一種多路快速精確測量的方法

一種多路快速精確測量的方法

1多通道超導(dǎo)體測試平臺測量超導(dǎo)體的基本性能是超導(dǎo)體研究的重要組成部分。新的超導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用研究離不開對超導(dǎo)體基本特性的測試。針對超導(dǎo)測量的特點(diǎn)和難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體的精確和多通道并行測量,根據(jù)現(xiàn)有儀器的特性,搭建了多通道超導(dǎo)測試平臺。該測試平臺基于虛擬儀器技術(shù),實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)多測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時監(jiān)控,能夠快速直觀地給出測量結(jié)果。虛擬儀器的引入,可使用戶根據(jù)實(shí)際測試需要,以較短的時間和較低的成本開發(fā)測試系統(tǒng)2多通道超導(dǎo)設(shè)備針對中國電力科學(xué)研究院電工研究所超導(dǎo)電力實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套多通道超導(dǎo)測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分,硬件系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)開關(guān)、數(shù)字萬用表、電源和低溫測量裝置構(gòu)成,軟件通過LabVIEW編程實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)測試系統(tǒng)的復(fù)雜功能,其中測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.1溫度、磁場等測試方式系統(tǒng)開關(guān)采用的是Keithley公司的3706型內(nèi)置高性能DMM的六槽系統(tǒng)開關(guān)和Agilent公司的34980A內(nèi)置高性能DMM的八槽系統(tǒng)開關(guān),完成通道的切換,并實(shí)現(xiàn)溫度、磁場等測試功能數(shù)字萬用表采用Keithley2182A型納伏表和2000型萬用表,與3706通過GPIB總線級聯(lián),在測試中分時復(fù)用,實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)電壓電流信號的監(jiān)測電源采用的是120A/6V和500A/20V磁體電源,分別采用USB接口和RS-232串行通信方式,用來給超導(dǎo)體通流和給背景磁場供電。電流值大小由Keithley2000監(jiān)測串聯(lián)的分流器得到。低溫測量裝置可根據(jù)實(shí)際測試的需要自行設(shè)計(jì)選擇。計(jì)算機(jī)在LabVIEW環(huán)境下,集成測試所需儀器,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、完成測試任務(wù)。2.2數(shù)據(jù)采集和查詢過程本系統(tǒng)在LabVIEW8.2環(huán)境下,開發(fā)了一套實(shí)時采集與監(jiān)控系統(tǒng),采用模塊化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了初始配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存及數(shù)據(jù)查詢的功能在進(jìn)行測試時,第一步要進(jìn)行初始配置。包括儀器的測量范圍、速率、精度,電源的升流速度等的參數(shù)設(shè)置。同時,還可以對被測樣本的長度,測量次數(shù)進(jìn)行設(shè)置。第二步進(jìn)入數(shù)據(jù)采集的過程。調(diào)用數(shù)據(jù)采集的子VI,控制開關(guān)通道的切換,循環(huán)檢測所有通道,將測量數(shù)據(jù)分析處理后,分別生成各組波形,同時進(jìn)行數(shù)據(jù)保存的操作。為了方便保存和查詢數(shù)據(jù),本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫操作,并選用通用的Access數(shù)據(jù)庫來保存數(shù)據(jù)。每一次開始采集前,依據(jù)輸入表名,在數(shù)據(jù)庫中建立新表,將每一組測量數(shù)據(jù)格式化后存入所建新表中。在數(shù)據(jù)采集完畢之后,第三步可選數(shù)據(jù)查詢的操作?？梢园凑账付ǖ谋砻蜏y試量,查詢歷史數(shù)據(jù)波形,同時數(shù)據(jù)以電子表格形式顯示在界面上。由于數(shù)據(jù)采集、波形生成、數(shù)據(jù)處理都是由軟件完成的,因此可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的需要,修改或增加實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法。3帶材臨界電流特性的測試應(yīng)用超導(dǎo)多通道測試系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場完成了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn),限于篇幅,這里僅以降壓降溫情況下的高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性的測試為例。