阅读说明：本技术 一种超导磁悬浮装置温度检测系统及方法 (Temperature detection system and method for superconducting magnetic suspension device ) 是由 郑珺 温鹏 刘晓宁 陈楠 陈凌 邓自刚 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及传感器技术领域,具体而言,涉及一种超导磁悬浮装置温度检测系统及方法。本发明通过将超导带材粘连在超导块材底部,将光纤传感器设置在超导块材底部及超导带材各层之间的连接方式,以分布式光纤传感器作为测量设备,实现对超导体微小温度变化的实时检测。以超导悬浮体中的超导块材底部与超导带材作为主要的温度检测基体,能够快速、精确地检测到整个超导悬浮体的温度。超导带材具有多层保护基底层,优化和增强了超导块材的悬浮力、导向力、阻尼、机械强度和热稳定性。此外本专利的传感器测试点数每米可达1500个,可采集超导体更多关键处大范围变化的温度值,其检测的信号作为磁悬浮系统危险性失超判据在时间上具有前滞性。(The invention relates to the technical field of sensors, in particular to a temperature detection system and method for a superconducting magnetic suspension device. The invention realizes real-time detection of micro temperature change of the superconductor by adhering the superconducting tape to the bottom of the superconducting block, arranging the optical fiber sensor at the bottom of the superconducting block and in the connection mode between the layers of the superconducting tape and taking the distributed optical fiber sensor as measuring equipment. The bottom of the superconducting bulk material and the superconducting strip in the superconducting suspension are used as main temperature detection matrixes, so that the temperature of the whole superconducting suspension can be detected quickly and accurately. The superconducting strip has a plurality of protective base layers, and the suspension force, the guiding force, the damping, the mechanical strength and the thermal stability of the superconducting bulk material are optimized and enhanced. In addition, the number of the test points of the sensor can reach 1500 per meter, temperature values of large-range changes of more key positions of the superconductor can be collected, and detected signals have hysteresis in time as a magnetic suspension system danger quench criterion.)

一种超导磁悬浮装置温度检测系统及方法

技术领域

本发明涉及传感器技术技术领域，具体而言，涉及一种超导磁悬浮装置温度检测系统及方法。

背景技术

超导磁悬浮装置列车利用超导材料的磁通钉扎特性,当在磁体上方场冷的超导体与磁体发生相对移动时，超导体内产生感应电流，并于外磁场相互作用产生悬浮力、导向力实现稳定悬浮。而高温超导磁悬浮装置系统车载超导体的温升检测，也可称失超检测，为系统开启预警保护提供先期信号，是极为重要的。受限于超导块材的三维几何块状结构与液氮背景场的限制，现有技术中将超导块材中心处打孔，并在孔内安装铂电阻传感器或热电偶等方式检测其块材内部温度，以此判断超导体的工作状态。

现有技术存在较多问题：如失超检测需要对超导体结构进行打孔等操作，极易破坏陶瓷材料的超导体结构。对于高温超导磁悬浮装置系统，被打孔的超导体整体硬度下降，且其提供的悬浮力、导向力有很大的衰减，不利于实际应用。现用的铂电阻、热电偶传感器由于自身尺寸、检测精度限制，对超导块材内部的关键发热点精准定位及测量存在较大难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超导磁悬浮装置温度检测系统及方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一方面，本申请实施例提供了一种超导磁悬浮装置温度检测系统，包括超导块材、第一堆叠超导带材、光纤传感器和调解仪；第一堆叠超导带材设置在所述超导块材的底部，所述第一堆叠超导带材的顶部与所述超导块材的底部接触，所述第一堆叠超导带材设置于永磁轨道上方；所述光纤传感器设置在所述超导块材(3)与第一堆叠超导带材(40)接触的层间以及第一堆叠超导带材(40)各层之间的位置，所述光纤传感器与调解仪电连接，接收调解仪发出的光信号，并向调解仪传送瑞利背向散射光；所述调解仪提供光信号，接收并处理所述光纤传感器产生的瑞利背向散射光。

可选地，所述超导块材包括多个超导体，分别是依次设置的第一超导体、第二超导体、第三超导体、第四超导体和第五超导体，设置于中心的第三超导体的高度大于其两边的超导体的高度。

可选地，所述超导块材与其底部的第一堆叠超导带材固定连接，可以是使用低温胶带固定连接。

可选地，所述第一堆叠超导带材为片状，所述光纤传感器为光纤分布式温度传感器。

可选地，所述超导块材顶部包括第二堆叠超导带材和第三堆叠超导带材，所述第二堆叠超导带材设置在第一超导体和第二超导体上方，第三堆叠超导带材设置在第四超导体和第五超导体上方，所述第二堆叠超导带材和所述第三堆叠超导带材的顶部与第三超导体的顶部在同一水平面。

