专利名称：高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置及方法，属于超导陶瓷材料性能测试的技术领域。
背景技术：
高温超导(HTQ单畴块材自发现以来，得到各国高度重视。在磁悬浮列车、飞轮储能系统、发电机用马达、故障限流器、污水处理等方面有着很好的应用前景，已逐步从实验室开始转向工业化。对工业应用来说，块材超导体有两个重要的材料特性。其中一个是磁悬浮力，它决定了超导块材所能承受的悬浮重量；另一个是俘获磁通密度，它决定了超导块材能够产生的最大磁场。比起常规磁体，目前得到的高温超导俘获场都远远超过常规永磁体的磁场极限，使高温超导体成为非常有希望的新一代永磁材料。这些数值强烈地依赖于测试方法，因此，我国迫切需要建立与国际接轨的关于块状超导体性能测试的国家标准。2007年，中国国家标准化管理委员会批准发布了《块状氧化物超导体磁浮力的测量》的国家标准(GB/T21115-2007)。目前我国也打算将 IEC61788-9 国际标准《SUPERCONDUCTIVITY-Measurements for bulk high temperature superconductors-Trapped flux density of large grain bulk oxide superconductors)) (《超导电性块状高温超导体的测量-大晶粒氧化物超导体的俘获磁通密度》)转化为国家标准。制定高温超导单畴块材俘获磁通密度测试的国家标准正是本发明任务来源。Virtual Instrument (VI)虚拟仪器，突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式， 用软件算法代替电子线路，充分发挥了计算机的长项。把传统仪器的后两部分(信号处理、 结果表达与仪器控制)用计算机软件来实现，而不再采用硬件(电子线路)来实现。美国国家仪器公司(Ni)推出的Labview正是基于这种思想开发出来的软件，其依靠图形化编程进行数据采集和仪器控制，广泛地被工业界、学术界和研究生实验室接受。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足之处，提供一种高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置及方法，能高效且方便地测量出俘获磁场超导特性，为进一步高温超导体应用特性的研究和机理理论分析提供了强大的实验技术方案。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案
一种高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置，包括一个呈密封桶体的强磁体装置、置于该装置中的低温杜瓦瓶和围绕该瓶的超导强磁体，其特征在于
(1)有一个三维支架的垂直杆下端伸入所述低温杜瓦瓶内，与放置在该瓶内的高温超导单畴块材样品相靠近并且与所述样品上表面保持垂直，一个上位机联接一个步进电动机驱动器，该步进电动机驱动器通过3个RS232输出端口与所述三维支架的3个RS232端口相联接，驱动所述三维支架中的三个步进马达使垂直杆作x、y、z轴方向的三维移动；
(2)所述三维支架的垂直杆下端临近样品上表面装有一个低温霍尔探头，用于采集显示所述样品表面垂直方向的磁通冻结场，该探头通过15针D-sub接口的电缆线联接至一个高斯测量仪，并且该高斯测量仪与所述上位机相连接；所述强磁体装置内部装有温度传感器，用来实时监测所述超导强磁体的温度，该温度传感器由所述强磁体装置桶体表面的16 针D-sub接口引出，通过电缆线联接至一个数字多用表的20通道多路传输接口，并且该数字多用表与所述上位机相连接；
(3)有一个压缩制冷机和一个分子真空泵连接所述强磁体装置，对其制冷和抽真空；有一个磁体电源接通所述超导强磁体的线圈，用于产生充磁场。所述上位机采用装有美国国家仪器公司开发的软件LabvieW2009的PC机，所述步进电动机驱动器采用美国国家仪器公司的MID-7604/7602型步进电动机驱动器，所述高斯测量仪采用Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的Model455DSP型高斯测量仪，所述低温霍尔探头采用Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的HMCA-2560-WN型低温霍尔探头，所述数字多用表采用Keithley Instrument, Inc.