阅读说明：本技术 一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构 (Skeleton structure for detecting quench signal of high-temperature superconducting coil in real time ) 是由 方进 吴越 刘延超 于 2020-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构,包括至少两个层叠布置的骨架,每个骨架包括饼状的基体,该基体的中心具有镂空部,该基体的轴向两侧分别具有第一端面和第二端面,该第二端面具有光纤光栅槽；该光纤光栅槽分别环绕基体的轴线布置,并且相邻骨架的光纤光栅槽相互错开。光纤光栅槽内具有光纤光栅传感器组件。第一端面具有径向延伸布置的第一电流引线槽；基体还具有径向贯穿设置的第一电流引线孔,该第一电流引线孔的延伸方向与第一电流引线槽的延伸方向相互重合；基体还具有环绕镂空部,并且轴向贯穿设置的多个连接孔。本发明提供的骨架结构,相邻光纤上的光栅布局交错分布,可以实现线圈温度的分布式测量。(The invention provides a skeleton structure for detecting quench signals of a high-temperature superconducting coil in real time, which comprises at least two skeletons which are arranged in a stacking manner, wherein each skeleton comprises a cake-shaped substrate, the center of the substrate is provided with a hollow part, the two axial sides of the substrate are respectively provided with a first end face and a second end face, and the second end face is provided with an optical fiber grating groove; the optical fiber grating grooves are respectively arranged around the axis of the substrate, and the optical fiber grating grooves of adjacent frameworks are mutually staggered. The fiber grating groove is internally provided with a fiber grating sensor assembly. The first end face is provided with a first current lead groove which extends radially; the base body is also provided with a first current lead hole which radially penetrates through the base body, and the extending direction of the first current lead hole is superposed with the extending direction of the first current lead groove; the base body is also provided with a plurality of connecting holes which surround the hollow-out part and are axially arranged in a penetrating way. According to the framework structure provided by the invention, the gratings on the adjacent optical fibers are distributed in a staggered manner, so that the distributed measurement of the coil temperature can be realized.)

一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构

技术领域

本发明涉及高温超导及光纤光栅传感技术领域，尤其涉及一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构。

背景技术

高温超导材料因其在低温环境下体现的零电阻、高载流特性被广泛应用于电力设备及强磁场磁体中，而电力设备及磁体的核心部件都是高温超导线圈。高温超导材料在局部受到机械、电磁、热等的干扰后，将发生从超导态到正常态的不可逆转化，如不能及时检测到线圈的失超现象，一旦传播，最终将引发磁体系统的失超。

光纤光栅应用于高温超导线圈失超检测方面，可充分发挥其抗电磁干扰能力强、灵敏度高、体积小、易埋入等优势。光纤光栅利用光纤的光敏特性，通过相位掩模、逐点写入、全息成栅等方法让光纤纤芯的折射率沿光纤轴呈周期性的变化，使其对入射的光波具有选择性，即只有满足特定波长条件的波才会被反射回来，其余波长的光则都被透射。当环境的温度、应变等发生变化时，将会引起光纤纤芯折射率和光栅调制周期的改变，进而导致布拉格光栅反射波中心波长的变化。在实时采集超导线圈的电压信号时，通过监测反射光波的中心波长变化，可推得超导线圈的温度、应变变化，达到检测超导线圈失超信号的目的。

传统的失超检测方法为电压检测法和温度检测法。电压检测法通过检测样品两端电压信号判断线圈是否失超，由于超导线圈失超电压信号时一种非线性、非平稳的微弱信号，在采集过程中容易受到仪器、实验电路干扰因素的影响。并且对于超导线圈而言，当线圈的运行温度大于分流温度后，才会出现可被检测的信号，即对于失超而言，温度信号的变化是先于电压信号的，所以与温度检测法相比，电压检测法会有一定的延迟，因此电压检测法并不适用于超导线圈的失超检测。传统的温度检测方法通常基于热电偶和热电阻等传统电温度传感器，是基于电信号的测量，而高温超导线圈产生的磁场，将导致测得的信号受到电磁干扰。同时，热电偶和热电阻等传感器都是点测量式传感器，要想实现磁体的分布式温度测量，就需要用到大量的传感器，每个传感器通常都是四线制接法，需要用到大量的铜引线，布线也需要占用大量的空间，铜引线的使用还会引入额外的漏热问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构，用于解决传统温度检测方法中因线圈电磁干扰、传感器布置引起的失超信号检测不准确的问题，实现超导线圈温度、应变等失超信号的实时检测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构，包括两个以上层叠布置的骨架，每个骨架包括饼状的基体，该基体中央具有镂空部；相邻骨架的基体之间具有间隙；