在此測試系統(tǒng)下,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)帶材在不同磁場、不同溫區(qū)的臨界電流特性測試,同時對電流引線的熱損耗問題進(jìn)行監(jiān)測,以驗(yàn)證超導(dǎo)多通道測試系統(tǒng)的可行性。3.1多點(diǎn)臨界電流特性的測試和溫度監(jiān)控利用真空機(jī)組對低溫杜瓦抽真空,獲得69K~77K的超導(dǎo)帶材測試溫度區(qū)間。到達(dá)預(yù)期溫度后,通過LabVIEW測試平臺,控制磁體電源給背景磁場的磁體線圈通入一定直流電流,然后在給定溫度和背景磁場下,控制超導(dǎo)直流電源,給高溫超導(dǎo)帶材通流,經(jīng)測試通道的切換,完成對多點(diǎn)臨界電流特性的測試和溫度的監(jiān)控。3.2溫度信號的精確測量在低溫測量裝置的杜瓦中,安放了一個提供背景磁場的鐵芯線圈磁體,一個可以旋轉(zhuǎn)的超導(dǎo)帶材樣本架,一對電流引線,如圖3所示。由于此試驗(yàn)主要用來準(zhǔn)確測量高溫超導(dǎo)帶材臨界電流和電流引線的熱損耗問題,因此溫度的準(zhǔn)確性對試驗(yàn)很重要。試驗(yàn)中采用經(jīng)過標(biāo)定的兩組銠鐵電阻溫度計(jì)作為參考溫度,選用另外18組PT100鉑電阻溫度探頭為輔助溫度信號來實(shí)現(xiàn)對溫度的精確測量,溫度計(jì)的分布如圖3所示。另外,在超導(dǎo)帶材上分布了兩組電壓信號來測量超導(dǎo)失超電壓,在杜瓦外分布了兩組電流信號監(jiān)測超導(dǎo)帶材和背景磁場的電流情況。為了提高采集速度,區(qū)分測量,用Agilent34980A來完成對溫度的測量,用Keithley系列來完成電壓電流的測量。3.3電源的控制與數(shù)據(jù)采集由于采集數(shù)據(jù)量很多,為了方便數(shù)據(jù)能夠快速讀取分析,采用生產(chǎn)-消費(fèi)的隊(duì)列結(jié)構(gòu),這樣數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)分析可以同時進(jìn)行、縮短測量時間。綜合考慮采集速度和精度的問題,U1和U2由Keithley2182A采用中速測量。T01和T02由Agilent34980A四線法測得電阻,再通過程序中的子VI(CER10098和CER10099)查詢銠鐵電阻溫度計(jì)的分度表,轉(zhuǎn)換得到溫度。T1~T18使用其內(nèi)置四線RTDs功能直接轉(zhuǎn)換為溫度。在開始采集數(shù)據(jù)后,在生產(chǎn)者循環(huán)中,通過控制系統(tǒng)開關(guān),將檢測到的23組數(shù)據(jù)存入二維數(shù)組,并送入隊(duì)列;在消費(fèi)者循環(huán)中,從隊(duì)列中取出數(shù)組,檢索各個數(shù)據(jù),實(shí)時生成波形,同時與測量時間一并格式化寫入數(shù)據(jù)庫。在整個數(shù)據(jù)采集的過程中,電源的控制獨(dú)立于生產(chǎn)-消費(fèi)的隊(duì)列循環(huán),采用事件結(jié)構(gòu)。通過MAX、MID、ZERO控制鍵的狀態(tài)變化來觸發(fā)事件,這樣就可以根據(jù)實(shí)際需要,實(shí)時自主控制電源從而實(shí)現(xiàn)電流的升降。在采集完成后,停止采集控制鍵狀態(tài)變?yōu)檎?系統(tǒng)不僅退出隊(duì)列,停止數(shù)據(jù)采集過程,同時觸發(fā)電流下降至零的事件,自動將電源的電流按最大速度快速下降至零,這樣就可以保護(hù)超導(dǎo)帶材不被燒壞,同時也簡化操作.此系統(tǒng)中,需要監(jiān)測1組背景磁場電流,兩組3.4臨界電流特性曲線用此測試系統(tǒng),對美國超能公司(Superpower)生產(chǎn)的YBCO涂層導(dǎo)體帶材在溫度、背景磁場等因素所共同影響下的臨界電流特性進(jìn)行了測量。圖6是YBCO高溫超導(dǎo)帶材在77K和69K下不同的臨界電流特性曲線,圖7是降溫過程。由圖可知,在零場下,77K時YBCO帶材的臨界電流是102A,而69K時是180A。隨著溫度降低,臨界電流變大。69K時YBCO超導(dǎo)帶材的臨界電流值約是77K時的1.8倍。在減壓降溫的過程中,隨著低溫杜瓦內(nèi)液氮的不斷增多,帶材和吊桿上檢測的12組溫度從下往上呈先后下降至77K的變化趨勢。在超導(dǎo)多通道測試系統(tǒng)下所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中,臨界電流的測量值符合理論變化,溫度監(jiān)控準(zhǔn)確無誤,證明測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理準(zhǔn)確,能夠滿足實(shí)際測試的需求。4測試系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)本文介紹了基于計(jì)算機(jī)、Keithley系列儀器、Agilent儀器及磁體電源等建立的多通道超導(dǎo)測試系統(tǒng)。在實(shí)際測量中,完成了對超導(dǎo)帶材、線圈等的多項(xiàng)測試,獲得了大量可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),