件模塊予以實現(xiàn)。(1)充磁磁體監(jiān)測模塊對充磁強磁體裝置內(nèi)部區(qū)域的溫度進行監(jiān)測，同時通過軟件換算得到當(dāng)前強磁體所產(chǎn)生的充磁場強度的值，充磁磁體的值要保證HTS單疇塊材的俘獲磁通密度達到飽和。當(dāng)外加磁場撤去，并且下降到零后方可開始測量。充磁磁體監(jiān)測模塊程序顯示界面見附圖3。(2)初始化位置調(diào)零模塊主要用來設(shè)置低溫霍爾探頭的初始位置，χ軸、y軸、ζ 軸三個方向均可調(diào)節(jié)。移動約束子程序，直線移動子程序包含在模塊中，它們由Labview的 Motion Assistance軟件包生成，用來控制各軸運動的加速、速度和距離，ζ軸控制的霍爾探頭要盡量靠近被測樣品表面。由于步進電機驅(qū)動器步進頻率設(shè)為2000，相當(dāng)于2000步電機轉(zhuǎn)一圈，對應(yīng)支架各軸移動距離1mm。(3)運動控制與數(shù)值采集模塊決定俘獲磁場測量掃描方式，分為矩形掃描和圓形掃描。矩形掃描優(yōu)點在于數(shù)據(jù)采樣步進均勻、處理簡便，此時霍爾探頭初始位置定在樣品邊緣；而圓形掃描可充分利用杜瓦瓶橫面積，掃描大樣品，與之相對應(yīng)的霍爾探頭初始位置定在樣品中心。矩形掃描的輸入由X軸移動距離，y軸移動距離及各自對應(yīng)的采樣點數(shù)4個參數(shù)決定；圓形掃描的輸入由半徑大小和半徑采樣點2個參數(shù)決定。利用Labview數(shù)組插入函數(shù)和移位寄存器將χ軸、y軸坐標(biāo)值、樣品磁通凍結(jié)場數(shù)值進行保存。(4)結(jié)果保存與展示模塊將獲取的3個一維數(shù)組數(shù)據(jù)χ軸坐標(biāo)、y軸坐標(biāo)和特斯拉值進行整合，一一對應(yīng)，繪制出被測高溫超導(dǎo)單疇塊材整體磁場分布圖，并可導(dǎo)出至表格文件。初始化位置調(diào)零模塊、運動控制與數(shù)值采集模塊、結(jié)果保存與展示模塊程序顯示界面見附圖4，即為主程序顯示界面。C.測試流程步驟
本發(fā)明采用磁化強度的帶場冷卻法(簡稱場冷法)進行俘獲磁通密度的測量，所述高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量方法的流程圖見附圖5
(1)對充磁磁體裝置抽真空，內(nèi)部大氣壓小于0. 1 之后(12小時)壓縮機進行制冷， 直至內(nèi)部恒溫器溫度保持在4K (10小時)。(2)低溫杜瓦瓶中放入待測超導(dǎo)樣品，考慮到樣品表面粗糙程度，低溫霍爾探頭固定在三維可控支架上并且定位在距離樣品表面1. 5mm處，打開充磁磁體電源，外加5T充磁場。其中由磁體產(chǎn)生的磁場應(yīng)足夠高，以使HTS單疇塊材的俘獲磁場能力達到飽和， 最大磁場的確定應(yīng)考慮到飽和場和與樣品尺寸相關(guān)的退磁效應(yīng)。例如，要完全磁化一個寬高比為2. 5的超導(dǎo)樣品，需要施加的外磁場應(yīng)大于其最大俘獲磁場的1. 75倍。在厚度不變的情況下，所需要的磁化場強度隨樣品寬高比的增大而增大。零間隙下的值可由下列公式推算
權(quán)利要求
1.一種高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置，包括一個呈密封桶體的強磁體裝置 (1)、置于該裝置中的低溫杜瓦瓶(2)和圍繞該瓶的超導(dǎo)強磁體(3)，其特征在于(1)有一個三維支架(6)的垂直桿(22 )下端伸入所述低溫杜瓦瓶(2 )內(nèi)，與放置在該瓶內(nèi)的高溫超導(dǎo)單疇塊材樣品(13)相靠近并且與所述樣品(13)上表面保持垂直，一個上位機(8)聯(lián)接一個步進電動機驅(qū)動器(7)，該步進電動機驅(qū)動器(7)通過3個RS232輸出端口與所述三維支架(6 )的3個RS232端口( 20 )相聯(lián)接，驅(qū)動所述三維支架(6 )中的三個步進馬達(19)使垂直桿(22)作χ、y、ζ軸方向的三維移動；(2)所述三維支架(6)的垂直桿(22)下端臨近樣品(13)上表面裝有一個低溫霍爾探頭 (4 )，用于采集顯示所述樣品(13 )表面垂直方向的磁通凍結(jié)場，該探頭(4 )通過15針D-sub 接口的電纜線聯(lián)接至一個高斯測量儀(9)，并且該高斯測量儀(9)與所述上位機(8)相連接；所述強磁體裝置(1)內(nèi)部裝有溫度傳感器(14)，用來實時監(jiān)測所述超導(dǎo)強磁體(3)的溫度，該溫度傳感器(14)由所述強磁體裝置(1)桶體表面的16針D-sub接口引出，通過電纜線聯(lián)接至一個數(shù)字多用表(10)的20通道多路傳輸接口，并且該數(shù)字多用表(10)與所述上位機(8)相連接；(3)有一個壓縮制冷機(11)和一個分子真空泵(12)連接所述強磁體裝置(1)，對其制冷和抽真空；有一個磁體電源(5)接通所述超導(dǎo)強磁體(3)的線圈，用于產(chǎn)生充磁場。