一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置及方法

1.本发明涉及超导体材料技术领域，具体涉及一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置及方法。


背景技术：

2.电力技术涉及国民生计的各行各业，是人类赖以生存的技术。而由于常规导体的电阻特性，现有的电力技术应用中存在着巨大的能源损失问题；鉴于当前人类快速增长的人口数量与可用能源不足之间的矛盾问题，各国科研工作者一直在努力解决由于常规导体电阻特性而导致的能源损失问题；经过多年的发展，高温超导体制作而成的电力设备已经尝试用于高能物理、航空航天、医疗设备、交通运输、电力能源等领域；然而，在超导体应用中存在的稳定性隐患，一直是限制其应用的一个关键因素；对于超导体而言，只有当其处于超导态时，才具有常规导体不具有的零电阻、完全抗磁性等优点；而在实际应用中超导体通常工作在低温、高电流、强磁场的复杂环境下，在某种情况下不可抗的电磁力、热积累等扰动会导致超导体退出超导态，失去稳定性；一旦超导体退出超导态，其将会表现出巨大的电阻性，从而导致焦耳热的产生；如果不及时的发现失超现象，并快速的释放产生的焦耳热，将会对超导磁体带来灾难性的后果以及巨大的经济损失；因此有必要针对高温超导体的稳定性进行研究，研制快速的高温超导体失超检测及保护技术。
3.目前，通常采用电压检测法、温升检测法、射频波技术检测法对高温超导体进行失超检测；而电压检测法对于交流应用的大型高温超导磁体，失超产生的阻性电压会被磁体两端较大的电感电压隐没，使失超检测变得困难；采用温升检测法时，对于传统的温度传感器，易于受电磁干扰不适合于强磁场环境，而且为了实现温度的精确测量，诸多的电压引线使得传感器的铺设变得困难；当采用射频波技术检测法时，由于很难保证射频诊断信号的稳定性，且高温超导体的温度裕度较为宽泛，因此该方法存在一定的延迟。为此提出一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置及方法以解决以上问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置及方法，解决现有技术中无法用于强磁场、检测有延迟的问题。
5.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
6.一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置，包括：
7.fbg传感器；
8.超导带材，粘贴于所述fbg传感器的外表面，且在绕制线圈时将所述fbg传感器贴于所述超导带材表面绕制进线圈内；
9.环氧树脂，其浸渍于绕制完成的所述线圈上，当所述fbg传感器与所述超导带材和所述环氧树脂刚性接触时，由于温度升高导致所述fbg传感器波长发生漂移，通过探测所述fbg传感器波长的改变来检测高温所述超导带材失超的发生；
10.多个温度传感器，电连接于所述超导带材外，且所述温度传感器交错分布，实现对所述超导带材区域内温度的分布式测量；
11.制冷装置，设置于所述温度传感器外部，用于给高温区域所述超导带材失超部位进行制冷。
12.进一步地，所述fbg传感器包括纤芯和包层。
13.进一步地，所述超导带材由基底层、缓冲层、超导层以及镀银层构成。
14.进一步地，所述超导带材中的所述基底层的厚度远大于所述缓冲层、超导层以及镀银层。
15.进一步地，所述制冷装置选用半导体制冷器。
16.进一步地，一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置的保护方法，包括以下步骤：
17.将光通过光耦合器照射到fbg传感器的光栅上，得到反射回去的布拉格波长；
18.通过对反射回去的布拉格波长解调得到被测点的温度和应变信息；
19.根据被测点的温度变化探测出布拉格波长的改变，从而检测出超导带材失超的发生；
20.通过多个温度传感器对区域内温度分布式测量，判断出超导带材的具体失超部位；
21.通过外部制冷装置对超导体失超部分进行制冷。
