學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業(yè)

性 別

入 學 年 份

吳錦霖

201555110116

電子科學與技術

男

2015

郭富林

201555110118

電子科學與技術

男

2015

羅佳輝

201555110112

電子科學與技術

男

2015

唐愷

201555110106

電子科學與技術

男

2015

指導教師

鄧小清、賀慧勇

職稱

教授  教授

項目所屬

一級學科

理科

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經參與科研的情況

    1.在長沙理工大學的十一屆“物電杯”電子設計創(chuàng)新大賽中榮獲“天冠工匠獎”

    2.參與創(chuàng)新實驗室培訓

指導教師承擔科研課題情況

  ·賀慧勇

    賀老師從教以來先后講授《EDA技術基礎》、《電子線路CAD》、《數學物理方法》等課程。獲校級教學成果二等獎一項，指導本科生參加大學生電子設計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目多項，其中參與國家“十一五”科技支撐計劃項目1項（排名第三）。完成電力、機電、包裝和醫(yī)療電子等領域應用研究項目和產品開發(fā)項目多項，已授權并且在電力系統(tǒng)成功實施的專利2項（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。

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

電容的介質損耗是其阻抗特性的參數之一。在模電與電路課程中都有關于阻抗相關的理論知識。本項目將從書本上的理論知識出發(fā)，結合實際測量方法，設計具體的電路，研究小電容在交流激勵下的介質損耗特性。

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，影響測量結果。而較高的激勵頻率會導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損耗測量。設計與制作小電容交流激勵下的介質損耗測量電路首先要提高電路的抗噪聲指標，其次由于測量對象的介質損耗值較小，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，大多是手動調節(jié)的模擬電橋法，其自動化程度與實驗可重復性較差。使用數字式測量方法，可以大幅提高介質損耗測量的自動化程度和實驗可重復性，并且能較好的體現(xiàn)結果。

本項目將結合電路理論和單片機數字系統(tǒng)知識，研究小電容介質損耗參數的測量。最終將模擬數據數字化，計算出小電容的介質損耗角。

國內外研究現(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構。國外從20世紀三十年代開始，介電譜分析技術從實驗室逐漸走向工業(yè)生產，對高聚物的開發(fā)和應用起了一定的促進作用。

介質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，通過調節(jié)各個橋臂的阻抗使電橋平衡來讀出被測對象的電容值和介質損耗角。另一類是使用數字式半橋電路獲得被測對象的電壓、電流信息，利用模數轉換芯片將測量結果變成數字量，輸入到微處理器進行數學運算得到介質損耗角和電容值。

基于電橋原理的介質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)欣電力技術有限公司研制的“QS97系列數字高壓電橋”等。這類基于電橋原理的介質損耗測量儀大多操作復雜，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，使用時需要高電壓接入橋臂兩端。當測試電源具有較大的諧波干擾時，即使基波電壓已經平衡，檢流計仍然不能指零。

隨著半導體和微電子技術的迅速發(fā)展，開始慢慢出現(xiàn)數字式自動介質損耗測量儀。其代表產品有，迪奧克電氣有限公司的“GWS—1 型光導微機介質損耗測量儀”，武漢高壓所的“WG-25 微電腦異頻介質損耗測量儀”等。數字式介質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損耗正切值與溫度的關系圖。在短時間內，快速計算出 的陡升拐點溫度，其大多具有自動校正和補償功能，抗干擾能力強。

相較國內的介質損耗測量儀，國外的典型產品在性能上要略勝一籌。 國外介損測量儀的代表產品有：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算機系統(tǒng)，智能化分析程度高；德國LEMKEDIAGNOSTICS公司的LDV-5型介質損耗測量儀，儀器基于DSP芯片設計，能實現(xiàn)10-400Hz頻率范圍內的介損自動測量。儀器具有響應速度快，測量范圍廣，智能化程度高的特點。

目前國內生產的介質損耗測量儀在測量的準確性跟可靠性上都有了很大的進步，但依然存在著許多的問題。例如在外界干擾較強時儀器的測量可重復性不佳，或者需要很長的測量時間，有時也會出現(xiàn)測試誤差大等問題。這些問題限制了其推廣使用。與國內介質損耗測量儀相比，國外的相對來說更加成熟，測量更加準確，抗干擾能力更強，然而價位也比較高。針對當前存在著許多實際的問題，數字式自動介質損耗測試儀還有很長的路要走，需要不斷的完善與發(fā)展。對介質損耗因數測量技術的研究主要集中在對檢測方法的改善上。

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

    團隊成員均已深入學習51單片機及常用外設，而且有組員在進行stm32單片機的學習，熟悉單片機編程和部分底層驅動程序的編寫。大部分接受過物電實驗室培訓，對焊接、常用實驗儀器等十分熟悉，且長期在實驗室學習，有過一些芯片的使用經驗。

有較好的理論功底，能計算交流頻率下的電容阻抗和相位角。

    查閱了大量的關于絕緣介質損耗測量的文獻。

    曾做過單片機簡易波形發(fā)生器，參加物電杯電子設計比賽。

    熟悉Multisim,TINA仿真軟件的模擬電路分析。

項目的創(chuàng)新點和特色

    電路具有一定的抗噪聲能力

    測量電路小型化

    較高的介質損耗測量精度

    模擬信號數字化處理

    立足基礎理論的實際問題探索研究

項目的技術路線及預期成果

1、 分析介質損耗測量的基本原理

結合理論知識，查找相關論文資料，確定初步的小電容介質損耗測量模型。

2、 調研并提出測量方法

總結測量方法，對部分的測量方法進行仿真論證，總結之前得到的結果，并結合測量模型提出電路設計方案。

3、 電路方案論證

搭建仿真電路圖，進行仿真論證，記錄各項仿真數據。

4、 進行硬件電路與軟件流程的設計

根據提出的方案繪制原理圖，打樣PCB板，并編寫測試軟件。

5、 調試電路與軟件

焊接電路，加載測試程序，進行通電檢測觀察是否正常工作。

6、 測量結果與分析

實測電路的各項指標，與仿真結果進行比較。根據結果修改電路參數，使電路達到預期指標。將最終結果與標準電橋測量結果進行比對，分析誤差原因。

預期成果：

實現(xiàn)小電容的介質損耗數字測量電路設計

分析測量結果，并做測試報告。

年度目標和工作內容（分年度寫）

年度目標和工作內容

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 調研小電容介質損耗測量的現(xiàn)狀，明確當前國內小電容介質損耗測量儀器的不足之處。并對調研的結果做分析；  ③針對前期研究學習結果，明確電路功能，性能指標，抗干擾能力。

2017/3-2017/5

① 調研可行的測試方法與系統(tǒng)設計方案，明確主體設計思路，制定系統(tǒng)設計方案；  ②各單元電路的設計，制作，調試；  ③完成各單元電路的級聯(lián)，并進行系統(tǒng)硬件電路初步調試。

2017/6-2017/9

① 根據功能性能要求與硬件電路，明確軟件系統(tǒng)的功能，將軟件分成若干個相對獨立的模塊，并根據他們之間的聯(lián)系和時間上的關系，設計出合理的軟件總體結構；

②  完成各個軟件模塊的程序編寫，編譯和調試，最后將所有模塊進行定位連接，形成完整程序；

③  進行軟件與硬件的聯(lián)合調試。

2017/10-2017/12

① 進行電路的測試，根據前期確定的各項功能性能要求，進行逐項測試；  ②對電路進行改進；  ③完成結題報告。

指導教師意見

簽字：                   日期：