可选地，所述第一堆叠超导带材设置有多层，第一堆叠超导带材的各层之间均设置有多列所述光纤传感器。

另一方面，本申请实施例提供了一种超导磁悬浮装置温度检测方法，包括以下步骤：在超导块材底部设置第一堆叠超导带材，将光纤传感器设置在超导块材与第一堆叠超导带材接触的层间以及第一堆叠超导带材各层之间的位置；

将所述光纤传感器与所述调解仪电连接，所述调解仪对所述光纤传感器进行首次测量并储存瑞利背向散射信号，记为基准信号；当所述第一堆叠超导带材温度变化时，所述光纤传感器中散射光光谱漂移，所述调解仪内的探测器收集瑞利背向散射光，记为测量信号；

对测量信号光谱频率和基准信号光谱频率数据进行处理，得到光谱漂移，通过光谱漂移计算得到温度变化值。

可选地，所述对测量信号光谱频率和基准信号光谱频率数据进行处理包括：所述调解仪分别获得基准信号光谱频率和测量信号光谱频率；通过以下公式计算得到光谱漂移Δv的数值：

公式(1)中，U_j(v)表示基准信号光谱，U_j(v-Δv_j)表示测量信号光谱，“*”表示交叉相关算子。

可选地，所述调解仪分别获得基准信号和测量信号两者的平均波长和频率；通过以下公式计算得到温度变化值：

公式(2)中，λ表示平均波长，v表示光波频率，Δv表示光谱漂移；测量温度时，不考虑应变因素对光谱响应的影响，此时ε≈0；K_T和K_ε为温度和应变校准常数。

本发明的有益效果为：

本发明通过将超导带材粘连在超导块材底部，将光纤传感器设置在超导块材底部及超导带材各层之间的连接方式，以分布式光纤传感器作为测量设备，实现对超导体微小温度变化的实时检测。由可调谐激光源产生光信号，光信号经由3dB耦合器分为参考波10与信号波11，信号波11经耦合器进入光纤传感器内部，当温度变化时，光纤传感器发生变形，内部折射率发生微小变化，产生随机的瑞利散射光，探测器接受采集瑞利散射光。相比与初始状态，两种状态下的瑞利散射光谱产生漂移，通过相关计算，即可得到光谱漂移量和温度的对应关系。本发明以超导带-块混合悬浮体中的堆叠超导带材作为主要的温度检测基体，能够快速、精确地检测到整个超导悬浮体的温度，作为危险性失超的判断信号。堆叠超导带材还具有多层保护基底层，优化和增强了超导块材的悬浮力、导向力、阻尼、机械强度、热稳定性。此外本专利的传感器测试点数每米可达1500，可采集超导体更多关键处大范围变化的温度值，其检测的信号作为磁悬浮系统危险性失超判据在时间上具有前滞性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，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实施例了解。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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中所述的超导磁悬浮装置温度检测系统结构示意图。

图2为本发明实施例中所述的高温堆叠超导带材-块材悬浮体构型示意图。

图3为本发明实施例中所述的光纤传感器原理示意图。

图4为本发明实施例中所述的堆叠超导带材-块材混合悬浮体分布式光纤检测示意图。

图5为本发明实施例中所述的超导磁悬浮装置温度检测流程图。

图中标记：1、电脑；2、调解仪；3、超导块材；40、第一堆叠超导带材；41、第二堆叠超导带材；42、第三堆叠超导带材；5、光纤传感器；6、永磁轨道；7、瑞利背向散射光；8、可调谐激光源；9、3dB耦合器；12、偏振控制器；13、探测器；14、模拟数字转换器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一方面，如图1所示，本实施例提供了一种超导磁悬浮装置温度检测系统，包括超导块材3、第一堆叠超导带材40、第二堆叠超导带材41、第三堆叠超导带材42、光纤传感器5和调解仪2；所述第一堆叠超导带材40设置在所述超导块材3的底部，所述第一堆叠超导带材40的顶部与所述超导块材3的底部接触，所述第一堆叠超导带材40设置于永磁轨道6上方；所述光纤传感器5设置在所述超导块材3与第一堆叠超导带材40接触的层间以及第一堆叠超导带材40各层之间的位置，所述光纤传感器5与调解仪2电连接，接收调解仪2发出的光信号，并向调解仪2传送瑞利背向散射光7；所述调解仪2提供光信号，接收并处理所述光纤传感器5产生的瑞利背向散射光7。

可选地，如图2所示，所述超导块材3包括多个超导体，分别是依次设置的第一超导体、第二超导体、第三超导体、第四超导体和第五超导体，设置于中心的第三超导体的高度大于其两边的超导体的高度；可以设置第一超导体、第二超导体、第四超导体和第五超导体的a-b面均垂直于z轴，第三超导体的a-b面平行于z轴，这样的排布充分考虑了超导体与磁体的相互位置，发挥了超导体各向异性的特点，极大程度的提高了磁悬浮系统的悬浮力与导向力。