22.进一步地，所述fbg传感器采用相对光栅尺进行测量。
23.本发明提供了一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置及方法，具备以下有益效果：
24.(1)fbg传感器体积小、质量轻；不带涂覆层的fbg传感器的厚度很小，直径为125微米，使得fbg传感器极易于被测物质结合且对被测物质的性能影响很小。
25.(2)耐腐蚀、稳定性高；能够保证装置在超导体工作在强酸性等极端环境下发生失超时进行保护。
26.(3)抗电磁干扰、不对被测对象产生电磁干扰；可以使超导体保持完全抗磁性。
27.(4)易于复用组网、实现多点测量；利于装置对测量区域内超导带材的多处位置进行测量，以判断超导体的具体失超部位。
28.(5)耐高压、绝缘强度高；适合用于电力系统等高压环境的保护。
29.(6)及时进行失超保护，使超导体保持零电阻、完全抗磁性等超导特性。
30.(7)进行失超保护，能够防止设备损坏，使磁体运行更加稳定。
附图说明
31.图1为光纤、超导带材、环氧树脂和温度传感器共绕的结构示意图；
32.图2为高温超导体的失超保护装置工作原理图；
33.图3为光纤、超导带材和环氧树脂共绕的结构示意图；
34.图4为光纤、超导带材和环氧树脂共绕的截面示意图；
35.图5为高温超导带材的结构示意图。
36.图中：1-宽带光源，2-光耦合器，3-fbg传感器，301-纤芯；302-包层，4-外部制冷装
置，5-温度传感器；6-光谱仪，7-信号处理器，8-超导带材，801-基底层，802-缓冲层，803-超导层，804-镀银层，9-环氧树脂。
具体实施方式
37.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
38.请参阅图1-5，本发明提供的技术方案：
39.一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置，包括宽带光源1，光耦合器2，fbg传感器3，外部制冷装置4，温度传感器5，光谱仪6和信号处理器7；布拉格光纤光栅(fbg)传感器3包括纤芯301和包层302，在绕制线圈时将fbg传感器3粘贴于带材8的表面绕制进线圈内，并用环氧树脂9对线圈浸渍；传感器采用布拉格光纤光栅(fbg)传感器，当宽带光源发出的一束光经过光耦合器进入传输光纤到达光栅后，一部分光会透射出去继续向前传播，另一部分满足布拉格关系的光将会被反射回光谱仪。
40.在上述实施例中，该装置由超导带材、fbg传感器以及粘贴fbg传感器用的环氧树脂组成，当fbg传感器3与超导带材8、环氧树脂9刚性接触时，高温超导带材或环氧树脂的存在将改善fbg传感器的温度灵敏度，达到嵌入即增敏的效果；光纤是一种由玻璃或者塑料纤维构成的光波导，其基本结构为纤芯和包层；其中所考虑的高温超导带材8由基底层801、缓冲层802、超导层803以及镀银层804构成，因为带材中基底层801的厚度远大于其他层，所以带材的机械特性主要由基底层801决定。
41.一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置的保护方法，包括下列步骤：
42.1.传感器采用布拉格光纤光栅(fbg)传感器，采用相对光栅尺进行测量。
43.2.当宽带光源发出的一束光经过光耦合器进入传输光纤到达光栅后，一部分光会透射出去继续向前传播，另一部分满足布拉格关系的光将会被反射回去；当光纤中的传播光的波长是光栅间距的两倍时，即满足布拉格条件，由于折射率的变化，沿光栅的整个长度上会发生多次菲涅尔反射，反射回去的光的波长被称为布拉格波长，通过对反射回去的布拉格波长进行解调即可以得到被测点的温度和应变信息。
44.3.该方案是在绕制线圈时将fbg传感器贴于带材表面绕制进线圈内，并用环氧树脂对线圈浸渍。
45.4.基于表面粘贴fbg传感器的超导带材失超检测原理，未失超时宽带光源发出的光，经传输光纤到达粘贴于超导带材表面的fbg传感器后，其反射回去的布拉格中心波长为λ1，失超发生以后，由于温度升高导致fbg传感器反射布拉格中心波长将向长波方向漂移至λ2，通过探测fbg传感器波长的改变即可检测高温超导带材失超的发生。