公司的Model 2700型数字多用表，所述超导强磁体采用Cryogenic Limited.公司的5T NbTi超导线圈强磁体，所述压缩制冷机采用 Sumitomo Heavy Industries, Ltd.公司F_50型压缩制冷机，所述分子真空泵采用Edwards 公司的EXPT型分子真空泵。所述三维支架主要构件为χ轴滑动槽、y轴滑动槽、ζ轴滑动槽和一个支撑杆，所述 χ轴滑动槽驱动所述y轴滑动槽运动，所述y轴滑动槽驱动所述ζ轴滑动槽运动，所述ζ轴滑动槽驱动所述支撑杆运动。其中每个滑动槽内部含有一个步进马达、一个RS232接口和一个驱动杆，所述RS232接口通过串口线连接至所述步进电动机驱动器，所述步进马达的运动状态由所述RS232接口接收到的信号控制，该步进马达一端连接有所述驱动杆，该驱动杆与上层滑动槽固定连接成一体的螺母旋配而驱动上层构件在滑动槽上进行移动，所述支撑杆垂直连接垂直杆和水平杆。一种高温超导单畴块材磁通冻结场测量方法，采用上述装置进行测量，其特征在于测量步骤如下
(1)用分子真空泵对强磁体装置抽真空，当内部大气压小于0.IPa之后压缩制冷机进行制冷，直至强磁体装置内部温度保持在4K，其中强磁体装置内部超导强磁体温度可由数字多用表获取；
(2)低温杜瓦瓶中放入待测高温超导单畴块材样品，低温霍尔探头固定在三维支架的垂直杆上并且定位在距离样品上表面1.5mm处，打开充磁磁体电源，使超导强磁体产生5T 充磁场；
(3)低温杜瓦瓶中倒入液氮，液氮稳定后样品进入超导态；
(4)撤去外加磁场调节磁体电源，将外磁场降到零，由于样品磁通冻结场的初始峰值不能用于实际装置的设计，外磁场降到零后需要等待15分钟再开始采集数据；
(5)使用上位机控制步进电动机驱动器，通过三维支架的垂直杆的移动定位低温霍尔探头扫描起始位置，然后上位机决定χ轴、y轴扫描步长和范围，步长应小于被扫描χ-y平面最大尺寸的10%，参数设定完后步进电动机驱动器驱动三维支架进行x-y平面运动，测量开始；
(6)高斯测量仪将测得样品的磁通冻结场数值传输至上位机，上位机保存数据，将χ 轴、y轴坐标和接收到的特斯拉值一一对应，绘制出样品ζ轴方向磁通冻结场的分布图。
本发明的高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置及方法，其硬件平台搭建、软件编程设计和测试流程步骤进一步详尽说明如下
A.硬件平台搭建
高温超导块材俘获磁通测量系统硬件组成如下装有美国国家仪器公司(Ni)开发的软件Labview2009的PC机一台，美国国家仪器公司MID-7604/7602步进电动机驱动器一台，Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的 Model455DSP 高斯测量仪一台，Keithley Instrument, Inc.公司的 Model 2700 数字多用表一台，内含 Cryogenic Limited.公司的5T NbTi超导线圈强磁体装置一台，三维铝合金可控支架一座，低温杜瓦瓶一个，Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的 HMCA-2560-WN 低温霍尔探头一个，Sumitomo Heavy Industries, Ltd.公司F_50压缩制冷机一台，Edwards公司的EXPT分子真空泵一台。测控系统硬件结构框图见附
图1。上述提到的超导强磁体装置高度为760mm，直径为750mm，外部是铝合金组成的低温恒温器，产生充磁场的中心孔径直径为80. 3mm。内部强磁体由NbTi线圈构成，当电源提供83. 74A电流强度，磁体可产生高达5T充磁场，最短达到5T的时间为62s。工作前需对强磁体装置抽真空，内部气压<0. 1 之后进行压缩制冷，将强磁体周围温度降至4K。上述提到的步进电机驱动器通过4个RS232串口输出连接至三维支架，对支架χ 轴、y轴、ζ轴进行运动控制，低温霍尔探头(直径5mm)固定于三维支架上，三维支架结构框图见附图2。驱动器可提供有效值为0. 1ΠΑ的交流电用以驱动步进电机，并且设置10倍微步进速率(对于1.8°每步进的标准电机，相当于旋转一周需2000步)。步进电机驱动器由PC机实时控制。上述提到的数字多用表和高斯测量仪用于采集数据，数据通过GPIB-USB连线传输至PC机得到处理和表达。数字多用表实时监控强磁体装置内部温度，高斯测量仪接收低温霍尔探头传递来的数据，从而实时显示高温超导单畴块材样品表面的磁通冻结场。B.软件编程设计
