一种超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统，提供有效的多信号多通道高速同步监测，确保实验过程中各种实验信号得到有效监测和处理。本系统能够监测包括超导材料的电压、电流、温度以及主动失超触发信号等超导实验关键信号，并进行处理、图形显示和存储。系统维护简单，方便升级扩展，软硬件均具有很大的灵活性，测量信号精度高、范围广、同步性，硬件设备和软件成熟。其核心是利用高速同步采集硬件设备采集仪器输出的模拟信号，结合计算机软件进行高速处理，并生成控制信号控制实验部分电路，实现保护和控制。

A high speed synchronous acquisition and protection control system of quench signal in superconducting experiment

【技术实现步骤摘要】
一种超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统
本技术涉及超导实验
，尤其是涉及一种超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统。
技术介绍
超导态指材料在特定温度下呈现电阻为零的状态。零电阻、完全抗磁性是超导体的两个重要的基本属性。超导体电阻转变为零的温度，称为超导材料的临界温度。由超导材料组建的电网理论上能消除所有损耗，大幅降低发电需求。超导材料绕制的磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机，让其效率更上一个台阶。超导量子干涉仪(SQUID)利用包含约瑟夫森结的超导线圈提供了一种灵敏度极高的磁场测量手段。核磁共振成像仪内部使用超导磁体能获得更稳定更强大的磁场，有效增强其分辨率。基础科学研究领域，超导磁体已经应用于欧洲的大型强子对撞机项目，帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。手机和无线网络的普及造成环境中电磁讯号极度复杂化，许多通讯装置和气象观测机受到干扰，超导滤波器有很强的滤波能力，能使这些旧型装置重新发挥功能。超导材料用于磁浮列车是应用超导界的圣杯，由于超导体天然的抗磁性，不用任何机械设计，理论上能建造极度廉价却又超过飞机速度的列车，永远改变人类的生活方式。国际热核聚变实验反应堆(ITER)的核心部件正是由超导材料绕制的一些列复杂磁体。可以预见，超导技术将会是引领人类未来发展的一项关键技术。高温超导体通常是指在液氮温度(77K)以上超导的材料。1911年超导体被发现的时候，其神奇的零电阻，反磁性和量子隧道效应吸引了大批科学家的关注。但此后长达70年的时间内发现的超导体都只是在极低温(23K)下才显出超导特性，其应用受到了极大的限制。高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料，通常可以在廉价的液氮(77K)制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧(YBCO)和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。超导材料在强电上的应用，要求高温超导体必须被加工成包含有超导体和金属的复合多丝线材或带材等具有一定力学机械强度和柔韧性的结构。但上述的陶瓷高温超导体本身是很脆的，无法制成细的线材。在众多的超导陶瓷线材的制备方法中，铋系陶瓷粉体银套管轧制法是最成熟并且比较理想的方法。而压制出铋系带材的临界电流密度比通过滚轧技术制备出带材的临界电流密度要高得多。由于高温超导带材的复合材料特性，以及超导实验处于极低温、大电流、强电磁场的干扰、失超快等极端条件的特点，实验检测手段尙匮乏，实验平台也不成熟。超导态的形成与外部环境直接相关，存在临界温度Tc、临界电流Ic、临界磁场Hc，超过某一阈值超导特性随即消失，变成常导体(即“失超”)，最新研究表明其内部应力状态也会影响超导态的形成。实际上超导结构的力学分析，就是极端低温、强电磁场、强应力场相互耦合作用的问题。在大载流和高磁场作用下，高强度的电磁力作用会使超导电缆的超导临界电流和温度发生显著的退化，甚至发生超导纤丝的断裂和破坏。电磁场的突变形成的涡流，随即发热导致冷却剂蒸发，结构压力过大，可能导致临界电流退化、失超，引起事故。本专利正是针对超导实验过程中的特点，针对核心物理信号进行信号采集处理集成，提出一种有效的监测控制模式，搭建实验平台。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本技术提供一种超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统，包括计算机、高速同步输入输出设备、弱电回路、强电回路和仪器采集模块，所述计算机与高速同步输入输出设备相连，所述高速同步输入输出设备是高速同步采集卡，弱电回路由低压开关电源、固态继电器、接触器、应急开关用电缆串接组成，所述高速同步采集卡与固态继电器相连，采集卡获取计算机的命令后以布尔信号输入固态继电器中，从而实现计算机控制弱电回路通断的作用；强电回路由接触器、超导电源、实验部分通过大载流的电缆串接而成，接触器实现弱电回路与强电回路的联系，从而实现计算机控制强电回路的通断；所述实验部分与仪器采集模块相连，仪器采集模块与高速同步采集卡相连，利用仪器自带的模拟信号输出口接入采集卡，实现计算机的同步采集。优选地，所述强电回路还串接有应急开关。优选地，所述计算机与高速同步输入输出设备之间通过USB、以太网、WIFI、GPIB高速串行或并行连接。优选地，采集卡获取仪器模拟信号输出口提供的标准模拟信号，其内部进行高效的数模转换后输出给计算机进行处理；同时，采集卡获取计算机的命令后会将以布尔信号输入固态继电器中，从而实现计算机控制弱电回路通断的作用。优选地，所述应急开关为常闭型，紧急情况下按住后接触点弹起，实现弱电回路通断，弱电回路开路后，导致接触器电磁铁失效，接触点弹开，从而实现强电回路的开路。优选地，实验部分将进行超导材料相关的电学、力学、热学、磁学等试验，所产生的各种物料信号将有各种采集仪器采集处理。优选地，所述仪器采集模块包括纳伏表、温度仪、电流传感器、热触发电源。优选地，所述系统还包括报警模块，采集卡将所有设备的信号进行实时采集，在计算机屏幕生成波形图，并利用计算机进行声光报警，当某一信号超过给定阈值，计算机屏幕将会提示相应提醒，并伴随警报蜂鸣声，提醒实验人员注意。本专利提出了一种超导实验中快速采集失超信号并进行有效保护控制的系统，提供有效的多信号多通道高速同步监测，确保实验过程中各种实验信号得到有效监测和处理。本系统能够监测包括超导材料的电压、电流、温度以及主动失超触发信号等超导实验关键信号，并进行处理、图形显示和存储。系统维护简单，方便升级扩展，软硬件均具有很大的灵活性，测量信号精度高、范围广、同步性，硬件设备和软件成熟。其核心是利用高速同步采集硬件设备采集仪器输出的模拟信号，结合计算机软件进行高速处理，并生成控制信号控制实验部分电路，实现保护和控制。附图说明图1是本技术实施例的超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统的结构示意图。具体实施方式下面结合附图详细介绍本技术技术方案。原理说明：判断超导材料处于超导态的一般方法是测量其局部电阻值，测出超导材料局部的电压然后除以回路总电流即可得到。材料处于超导态时其电阻值非常微小，通常需要用到灵敏度极高的电压采集设备才能实现局部电压的有效测量，纳伏表是常用的设备。电流测量的精度通常要求并不高，0.1A的精度即可满足，常用的电工用电流表即可满足要求。通过欧姆定律即可实现电阻的间接测量。处于超导态时，由于电阻极其微小，材料能够承载非常大的电流而不产生明显的热量。然而超导态与常导态之间的转变非常迅速，如果承载大电流的超导材料突然由超导体转变为常导体，电阻急剧飙升，而承载电流不能及时切断，巨大的焦耳热将会使超导材料瞬间烧毁。所以，超导材料状态的监测对于超导实验来说是最基本的。一套有效的超导失超监测系统必须具有非常高速的信号采集和处理功能，同时对于硬件控制必须安全可靠。本专利正是基于以上需求而提出的一种超导实验测控系统。如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统，其特征在于，包括计算机、高速同步输入输出设备、弱电回路、强电回路和仪器采集模块，所述计算机与高速同步输入输出设备相连，所述高速同步输入输出设备是高速同步采集卡，弱电回路由低压开关电源、固态继电器、接触器、应急开关用电缆串接组成，所述高速同步采集卡与固态继电器相连，采集卡获取计算机的命令后以布尔信号输入固态继电器中，从而实现计算机控制弱电回路通断的作用；强电回路由接触器、超导电源、实验部分通过大载流的电缆串接而成，接触器实现弱电回路与强电回路的联系，从而实现计算机控制强电回路的通断；所述实验部分与仪器采集模块相连，仪器采集模块与高速同步采集卡相连，利用仪器自带的模拟信号输出口接入采集卡，实现计算机的同步采集。/n

