一种超导块材温升检测系统及方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种超导块材温升检测系统及方法。

背景技术：

当高温超导体工作于变化外磁场中或传输时变电流时，超导体内会产生热损耗引起内部温度升高并出现失超风险。现有技术通过在超导块材中心及外围不同位置置入热电偶或铂电阻温度传感器以测量不同外加磁场下块材内部的温升变化。工作中的超导块材始终浸泡于液氮环境中，且在变化外磁场激扰下块材内部温升变化区间较小，而现有技术中所采用的热电偶传感器，其精度易受外界低温液氮环境的影响，灵敏度很低；铂电阻温度传感器利用金属铂自身电阻值变化测量温度变化，但其自身电阻损耗对于微小温度变化的超导块材而言影响较大，因此现有技术的温度测量均存在一定误差。

现有技术还存在诸多客观缺点，比如：在工程应用时，需要布置大量的温升采集点，而当布置铂电阻、热电偶等传感器时需在杜瓦内布置过多的引线，杜瓦的空间尺寸是不允许的，也不利于杜瓦的保温性。超导块材浸泡在液氮中，现有技术中埋放的传感器类型、精度易受外界液氮影响，且现有一般技术的铂电阻、热电偶等传感器均具有焦耳损耗，对高温超导磁悬浮的冷却系统带来额外的负担。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超导块材温升检测系统及方法，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块材温升检测系统，包括超导块材、光纤传感器和调解仪；所述超导块材设置在液氮内，所述超导块材设置在永磁轨道上方；与所述调解仪电连接的所述光纤传感器设置在所述超导块材内，所述光纤传感器接收调解仪发出的光信号，并向调解仪传送瑞利散射光；所述调解仪提供光信号，所述调解仪接收并处理所述光纤传感器产生的瑞利散射光。

可选地，所述光纤传感器为分布式光纤温度传感器。

可选地，所述超导块材下表面设置有第一椭圆形凹槽和第二椭圆形凹槽，第二椭圆形凹槽嵌套设置在第一椭圆形凹槽内，第一椭圆形凹槽和第二椭圆形凹槽均设置有所述光纤传感器。

可选地，所述超导块材侧面环绕设置有两个平行的凹槽，在两个凹槽内均设置有所述光纤传感器。

可选地，所述超导块材下表面设置有若干不同深度的小孔，每个小孔内均设置有所述光纤传感器。

可选地，所述超导块材的侧面设置有若干不同深度的小孔，每个小孔内均设置有所述光纤传感器。

另一方面，本申请实施例提供了一种超导块材温升检测方法，将光纤传感器设置在超导块材内；将所述光纤传感器与调解仪电连接，所述调解仪对所述光纤传感器进行首次测量并储存每一位置的瑞利散射信号，记为基准信号；所述超导块材温度变化时，所述光纤传感器内部折射率改变，产生新的瑞利散射光，所述调解仪内的探测器收集每一位置处新的瑞利散射光，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，uj(v)表示基准信号光谱，uj(v-δvj)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；kt和kε为温度和应变校准常数。

本发明的有益效果为：

本发明通过分布式光纤传感器测量超导块材温度，由可调谐激光源产生光信号经由3db耦合器分为参考波3与信号波4，信号波4经耦合器进入光纤线8内部，当受到温升时，光纤传感器6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7，探测器9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。分布式光纤传感器尺寸极小，自身产热可忽略不计，实现对温升行为的实时高效读取和精准定位，保证了检测的高精度和时间上的高效性，快速获取超导块材内部温度随时间的变化信息，实现对温度的实时检测，又能在一定程度上减小均布式打孔对超导块材性能的影响，在超导块材工程化应用中具有较强的实用价值。

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块材温升检测系统示意图。

图2为本发明实施例中所述的超导块材内光纤传感器的排布方式示意图，(a)为挖槽排布方式示意图、(b)为环绕排布方式示意图、(c)为下表面打孔排布方式示意图、(d)为侧面打孔排布方式示意图。