可选地，如图4所示，所述超导块材3与其底部的第一堆叠超导带材40固定连接，可以使用低温胶带先将堆叠的堆叠超导带材进行固定，再与超导块材3粘贴封装为一个整体，形成整体的堆叠超导带材-块材混合悬浮体；当混合悬浮体沿永磁轨道延伸方向运行时，由于磁轨不平顺现象的存在，特别是在高速的情况下，超导块材3与堆叠超导带材内部均会产生热损耗，而第一堆叠超导带材40位于更靠近于永磁轨道的位置，其磁场幅值更大、磁场波动频率更大，故第一堆叠超导带材40的热损耗产生的更早、更大，且薄片状的带材会在极短时间内将热损耗传递到堆叠超导带材表面，光纤传感器会快速的检测到带材表面的温度。

可选地，所述第一堆叠超导带材40为片状，所述光纤传感器5为光纤分布式温度传感器；由于光纤传感器5尺寸极小，因此对堆叠超导带材-块材混合悬浮体结构尺寸干预很小；堆叠超导带材具有多层保护基底层，如铜、银保护层等金属材料，可在悬浮系统中充当涡流阻尼器：带材的基层银等材料与磁场作用产生斥力，对悬浮力有增强作用；混合悬浮体在弛豫时，涡流阻尼器自场消失，而超导混合悬浮体所处磁场基本相同，有涡流阻尼器时悬浮体经历磁场变化更大，故稳定后的悬浮力更大。

可选地，所述超导块材3顶部包括第二堆叠超导带材41和第三堆叠超导带材42，所述第二堆叠超导带材41设置在第一超导体和第二超导体上方，所述第三堆叠超导带材42设置在第四超导体和第五超导体上方，所述第二堆叠超导带材41和所述第三堆叠超导带材42的顶部与第三超导体的顶部在同一水平面；由于所述超导块材3比较脆，是脆性材料，而所述堆叠超导带材机械强度性能比较好，可以对所述超导块材3起到保护作用。

可选地，如图4所示，所述第一堆叠超导带材40设置有多层，第一堆叠超导带材40的各层之间均设置有多列所述光纤传感器5，堆叠超导带材-块材混合悬浮体设计结构方便可变，其根据磁悬浮系统实际所需的悬浮力、导向力指标来调整其超导块材尺寸与堆叠超导带材层数；根据超导体需要检测的范围大小，设置光纤传感器5数量；可以设置第一堆叠超导带材40为4层，每层堆叠超导带材之间植入4列光栅传感器；鉴于车载超导块材常用尺寸是64mm长×32mm宽×13mm厚、堆叠超导带材尺寸选为10mm宽，故采样间隔设计为：2.6mm、频率为62Hz；超导块材与超导块材3均为YBaCuO材料，二者的热损耗产生具有相似性，所以可使用检测到的第一堆叠超导带材40的温度信号来间接判断超导块材3的状态，并作为磁悬浮系统危险性失超的判据；当带材检测到温度符合危险性失超的条件时，比如人为规定当温度高于85K时，即为危险性失超的拐点，磁悬浮列车开始减速、提高制冷效率等方式保证超导体处于超导状态，保证列车所需的悬浮力、导向力。

另一方面，如图3和图5所示，本实施例中提供了一种超导磁悬浮装置温度检测方法，包括步骤S10、步骤S20、步骤S30和步骤S40。

步骤S10.在超导块材3底部设置第一堆叠超导带材40，将光纤传感器5设置在超导块材3与第一堆叠超导带材40接触的层间以及第一堆叠超导带材40各层之间的位置；

步骤S20.将所述光纤传感器5与所述调解仪2电连接，所述调解仪2对所述光纤传感器5进行首次测量并储存瑞利背向散射信号，记为基准信号；

步骤S30.当所述第一堆叠超导带材40温度变化时，所述光纤传感器5中散射光光谱漂移，所述调解仪2内的探测器收集瑞利背向散射光7，记为测量信号；

步骤S40.对测量信号光谱频率和基准信号光谱频率数据进行处理，得到光谱漂移，通过光谱漂移计算得到温度变化值。

可选地，所述步骤S40包括步骤S401和步骤S402。

步骤S401.所述调解仪2分别获得基准信号光谱频率和测量信号光谱频率；

步骤S402.通过以下公式计算得到光谱漂移Δv的数值：

公式(1)中，U_j(v)表示基准信号光谱，U_j(v-Δv_j)表示测量信号光谱，“*”表示交叉相关算子。

可选地，所述步骤S40还包括步骤S403和步骤S404。

步骤S403.所述调解仪2分别获得基准信号和测量信号两者的平均波长和频率；

步骤S404.通过以下公式计算得到温度变化值：

公式(2)中，λ表示平均波长，v表示光波频率，Δv表示光谱漂移；测量温度时，不考虑应变因素对光谱响应的影响，此时ε≈0；K_T和K_ε为温度和应变校准常数。

本实施例中所述的超导磁悬浮装置温度检测方法中包括的超导磁悬浮装置温度检测系统实施例中已进行描述，故在方法实施例中不再赘述。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。