该基体的轴向两侧分别具有第一端面和第二端面，第一端面具有径向延伸布置的第一电流引线槽，基体还具有径向贯穿设置的第一电流引线孔，该第一电流引线孔的延伸方向与第一电流引线槽的延伸方向相互重合；

第二端面具有光纤光栅槽，该光纤光栅槽环绕基体的轴线布置，内设光纤光栅传感器组件，相邻骨架的光纤光栅槽相互错开；

基体还具有环绕镂空部，并且轴向贯穿设置的多个连接孔。

优选地，光纤光栅传感器组件包括传输光纤、金属固定棒、镀银光纤光栅和弯曲的毛细铜管；镀银光纤光栅位于毛细铜管内，镀银光纤光栅的两侧分别连接金属固定棒，金属固定棒的一侧胶黏在毛细铜管内，使镀银光纤光栅被胶封在毛细铜管内。

优选地，金属固定棒的一侧通过低温胶胶黏在毛细铜管内。

优选地，第二端面具有环绕基体轴线布置的凸台部，该凸台部的一侧表面与镂空部的侧面相重合。

优选地，凸台部具有沿基体径向贯穿凸台部的第二电流引线槽。

优选地，凸台部具有沿基体轴向延伸的第三电流引线槽，该第三电流引线槽与第一电流引线槽相连通。

优选地，基体具有6个连接孔，该6个连接孔相互等间距地布置。

优选地，基体的径向两侧具有一对第四电流引线槽，第一电流引线孔位于该第四电流引线槽的槽底。

优选地，骨架结构还具有与第四电流引线槽相配合的外部电流引线，和与第一电流引线槽相配合的内部电流引线，该外部电流引线和内部电流引线分别具有与多个骨架的第一电流引线孔相对应的第二电流引线孔和第三电流引线孔，以及分别与骨架的基体之间的间隙相对应的第四电流引线孔和第五电流引线孔。

优选地，骨架结构还具有位于骨架侧面的外部电流引线，以及与第一电流引线槽相配合的内部电流引线，该外部电流引线和内部电流引线分别具有与多个骨架的第一电流引线孔相对应的第二电流引线孔和第三电流引线孔，以及分别与骨架的基体之间的间隙相对应的第四电流引线孔和第五电流引线孔。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构，包括至少两个层叠布置的骨架，每个骨架包括饼状的基体，该基体的中心具有镂空部，该基体的轴向两侧分别具有第一端面和第二端面，该第二端面具有光纤光栅槽；该光纤光栅槽分别环绕基体的轴线布置，并且相邻骨架的光纤光栅槽相互错开。光纤光栅槽内具有光纤光栅传感器组件。第一端面具有径向延伸布置的第一电流引线槽；基体还具有径向贯穿设置的第一电流引线孔，该第一电流引线孔的延伸方向与第一电流引线槽的延伸方向相互重合；基体还具有环绕镂空部，并且轴向贯穿设置的多个连接孔。本发明提供的骨架结构，相邻光纤上的光栅布局采取交错分布，通过这种光栅的交错分布方式，可以实现线圈温度的分布式测量。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明提供的一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架的立体示意图；

图2为本发明提供的一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架另一视角的立体示意图；

图3为本发明提供的一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架的光纤光栅传感器组件的结构示意图；

图4为本发明提供的一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构的立体示意图；

图5为本发明提供的一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构的外部电流引线和内部电流引线的示意图；

图6为现有技术中的高温超导线圈骨架的光纤光栅布置方式图；

图7为本发明提供的一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架的光纤光栅布置方式图。

图中：

11.基体111.第一端面112.第二端面113.光纤光栅槽115.第一电流引线槽116.镂空部117.连接孔118.第一电流引线孔；

12.凸台部121.第二电流引线槽122.第三电流引线槽；

131.第四电流引线槽；

14.传输光纤15.金属固定棒16.镀银光纤光栅17.毛细铜管18.低温胶；

21.外部电流引线211.第二电流引线孔212.第四电流引线孔；

22.内部电流引线221.第三电流引线孔222.第五电流引线孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，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。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

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，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

参见图1，本发明提供的一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构，包括至少两个沿自身轴线层叠布置的骨架，每个骨架具有饼状(具有一定厚度的板型结构)的基体11，该基体11的中心具有镂空部116，使基体11构成环形结构。相邻骨架的基体之间具有一定的间隙。在本实施例中，该基体11的轴向两侧的断面被称之为第一端面111和第二端面112，例如图1中显示的那样，将基体顶面称之为第一端面111，将其底面称之为第二端面112。在第二端面112设置光纤光栅槽113；该光纤光栅槽113环绕基体11的中轴线布置，内置光纤光栅传感器组件。在本实施例中，相邻骨架的光纤光栅槽113的径向位置相互错开。光纤光栅槽113的宽度及深度根据光纤光栅传感器组件的尺寸进行适当设计，保证骨架与线圈的紧密接触。

