小電容介質(zhì)損耗角的數(shù)字化測量研究
2019年06月04日 22:19
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湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃
項(xiàng) 目 申 報(bào) 表
項(xiàng)目名稱:
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學(xué)校名稱
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長沙理工大學(xué)
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學(xué)生姓名
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學(xué) 號
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專 業(yè)
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性 別
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入 學(xué) 年 份
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吳錦霖
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201555110116
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電子科學(xué)與技術(shù)
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男
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2015
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郭富林
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201555110118
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電子科學(xué)與技術(shù)
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男
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2015
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羅佳輝
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201555110112
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電子科學(xué)與技術(shù)
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男
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2015
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唐愷
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201555110106
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電子科學(xué)與技術(shù)
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男
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2015
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指導(dǎo)教師
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鄧小清、賀慧勇
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職稱
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教授 教授
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項(xiàng)目所屬
一級學(xué)科
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理科
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項(xiàng)目科類(理科/文科)
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理科
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學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況
1.在長沙理工大學(xué)的十一屆“物電杯”電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽中榮獲“天冠工匠獎”
2.參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室培訓(xùn)
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指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況
·賀慧勇
賀老師從教以來先后講授《EDA技術(shù)基礎(chǔ)》、《電子線路CAD》、《數(shù)學(xué)物理方法》等課程。獲校級教學(xué)成果二等獎一項(xiàng)，指導(dǎo)本科生參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽多次獲得全國一等獎。先后主持或參與國家和省級科研項(xiàng)目多項(xiàng)，其中參與國家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)（排名第三）。完成電力、機(jī)電、包裝和醫(yī)療電子等領(lǐng)域應(yīng)用研究項(xiàng)目和產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目多項(xiàng)，已授權(quán)并且在電力系統(tǒng)成功實(shí)施的專利2項(xiàng)（排名均為第二）。近三年發(fā)表研究論文6篇，其中SCI收錄3篇，EI收錄2篇。
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項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題
電容的介質(zhì)損耗是其阻抗特性的參數(shù)之一。在模電與電路課程中都有關(guān)于阻抗相關(guān)的理論知識。本項(xiàng)目將從書本上的理論知識出發(fā)，結(jié)合實(shí)際測量方法，設(shè)計(jì)具體的電路，研究小電容在交流激勵下的介質(zhì)損耗特性。
由于小電容在低頻交流激勵下的阻抗很大，微弱的電流干擾都可以形成巨大的噪聲電壓，影響測量結(jié)果。而較高的激勵頻率會導(dǎo)致信號處理電路的成本與制作難度增加，對于電路的布局布線要求也成倍提高，同樣不適用于小電容的介質(zhì)損耗測量。設(shè)計(jì)與制作小電容交流激勵下的介質(zhì)損耗測量電路首先要提高電路的抗噪聲指標(biāo)，其次由于測量對象的介質(zhì)損耗值較小，對于測量精度也有較高的要求。
傳統(tǒng)阻抗測量使用的方法，大多是手動調(diào)節(jié)的模擬電橋法，其自動化程度與實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性較差。使用數(shù)字式測量方法，可以大幅提高介質(zhì)損耗測量的自動化程度和實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性，并且能較好的體現(xiàn)結(jié)果。
本項(xiàng)目將結(jié)合電路理論和單片機(jī)數(shù)字系統(tǒng)知識，研究小電容介質(zhì)損耗參數(shù)的測量。最終將模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化，計(jì)算出小電容的介質(zhì)損耗角。
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國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
介電譜基本原理最早由德拜（荷蘭科學(xué)家）在1913年提出來的，被用于測定分子的偶極矩和研究液體及固體的結(jié)構(gòu)。國外從20世紀(jì)三十年代開始，介電譜分析技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室逐漸走向工業(yè)生產(chǎn)，對高聚物的開發(fā)和應(yīng)用起了一定的促進(jìn)作用。
介質(zhì)損耗測量儀主要分為兩大類：一類是基于電橋法的傳統(tǒng)測量儀器，通過調(diào)節(jié)各個(gè)橋臂的阻抗使電橋平衡來讀出被測對象的電容值和介質(zhì)損耗角。另一類是使用數(shù)字式半橋電路獲得被測對象的電壓、電流信息，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將測量結(jié)果變成數(shù)字量，輸入到微處理器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算得到介質(zhì)損耗角和電容值。
基于電橋原理的介質(zhì)損耗測量儀主要有安徽省電力研究所研制的“P5026M”型交流電橋，武漢聯(lián)欣電力技術(shù)有限公司研制的“QS97系列數(shù)字高壓電橋”等。這類基于電橋原理的介質(zhì)損耗測量儀大多操作復(fù)雜，自動化水平低，常常出現(xiàn)電橋無法平衡，測量誤差過大的問題。另外西林電橋是高壓電橋的一種，使用時(shí)需要高電壓接入橋臂兩端。當(dāng)測試電源具有較大的諧波干擾時(shí)，即使基波電壓已經(jīng)平衡，檢流計(jì)仍然不能指零。
隨著半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，開始慢慢出現(xiàn)數(shù)字式自動介質(zhì)損耗測量儀。其代表產(chǎn)品有，迪奧克電氣有限公司的“GWS—1 型光導(dǎo)微機(jī)介質(zhì)損耗測量儀”，武漢高壓所的“WG-25 微電腦異頻介質(zhì)損耗測量儀”等。數(shù)字式介質(zhì)損耗測量儀一般都具有量程廣，功能全，能自動測量并生成介質(zhì)損耗正切值與溫度的關(guān)系圖。在短時(shí)間內(nèi)，快速計(jì)算出 的陡升拐點(diǎn)溫度，其大多具有自動校正和補(bǔ)償功能，抗干擾能力強(qiáng)。
相較國內(nèi)的介質(zhì)損耗測量儀，國外的典型產(chǎn)品在性能上要略勝一籌。 國外介損測量儀的代表產(chǎn)品有：美國的 DELTA—2000 (10KV Automated Insulation Test Set)。其原理上屬于高壓流比器，裝置上集成了小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，智能化分析程度高；德國LEMKEDIAGNOSTICS公司的LDV-5型介質(zhì)損耗測量儀，儀器基于DSP芯片設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)10-400Hz頻率范圍內(nèi)的介損自動測量。儀器具有響應(yīng)速度快，測量范圍廣，智能化程度高的特點(diǎn)。