【技术特征摘要】
1.一种超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统，其特征在于，包括计算机、高速同步输入输出设备、弱电回路、强电回路和仪器采集模块，所述计算机与高速同步输入输出设备相连，所述高速同步输入输出设备是高速同步采集卡，弱电回路由低压开关电源、固态继电器、接触器、应急开关用电缆串接组成，所述高速同步采集卡与固态继电器相连，采集卡获取计算机的命令后以布尔信号输入固态继电器中，从而实现计算机控制弱电回路通断的作用；强电回路由接触器、超导电源、实验部分通过大载流的电缆串接而成，接触器实现弱电回路与强电回路的联系，从而实现计算机控制强电回路的通断；所述实验部分与仪器采集模块相连，仪器采集模块与高速同步采集卡相连，利用仪器自带的模拟信号输出口接入采集卡，实现计算机的同步采集。


2.根据权利要求1所述的超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统，其特征在于，所述强电回路还串接有应急开关。


3.根据权利要求1所述的超导实验中失超信号高速同步采集与保护控制系统，其特征在于，所述计算机与高速同步输入输出设备之间通过USB、以太网、WIFI、GPIB高速串行或并行连接。


4.根据权利要求1所述的超导实...

【专利技术属性】
技术研发人员：王省哲，杨韬略，关明智，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：新型
国别省市：甘肃;62