第一端面111或第二端面112具有径向延伸布置的第一电流引线槽115，基体11还具有径向贯穿设置的第一电流引线孔118，二者用于超导线圈铜片电流引线的布置，根据应用选择电流的引入、接出的位置。例如在图1和2中所显示的，在第一端面111上开设一对第一电流引线槽115，该第一电流引线孔118的延伸方向与第一电流引线槽115的延伸方向相互重合，使其相互以基体中轴为中心对称布置。基体11还具有环绕镂空部116，并且轴向贯穿设置的多个连接孔117，用于多个骨架的相互接合，在本实施例中，该连接孔117优选螺纹孔，数量为6个，相互等间距(间隔60°)地布置。

在本发明提供的实施例中，第一端面111和第二端面112作用还在于多个骨架相互叠置组合时的安装端面，在一些优选实施例中，第一端面111或第二端面112具有环绕基体11轴线布置的凸台部12，并且该凸台部12沿镂空部116的边缘设置，其一侧表面与镂空部116的侧面相重合。该凸台部12用于骨架的相互连接时电流引线的布设，其根据实际需要设置在第一端面111或第二端面112，下面提供一个示例，如图1所示将第一电流引线槽115设置在第一端面111，作为基体11的顶面，如图2所示，将凸台部12设置在第二端面112，作为基体11的底面。第一电流引线槽115与镂空部116通过第一电流引线孔118相互连通。进一步的，凸台部12具有沿所述基体11径向贯穿凸台部12的一对第二电流引线槽121，用于超导线圈电压引线的引出布设。凸台部12的侧部还具有沿基体11轴向延伸的第三电流引线槽122，该第三电流引线槽122与第一电流引线槽115相连通，用于电流引线的引出布置。基体11的径向两侧具有一对第四电流引线槽131，基体11侧部的第一电流引线孔118位于该第四电流引线槽131的槽底。在本实施例中，第二电流引线槽121、第三电流引线槽122和第四电流引线槽131的槽宽大于电流引线铜片的厚度。在类似图2所示的实施方式中，当第二电流引线槽121与连接孔117相连通时，该第二电流引线槽121的槽宽还需要预留测试电压引线焊接及引出的余量。另外，第一电流引线孔118与电流引线铜片相互可采用通丝螺杆及螺母固定。

在本发明提供的优选实施例中，光纤光栅传感器组件包括传输光纤14、金属固定棒15、镀银光纤光栅16和微弯曲的毛细铜管17。其中，镀银光纤光栅16位于毛细铜管17内，镀银光纤光栅16的两侧分别连接一个金属固定棒15，每个金属固定棒15的一侧胶黏在毛细铜管17内，使镀银光纤光栅16被胶封在所述毛细铜管17内，并且保证镀银光纤光栅16不和微弯曲毛细铜管17接触，可以避免将光纤光栅传感器组件固定在线圈上时受到所用环氧树脂胶的非均匀应变带来的啁啾现象。在一些优选实施例中，采用低温胶18填充在金属固定棒15和毛细铜管17之间，金属固定棒15可以使低温胶18固定在镀银光纤光栅16端部，避免低温胶18流动对镀银光纤光栅16产生影响。在本发明提供的优选实施例中，镀银光纤光栅16传感器的的温度灵敏度要足够高，以保证在液氮温区内测量的要求。微弯曲的毛细铜管17可以使光纤光栅传感器组件也保持松弛微弯曲结构，避免光纤光栅传感器组件受外界应变影响；微弯曲的毛细铜管17的弯曲半径与线圈相同，可以使其更容易与线圈贴合。

在本发明提供的实施例中，骨架结构还具有位于骨架径向侧面的外部电流引线21，和与第一电流引线槽115相配合的内部电流引线22，例如图中所示的，外部电流引线21插入到上述第四电流引线槽131中，内部电流引线22插入到第一电流引线槽115内并贴合邻近镂空部116的侧边。如图5所示，外部电流引线21和内部电流引线22分别具有与多个所述骨架的所述第一电流引线孔118相对应的第二电流引线孔211和第三电流引线孔221，以及分别与骨架的基体11之间的间隙相对应的第四电流引线孔212和第五电流引线孔222。该第二电流引线孔211和第三电流引线孔221分别用于外部电流引线21和内部电流引线22的固定，比如通过通丝螺杆机螺母贯穿第一电流引线孔118、第二电流引线孔211和第三电流引线孔221。第四电流引线孔212和第五电流引线孔222用于测试电源电缆的布置，例如在图5的实施例中，骨架的第一端面111为顶面，第二端面112为底面，凸台部12设置在第二端面112上，下方骨架的第一端面111与上方骨架的凸台部12相接触，使两个骨架的基体11之间形成间隙，第四电流引线孔212和第五电流引线孔222分别与该间隙相对应。在本实施例中，外部电流引线21和内部电流引线22优选紫铜片加工而成。在本发明提供的实施例中，每个基体11的第一光纤光栅槽113和第二光纤光栅槽114相互错开，形成两列光纤光栅槽，进一步使光纤光栅槽内的光纤光栅传感器组件形成交错排列的方式。