磁体温度的监控、三维支架运动控制、空间坐标与俘获磁通密度数据的处理及图形展示将由Labview软件模块予以实现。(1)充磁磁体监测模块对充磁强磁体装置内部区域的温度进行监测，同时通过软件换算得到当前强磁体所产生的充磁场强度的值，充磁磁体的值要保证HTS单畴块材的俘获磁通密度达到饱和。当外加磁场撤去，并且下降到零后方可开始测量。充磁磁体监测模块程序显示界面见附图3。(2)初始化位置调零模块主要用来设置低温霍尔探头的初始位置，χ轴、y轴、ζ 轴三个方向均可调节。移动约束子程序，直线移动子程序包含在模块中，它们由Labview的 Motion Assistance软件包生成，用来控制各轴运动的加速、速度和距离，ζ轴控制的霍尔探头要尽量靠近被测样品表面。由于步进电机驱动器步进频率设为2000，相当于2000步电机转一圈，对应支架各轴移动距离1mm。(3)运动控制与数值采集模块决定俘获磁场测量扫描方式，分为矩形扫描和圆形扫描。矩形扫描优点在于数据采样步进均勻、处理简便，此时霍尔探头初始位置定在样品边缘；而圆形扫描可充分利用杜瓦瓶横面积，扫描大样品，与之相对应的霍尔探头初始位置定在样品中心。矩形扫描的输入由X轴移动距离，y轴移动距离及各自对应的采样点数4个参数决定；圆形扫描的输入由半径大小和半径采样点2个参数决定。利用Labview数组插入函数和移位寄存器将χ轴、y轴坐标值、样品磁通冻结场数值进行保存。(4)结果保存与展示模块将获取的3个一维数组数据χ轴坐标、y轴坐标和特斯拉值进行整合，一一对应，绘制出被测高温超导单畴块材整体磁场分布图，并可导出至表格文件。初始化位置调零模块、运动控制与数值采集模块、结果保存与展示模块程序显示界面见附图4，即为主程序显示界面。C.测试流程步骤
本发明采用磁化强度的带场冷却法(简称场冷法)进行俘获磁通密度的测量，所述高温超导单畴块材磁通冻结场测量方法的流程图见附图5
(1)对充磁磁体装置抽真空，内部大气压小于0. 1 之后(12小时)压缩机进行制冷， 直至内部恒温器温度保持在4K (10小时)。(2)低温杜瓦瓶中放入待测超导样品，考虑到样品表面粗糙程度，低温霍尔探头固定在三维可控支架上并且定位在距离样品表面1. 5mm处，打开充磁磁体电源，外加5T充磁场。其中由磁体产生的磁场应足够高，以使HTS单畴块材的俘获磁场能力达到饱和， 最大磁场的确定应考虑到饱和场和与样品尺寸相关的退磁效应。例如，要完全磁化一个宽高比为2. 5的超导样品，需要施加的外磁场应大于其最大俘获磁场的1. 75倍。在厚度不变的情况下，所需要的磁化场强度随样品宽高比的增大而增大。零间隙下的值可由下列公式推算
权利要求
1.一种高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置，包括一个呈密封桶体的强磁体装置 (1)、置于该装置中的低温杜瓦瓶(2)和围绕该瓶的超导强磁体(3)，其特征在于(1)有一个三维支架(6)的垂直杆(22 )下端伸入所述低温杜瓦瓶(2 )内，与放置在该瓶内的高温超导单畴块材样品(13)相靠近并且与所述样品(13)上表面保持垂直，一个上位机(8)联接一个步进电动机驱动器(7)，该步进电动机驱动器(7)通过3个RS232输出端口与所述三维支架(6 )的3个RS232端口( 20 )相联接，驱动所述三维支架(6 )中的三个步进马达(19)使垂直杆(22)作χ、y、ζ轴方向的三维移动；(2)所述三维支架(6)的垂直杆(22)下端临近样品(13)上表面装有一个低温霍尔探头 (4 )，用于采集显示所述样品(13 )表面垂直方向的磁通冻结场，该探头(4 )通过15针D-sub 接口的电缆线联接至一个高斯测量仪(9)，并且该高斯测量仪(9)与所述上位机(8)相连接；所述强磁体装置(1)内部装有温度传感器(14)，用来实时监测所述超导强磁体(3)的温度，该温度传感器(14)由所述强磁体装置(1)桶体表面的16针D-sub接口引出，通过电缆线联接至一个数字多用表(10)的20通道多路传输接口，并且该数字多用表(10)与所述上位机(8)相连接；(3)有一个压缩制冷机(11)和一个分子真空泵(12)连接所述强磁体装置(1)，对其制冷和抽真空；有一个磁体电源(5)接通所述超导强磁体(3)的线圈，用于产生充磁场。