图3为本发明实施例中所述的光纤传感器工作原理示意图。

图4为本发明实施例中所述的超导块材温升检测方法流程图。

图中标记：1、可调谐激光源；2、3db耦合器；5、偏振控制器；6、传感器；7、瑞利散射光；8、光纤线；9、探测器；10、模拟数字转换器；11、电脑；12、调解仪；14、液氮；15、超导块材；16永磁轨道。

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。

如图1所示，本实施例提供了一种超导块材温升检测系统，包括超导块材15、光纤传感器6和调解仪12；所述超导块材15设置在液氮14内，所述超导块材15设置在永磁轨道16上方；与调解仪12电连接的所述光纤传感器6设置在所述超导块材15内，所述光纤传感器6接收调解仪12发出的光信号，并向调解仪12传送瑞利散射光7；所述调解仪12提供光信号，所述调解仪12接收并处理所述光纤传感器6产生的瑞利散射光7。

可选地，如图3所示，所述光纤传感器6为分布式光纤温度传感器，分布式光纤温度传感器尺寸极小，对超导块材15整体结构及悬浮导向性能的影响很小。

可选地，如图2所示，所述超导块材15下表面设置有第一椭圆形凹槽和第二椭圆形凹槽，第二椭圆形凹槽嵌套设置在第一椭圆形凹槽内，第一椭圆形凹槽和第二椭圆形凹槽均设置有所述光纤传感器6；靠近永磁轨道的超导块材下底部所经历的磁场不均匀更剧烈，下底部将首先产生温升行为，所述光纤传感器6排布于块材下表面外边缘的槽内，能够最早时间检测出温升行为，保证时间上的高效性。

可选地，如图2所示，所述超导块材15侧面环绕设置有两个平行的凹槽，在两个凹槽内均设置有所述光纤传感器6，由于永磁轨道产生的磁通线首先从超导体的外表面穿入或穿出，逐渐向里穿透，使得超导体的温升行为呈现中心对称分布，外表面温度较高，内部温度逐渐升高，所述光纤传感器6环绕于块材侧面能最早检测出温升行为。

可选地，如图2所示，所述超导块材15下表面设置有若干不同深度的小孔，每个小孔内均设置有所述光纤传感器6。

可选地，如图2所示，所述超导块材15的侧面设置有若干不同深度的小孔，每个小孔内均设置有所述光纤传感器6；考虑到未来应用场合的外磁场高频大幅值变化等极端情况，三维几何块状特征的超导块材15在更为剧烈甚至是恶化温升演化的过程中，不仅需测量外边缘的温升行为，还需要关注到材料内部；在块材内部打钻微型孔放置光纤传感器6，结合对高温超导块材15在不均匀外磁场下温升行为的仿真模拟，定位出超导块材15内部温升的“热点”区域，在尽可能不影响超导块材15整体结构和性能的基础上，较多地布置分布式光纤传感器6于此区域，能够实现对块材内部关键发热点的精准定位及测量，提高数据采集效率。

另一方面，如图3和图4所示，本实施例中提供了一种超导体温升检测方法，包括步骤s10、步骤s20、步骤s30和步骤s40。

步骤s10.将光纤传感器6设置在超导块材15内；

步骤s20.将所述光纤传感器6与调解仪12电连接，所述调解仪12对所述光纤传感器6进行首次测量并储存每一位置的瑞利散射信号，记为基准信号；

步骤s30.所述超导块材15温度变化时，所述光纤传感器6内部折射率改变，产生新的瑞利散射光7，所述调解仪12内的探测器9收集每一位置处新的瑞利散射光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。

s401.所述调解仪12分别获得基准信号光谱频率和测量信号光谱频率；

s402.通过以下公式计算得到光谱漂移δv的数值：

公式(1)中，uj(v)表示基准信号光谱，uj(v-δvj)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。

s403.所述调解仪12分别获得基准信号和测量信号两者的平均波长和频率；

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；kt和kε为温度和应变校准常数。

本实施例中所述的超导块材温升检测方法中包括的超导块材温升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。