目前國內(nèi)生產(chǎn)的介質(zhì)損耗測量儀在測量的準(zhǔn)確性跟可靠性上都有了很大的進(jìn)步，但依然存在著許多的問題。例如在外界干擾較強(qiáng)時(shí)儀器的測量可重復(fù)性不佳，或者需要很長的測量時(shí)間，有時(shí)也會出現(xiàn)測試誤差大等問題。這些問題限制了其推廣使用。與國內(nèi)介質(zhì)損耗測量儀相比，國外的相對來說更加成熟，測量更加準(zhǔn)確，抗干擾能力更強(qiáng)，然而價(jià)位也比較高。針對當(dāng)前存在著許多實(shí)際的問題，數(shù)字式自動介質(zhì)損耗測試儀還有很長的路要走，需要不斷的完善與發(fā)展。對介質(zhì)損耗因數(shù)測量技術(shù)的研究主要集中在對檢測方法的改善上。
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本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績
團(tuán)隊(duì)成員均已深入學(xué)習(xí)51單片機(jī)及常用外設(shè)，而且有組員在進(jìn)行stm32單片機(jī)的學(xué)習(xí)，熟悉單片機(jī)編程和部分底層驅(qū)動程序的編寫。大部分接受過物電實(shí)驗(yàn)室培訓(xùn)，對焊接、常用實(shí)驗(yàn)儀器等十分熟悉，且長期在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，有過一些芯片的使用經(jīng)驗(yàn)。
有較好的理論功底，能計(jì)算交流頻率下的電容阻抗和相位角。
查閱了大量的關(guān)于絕緣介質(zhì)損耗測量的文獻(xiàn)。
曾做過單片機(jī)簡易波形發(fā)生器，參加物電杯電子設(shè)計(jì)比賽。
熟悉Multisim,TINA仿真軟件的模擬電路分析。
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項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色
電路具有一定的抗噪聲能力
測量電路小型化
較高的介質(zhì)損耗測量精度
模擬信號數(shù)字化處理
立足基礎(chǔ)理論的實(shí)際問題探索研究
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項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果
1、 分析介質(zhì)損耗測量的基本原理
結(jié)合理論知識，查找相關(guān)論文資料，確定初步的小電容介質(zhì)損耗測量模型。
2、 調(diào)研并提出測量方法
總結(jié)測量方法，對部分的測量方法進(jìn)行仿真論證，總結(jié)之前得到的結(jié)果，并結(jié)合測量模型提出電路設(shè)計(jì)方案。
3、 電路方案論證
搭建仿真電路圖，進(jìn)行仿真論證，記錄各項(xiàng)仿真數(shù)據(jù)。
4、 進(jìn)行硬件電路與軟件流程的設(shè)計(jì)
根據(jù)提出的方案繪制原理圖，打樣PCB板，并編寫測試軟件。
5、 調(diào)試電路與軟件
焊接電路，加載測試程序，進(jìn)行通電檢測觀察是否正常工作。
6、 測量結(jié)果與分析
實(shí)測電路的各項(xiàng)指標(biāo)，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)結(jié)果修改電路參數(shù)，使電路達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。將最終結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)電橋測量結(jié)果進(jìn)行比對，分析誤差原因。
預(yù)期成果：
實(shí)現(xiàn)小電容的介質(zhì)損耗數(shù)字測量電路設(shè)計(jì)
分析測量結(jié)果，并做測試報(bào)告。
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年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）
年度目標(biāo)和工作內(nèi)容
2016/12-2017/2
① 完成模型阻抗模型的建立與基本測量原理的研究； ② 調(diào)研小電容介質(zhì)損耗測量的現(xiàn)狀，明確當(dāng)前國內(nèi)小電容介質(zhì)損耗測量儀器的不足之處。并對調(diào)研的結(jié)果做分析； ③針對前期研究學(xué)習(xí)結(jié)果，明確電路功能，性能指標(biāo)，抗干擾能力。
2017/3-2017/5
① 調(diào)研可行的測試方法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，明確主體設(shè)計(jì)思路，制定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案； ②各單元電路的設(shè)計(jì)，制作，調(diào)試； ③完成各單元電路的級聯(lián)，并進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路初步調(diào)試。
2017/6-2017/9
① 根據(jù)功能性能要求與硬件電路，明確軟件系統(tǒng)的功能，將軟件分成若干個(gè)相對獨(dú)立的模塊，并根據(jù)他們之間的聯(lián)系和時(shí)間上的關(guān)系，設(shè)計(jì)出合理的軟件總體結(jié)構(gòu)；
② 完成各個(gè)軟件模塊的程序編寫，編譯和調(diào)試，最后將所有模塊進(jìn)行定位連接，形成完整程序；
③ 進(jìn)行軟件與硬件的聯(lián)合調(diào)試。
2017/10-2017/12
① 進(jìn)行電路的測試，根據(jù)前期確定的各項(xiàng)功能性能要求，進(jìn)行逐項(xiàng)測試； ②對電路進(jìn)行改進(jìn)； ③完成結(jié)題報(bào)告。
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指導(dǎo)教師意見
簽字： 日期：
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注：本表欄空不夠可另附紙張
