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《重庆大学》 2017年
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非线性固态元件测量电场研究

金成  
【摘要】:科技进步给生活带来便利的同时,也引起了能源危机的加剧,为此能源结构转型被各国加快提上日程。作为能源结构的关键环节,电网输能也需要进行相应的调整。利用先进的传感器技术对电网进行监测,为电网优化和用电安全监测提供技术支持,而电网关键节点的电场分布是电网监测的关键参数之一。除此之外,电场传感器在科学研究、生产生活、太空航行等方面也占据重要地位。自从1837年,来自英国的物理学家法拉第提出了电场的概念后,对电场测量的探索就没有停止过。按照测量原理可以把电场传感器分为光学式和感应式两大类。光学式电场传感器成本较高,且受环境温度以及飘移电荷的影响较大。感应式电场传感器中的机械式电场传感器由于机械结构的存在,需要驱动功耗,并会由于机械振动引入额外的误差。以变容二极管、多层陶瓷、MOSFET等为探头的固态电场传感器有体积小、结构简单、阻抗高等优点,然而由于这些固态电场传感器没有工作在谐振状态,测量精度不高。本文研究利用变容二极管的C-V特性以及其中PN结在电场中的电荷感应效应,结合张驰振荡电路线性调频和脉冲均值型数字鉴频方法,用变容二极管作为探头测量电场的原理和实现方法。本文的研究工作有:1、分析变容二极管的等效电路,并探讨变容二极管的优值Q、变容比CR与等效电路参数之间的关系。研究变容二极管的C-V特性,并给出其C-V关系通式,通过公式推导验证了利用变容二极管测量电场的可行性。2、介绍压控振荡电路的原理,设计测量电路。分析FM振荡信号鉴频方法的原理,利用软件编程实现脉冲均值型数字解调。研究电场测量的实验平台的构建方法和电磁屏蔽原理,设计电场发生装置和屏蔽箱。3、搭建了电场测量实验平台,实验测试变容二极管1SV149的C-V特性以及不同电场强度的工频电场环境下的电场测量结果,验证了电场测量方案的可行性,并分析了影响传感器稳定性的因素。实验结果表明:本文中设计的电场传感器只需一个1cm*1cm*0.2cm的变容二极管作为探头放置在被测电场中,就能够同时对被测电场的频率与幅值进行测量,且幅值测量误差低于0.23kV/m,频率测量误差低于0.1Hz。对于文中设计的电场传感器,预计它能够测量的电场幅值范围可以达到3~150kV/m,频率范围可以达到10~100Hz。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM937

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