本发明提供的骨架结构，作用和原理如下。高温超导线圈的失超传播速度很低，热量容易积聚在一点从而使线圈烧毁，因此，当超导线圈某处发生失超时，需要传感器快速检测到温度改变并及时反馈给保护系统。光纤光栅传感器为点测量式传感器，由于工作原理及制作工艺的限制，每两个相邻光栅之间必须有一定的间隔，通常为8mm至10mm,意味着仅用一根光纤是无法实现线圈温度的分布式测量的。假设超导线圈骨架上半部分的光栅传感器排列如图6的光纤1，下半部分的光栅传感器排列如图5的光纤2。此时在骨架上下两部分光纤上的光栅处于相同位置，此种排列中，光纤1的部1a、部3a和光纤2的部5b、部7b处有光栅，而光纤1的部2a、部4a和光纤2的部6b、部8b处没有光栅。当超导线圈某处发生失超时，部1a、部3a、部5b、部7b处有光栅可以及时检测这一位置上的温度改变，而部2a、部4a、部6b、部8b处没有光栅，为温度检测盲区，则不能及时检测此处温度的改变。因此，为了避免测温盲区，实现线圈温度分布式检测，将多个骨架通过连接孔117相互轴向依次连接后，如图7所示，光纤1′的部1′a、部3′a和光纤2′的部6′b、部8′b处有光栅，而光纤1′的部2′a、部4′a和光纤2′的部5′b、部7′b处没有光栅。当超导线圈某处发生失超时，虽然光纤1′的部2′a、部4′a和光纤2′的部5′b、部7′b位置没有光纤光栅传感器，不能进行温度测量，但是处于另一根光纤上的对应位置可以对温度进行检测，避免了该出的测温盲区。因此，此类光纤光栅传感器的交错排列方式可以实现超导线圈温度的分布式测量。

综上所述，本发明提供的一种实时检测高温超导线圈失超信号的骨架结构，包括至少两个层叠布置的骨架，每个骨架包括饼状的基体，该基体的中心具有镂空部，该基体的轴向两侧分别具有第一端面和第二端面，该第二端面具有光纤光栅槽；该光纤光栅槽分别环绕基体的轴线布置，并且相邻骨架的光纤光栅槽相互错开。光纤光栅槽内具有光纤光栅传感器组件。第一端面具有径向延伸布置的第一电流引线槽；基体还具有径向贯穿设置的第一电流引线孔，该第一电流引线孔的延伸方向与第一电流引线槽的延伸方向相互重合；基体还具有环绕镂空部，并且轴向贯穿设置的多个连接孔。本发明提供的骨架结构，具有如下优点：

1、采用光纤光栅传感器进行温度测量，光纤光栅传感器是波长解调的传感器，不受光源强度波动的影响，测量稳定、可靠；

2、该方法设计的组合式高温超导线圈骨架，可以利用光纤光栅对高温超导线圈的温度分布及失超情况进行实时的监测；

3、该方法中通过超导电流引线的灵活设计，可巧妙地进行单个线圈及磁体的组合实验，无须重新焊接线圈内外电流引线；

4、该方法的光纤光栅传感器封装毛细铜管为微弯曲毛细铜管，铜管弯曲半径与线圈弯曲半径相同，使其易于与线圈结合；毛细管内光纤光栅也保持微弯曲结构，避免了外界应变对温度测量的影响；

5、相邻光纤上的光栅布局采取交错分布，通过这种光栅的交错分布方式，可以实现线圈温度的分布式测量；

6、该方法选用毛细铜管对镀银的光纤光栅传感器进行封装保护，避免了粘贴胶的非均匀应变带来的啁啾现象；

7、不仅可用于单饼线圈的绕制，也可用于双饼线圈的绕制，并且通过电流引线的合理布置，亦适用于超导磁体的绕制；

8、采用本发明的骨架绕制后的线圈，测试时是通过传导冷却使超导材料冷却，嵌入骨架中的光纤光栅传感器不与液氮直接接触，所以不存在由液氮挥发后产生的水滴对传感器造成的损害问题。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。