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置，其特征在于所述上位機(8)采用裝有美國國家儀器公司開發(fā)的軟件Labview2009的PC機，所述步進電動機驅(qū)動器(7)采用美國國家儀器公司的MID-7604/7602型步進電動機驅(qū)動器，所述高斯測量儀(9)采用Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的Model45OTSP型高斯測量儀， 所述低溫霍爾探頭(4)采用Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的HMCA-2560-WN型低溫霍爾探頭，所述數(shù)字多用表(10)采用Keithley Instrument, Inc.公司的Model 2700型數(shù)字多用表，所述超導(dǎo)強磁體(3)采用Cryogenic Limited.公司的5T NbTi超導(dǎo)線圈強磁體，所述壓縮制冷機(11)采用Sumitomo Heavy Industries, Ltd.公司F-50型壓縮制冷機，所述分子真空泵(12)采用Edwards公司的EXPT型分子真空泵。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述的高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置，其特征在于所述三維支架(6)主要構(gòu)件為χ軸滑動槽(15)、y軸滑動槽(16)、z軸滑動槽(17)和一個支撐桿(18)，所述χ軸滑動槽(15)驅(qū)動所述y軸滑動槽(16)運動，所述y軸滑動槽(16) 驅(qū)動所述ζ軸滑動槽(17)運動，所述ζ軸滑動槽(17)驅(qū)動所述支撐桿(18)運動；其中每個滑動槽(15，16，17)內(nèi)部含有一個步進馬達(19 )、一個RS232接口( 20)和一個驅(qū)動桿(21)， 所述RS232接口( 20 )通過串口線連接至所述步進電動機驅(qū)動器(7 )，所述步進馬達(19 )的運動狀態(tài)由所述RS232接口( 20 )接收到的信號控制，該步進馬達(19 )一端連接有所述驅(qū)動桿(21)，該驅(qū)動桿(21)與上層滑動槽固定連接成一體的螺母旋配而驅(qū)動上層構(gòu)件在滑動槽(15，16，17 )上進行移動，所述支撐桿(18 )垂直連接垂直桿(22 )和水平桿(23 )。
4.一種高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置進行測量，其特征在于測量步驟如下1)用分子真空泵(12)對強磁體裝置(1)抽真空，當(dāng)內(nèi)部大氣壓小于0. IPa之后壓縮制冷機(11)進行制冷，直至強磁體裝置(1)內(nèi)部溫度保持在4K，其中強磁體裝置(1)內(nèi)部超導(dǎo)強磁體(3)溫度可由數(shù)字多用表(10)獲??；2)低溫杜瓦瓶(2)中放入待測高溫超導(dǎo)單疇塊材樣品(13)，低溫霍爾探頭(4)固定在三維支架(6)的垂直桿(22)上并且定位在距離樣品(13)上表面1.5mm處，打開充磁磁體電源(5 )，使超導(dǎo)強磁體(3 )產(chǎn)生5T充磁場；3)低溫杜瓦瓶(2)中倒入液氮，液氮穩(wěn)定后樣品(13)進入超導(dǎo)態(tài)；4)撤去外加磁場調(diào)節(jié)磁體電源(5)，將外磁場降到零，由于樣品(13)磁通凍結(jié)場的初始峰值不能用于實際裝置的設(shè)計，外磁場降到零后需要等待15分鐘再開始采集數(shù)據(jù)；5)使用上位機(8)控制步進電動機驅(qū)動器(7)，通過三維支架(6)的垂直桿(22)的移動定位低溫霍爾探頭(4)掃描起始位置，然后上位機(8)決定χ軸、y軸掃描步長和范圍，步長應(yīng)小于被掃描x_y平面最大尺寸的10%，參數(shù)設(shè)定完后步進電動機驅(qū)動器(7)驅(qū)動三維支架(6)進行x-y平面運動，測量開始；6)高斯測量儀(9)將測得樣品(13)的磁通凍結(jié)場數(shù)值傳輸至上位機(8)，上位機(8) 保存數(shù)據(jù)，將χ軸、y軸坐標(biāo)和接收到的特斯拉值一一對應(yīng)，繪制出樣品(13) ζ軸方向磁通凍結(jié)場的分布圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫超導(dǎo)單疇塊材磁通凍結(jié)場測量裝置及方法。本裝置包括一個強磁體裝置，置于該裝置中的低溫杜瓦瓶和超導(dǎo)強磁體，一個三維支架的垂直桿下端固定低溫霍爾探頭靠近置于低溫杜瓦瓶內(nèi)的樣品，有制冷機和真空泵對強磁體制冷和抽真空，低溫杜瓦瓶外圍有超導(dǎo)強磁體產(chǎn)生強磁場，有一臺上位機通過一個步進電機驅(qū)動器驅(qū)動三維支架作三維移動，低溫霍爾探頭通過高斯測量儀連接上位機，一個溫度傳感器安裝在強磁體裝置內(nèi)，通過數(shù)字多用表連接上位機，實現(xiàn)了計算機與測量設(shè)備的精確通信與控制，并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和表達。本發(fā)明測量準(zhǔn)確、高效、便捷、自動化成度高。
文檔編號G01R33/12GK102520378SQ20111041050
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者左鵬翔, 徐克西, 曹越, 胡順波, 連博文 申請人:上海大學(xué)