46.5.针对高温超导带材的失超机理和温度传播特性研究时，设置多个温度传感器对超导带材进行温度测量，所述温度传感器交错分布，实现测量区域内温度的分布式测量，从而判断出超导带材的具体失超部位。
47.6.当检测出超导带材失超发生以后，通过外部制冷装置对超导体失超部分进行制冷，避免磁体内部出现局部过高的温度和温度梯度，从而达到保护超导磁体的目的；外部制冷装置内部自带电池，并且可以随时向该电池充电以保证运行的可靠性；外部制冷装置选用半导体制冷器，而半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小等优点，工作可
靠，易于进行冷量调节；利用半导体的热电效应制取冷量，具体将超导体连接上两块半导体，接通电源后，上接点附近产生电子空穴对，内能减小，温度降低，向超导体吸热，进行制冷，另一端因电子空穴对复合，内能增加，温度升高，向环境放热，通过半导体制冷器，将从超导体吸收的热量向环境释放，对超导体失超部分进行制冷，达到保护磁体的目的。
48.具体操作时，当宽带光源1发出的一束光经过光耦合器2进入fbg传感器3，一部分光会透射出去继续向前传播，另一部分满足布拉格关系的光将会被反射回光谱仪6；当光纤中的传播光的波长是光栅间距的两倍时，即满足布拉格条件，由于折射率的变化，沿光栅的整个长度上会发生多次菲涅尔反射，这部分反射回去的光的波长被称为布拉格波长，在光谱仪6中对反射回去的布拉格波长进行解调，最后将信息传递到信号处理器7便可以得到被测点的温度、应变、压力、超声波等信息；基于表面粘贴fbg传感器3的超导带材8失超检测原理，未失超时宽带光源1发出的光，经传输光纤到达粘贴于超导带材8表面的fbg传感器3后，其反射回去的布拉格中心波长为λ1，失超发生以后，由于温度升高导致fbg传感器3反射布拉格中心波长将向长波方向漂移至λ2，通过探测fbg传感器3波长的改变即可检测高温超导带材8失超的发生；在针对高温超导带材的失超机理和温度传播特性研究时，设置多个温度传感器5对超导带材进行温度测量，所述温度传感器交错分布，实现测量区域内温度的分布式测量，从而判断出超导带材的具体失超部位；在检测出超导带材发生失超以后，通过设置的外部制冷装置4对超导体失超部分进行制冷，当该局部高温部分与其余部分温度相同时停止制冷，这样便可以避免磁体内部出现局部过高的温度和温度梯度，从而达到保护超导磁体的目的。
49.综上所述，本发明实施例的一种基于光纤传感技术的高温超导体失超保护装置，包括宽带光源，光耦合器，布拉格光纤光栅(fbg)传感器，外部制冷装置，温度传感器，光谱仪和信号处理器；布拉格光纤光栅(fbg)传感器包括纤芯和包层，在绕制线圈时将fbg传感器粘贴于超导带材的表面绕制进线圈内，并用环氧树脂对线圈浸渍，当fbg传感器与超导带材、环氧树脂刚性接触时，高温超导带材或环氧树脂的存在将改善fbg传感器的温度灵敏度，达到嵌入即增敏的效果；具体检测时发现，未失超时宽带光源发出的光，经传输光纤到达粘贴于超导带材表面的fbg传感器后，其反射回去的布拉格中心波长为λ1；失超发生以后，由于温度升高导致fbg传感器反射布拉格中心波长将向长波方向漂移至λ2，通过探测fbg传感器波长的改变即可检测超导带材失超的发生；在针对高温超导带材的失超机理和温度传播特性研究时，设置多个温度传感器对超导带材进行温度测量，所述温度传感器交错分布，实现测量区域内温度的分布式测量，从而判断出超导带材的具体失超部位；在检测出超导带材发生失超以后，通过设置的外部制冷装置对超导体失超部分进行制冷，避免磁体内部出现局部过高的温度和温度梯度，从而达到保护超导磁体的目的；通过采用布拉格光纤光栅传感器，可以克服现有技术中的一些缺陷，从而达到耐腐蚀、稳定性高；抗电磁干扰、不对被测对象产生电磁干扰；易于复用组网、实现多点测量；耐高压、绝缘强度高的有益效果。
50.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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。