2.根据权力要求1所述的高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置，其特征在于所述上位机(8)采用装有美国国家仪器公司开发的软件Labview2009的PC机，所述步进电动机驱动器(7)采用美国国家仪器公司的MID-7604/7602型步进电动机驱动器，所述高斯测量仪(9)采用Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的Model45OTSP型高斯测量仪， 所述低温霍尔探头(4)采用Lake Shore Cryotronics, Inc.公司的HMCA-2560-WN型低温霍尔探头，所述数字多用表(10)采用Keithley Instrument, Inc.公司的Model 2700型数字多用表，所述超导强磁体(3)采用Cryogenic Limited.公司的5T NbTi超导线圈强磁体，所述压缩制冷机(11)采用Sumitomo Heavy Industries, Ltd.公司F-50型压缩制冷机，所述分子真空泵(12)采用Edwards公司的EXPT型分子真空泵。
3.根据权力要求1所述的高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置，其特征在于所述三维支架(6)主要构件为χ轴滑动槽(15)、y轴滑动槽(16)、z轴滑动槽(17)和一个支撑杆(18)，所述χ轴滑动槽(15)驱动所述y轴滑动槽(16)运动，所述y轴滑动槽(16) 驱动所述ζ轴滑动槽(17)运动，所述ζ轴滑动槽(17)驱动所述支撑杆(18)运动；其中每个滑动槽(15，16，17)内部含有一个步进马达(19 )、一个RS232接口( 20)和一个驱动杆(21)， 所述RS232接口( 20 )通过串口线连接至所述步进电动机驱动器(7 )，所述步进马达(19 )的运动状态由所述RS232接口( 20 )接收到的信号控制，该步进马达(19 )一端连接有所述驱动杆(21)，该驱动杆(21)与上层滑动槽固定连接成一体的螺母旋配而驱动上层构件在滑动槽(15，16，17 )上进行移动，所述支撑杆(18 )垂直连接垂直杆(22 )和水平杆(23 )。
4.一种高温超导单畴块材磁通冻结场测量方法，采用根据权利要求1所述的高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置进行测量，其特征在于测量步骤如下1)用分子真空泵(12)对强磁体装置(1)抽真空，当内部大气压小于0. IPa之后压缩制冷机(11)进行制冷，直至强磁体装置(1)内部温度保持在4K，其中强磁体装置(1)内部超导强磁体(3)温度可由数字多用表(10)获取；2)低温杜瓦瓶(2)中放入待测高温超导单畴块材样品(13)，低温霍尔探头(4)固定在三维支架(6)的垂直杆(22)上并且定位在距离样品(13)上表面1.5mm处，打开充磁磁体电源(5 )，使超导强磁体(3 )产生5T充磁场；3)低温杜瓦瓶(2)中倒入液氮，液氮稳定后样品(13)进入超导态；4)撤去外加磁场调节磁体电源(5)，将外磁场降到零，由于样品(13)磁通冻结场的初始峰值不能用于实际装置的设计，外磁场降到零后需要等待15分钟再开始采集数据；5)使用上位机(8)控制步进电动机驱动器(7)，通过三维支架(6)的垂直杆(22)的移动定位低温霍尔探头(4)扫描起始位置，然后上位机(8)决定χ轴、y轴扫描步长和范围，步长应小于被扫描x_y平面最大尺寸的10%，参数设定完后步进电动机驱动器(7)驱动三维支架(6)进行x-y平面运动，测量开始；6)高斯测量仪(9)将测得样品(13)的磁通冻结场数值传输至上位机(8)，上位机(8) 保存数据，将χ轴、y轴坐标和接收到的特斯拉值一一对应，绘制出样品(13) ζ轴方向磁通冻结场的分布图。
全文摘要
本发明涉及一种高温超导单畴块材磁通冻结场测量装置及方法。本装置包括一个强磁体装置，置于该装置中的低温杜瓦瓶和超导强磁体，一个三维支架的垂直杆下端固定低温霍尔探头靠近置于低温杜瓦瓶内的样品，有制冷机和真空泵对强磁体制冷和抽真空，低温杜瓦瓶外围有超导强磁体产生强磁场，有一台上位机通过一个步进电机驱动器驱动三维支架作三维移动，低温霍尔探头通过高斯测量仪连接上位机，一个温度传感器安装在强磁体装置内，通过数字多用表连接上位机，实现了计算机与测量设备的精确通信与控制，并对采集到的数据进行处理和表达。本发明测量准确、高效、便捷、自动化成度高。
文档编号G01R33/12GK102520378SQ20111041050
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者左鹏翔, 徐克西, 曹越, 胡顺波, 连博文 申请人:上海大学