哈尔滨理工大学大学生创新创业训练计划申请书－沉涛2

哈尔滨理工大学大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目申 请 书项目名称 用于测量液体介质电场分 布的光电测试系统的研制 学生所在单位 应用科学学院 申报单位 应用科学学院 项目负责人 李家普 起止年限 2012 年 5 月至 2013 年 12 月教务处 二一二年制填 表 说 明一、本表请如实填写，表达明确严谨。所需签字之处，由相应人员亲笔签名。如有弄虚作假现象，一经核实，将按照撤项处理。二、所列各项内容不能简单标注“见附件” ，否则视为不合格；创业实践项目必须有校外导师，需填写校外导师相关信息并由校外导师在相应栏目签字。三、电子版填表字体用小四号宋体，1.5 倍行距，申请书报送一式 3 份。要求统一用 A4 纸双面印制、装订，所附材料用小四号宋体打印，附于申请书后。四、各学院要统一组织申报，对申报的项目集中进行初评，确定最终申报名单，并以学院为单位上报到教务处，相关学院相关负责人均需在申请表上签字。项目名称 用于测量液体介质电场分布的光电测试系统的研制项目类型 创新训练项目申请经费 1.5 万元起止时间 2012 年 5 月 至 2013 年 12 月姓名 学号 年级 所属学院及专业 联系电话 E-mail李家普 1007040218 2010 应用科学学院光信息科学与技术1363827626仲涛 1007070210 2010 应用科学学院 微电子学332333701杨振宇 1007040219 2010 应用科学学院光信息科学与技术531981039申 请 团 队姓名 沈涛 职务 /职称 系副主任/副教授电话 04518639086713159864341 E-mail 指 导 教 师工作 单位 哈尔滨理工大学应用科学学院姓名 职务/职称电话 E-mail企 业 指 导 教 师 工作单位4一、立项依据（研究目的、意义,国内外研究现状及发展动态）介质电性理论中一个关键性的参数是介质中的电场，介质材料的各种电气物性都与之密切相关，有效地测量出介质中的电场分布对介质物理的发展和介质材料的开发应用都有不可言喻的价值。如果介质是理想的，则可根据电极系统的几何形状计算体内电场，实际介质往往因各种各样的原因，形成体内空间电荷，使电场分布发生畸变。空间电荷的形成和运动以及与电极材料等外界条件的关系在物理上难于明确的表达清楚，电荷电场之间因果的自洽特性，也使数学处理尤其困难。因此，利用实验方法测量出介质中的电场分布是非常有应用价值的课题。相对来说，固体介质的研究较为广泛和活跃，这与固体介质的开发应用有着不解之缘，先后采用的方法有切片法、电子束法、热脉冲法、激光光强调制法、压力波传输法、电声脉冲法、热刺激电流法、表面电位法、光谱分析法、光刺激电流法等，多数方法国内外研究保持着同步的发展水平。液体介质材料的应用范围和量都很大，而其电场分布的研究显得比较薄弱，国外先后提出了探针法、纹影法和克尔效应法。利用静电感应原理的探针法，可以深入液体内部测量电极间各位置点上的电势，假如测得的电势分布是连续光滑的，则求导可得出电场分布，遗憾的是探针本身引起的干扰，常带来不可补救的极大的误差，使测量无效，故这一方法已不太有人应用。纹影法的基础是介质的折射率、介质参数和密度为温度的函数。如在电极间的介质中有一个温度梯度，外施电压使温度梯度的变化将以折射率的变化反映出来，通过测量透明液体介质中的电场分布。纹影法应用的障碍是难以在液体介质中建立一个可以人为控制的温度梯度，并对之进行精确的计量，故难于实现真正的应用。5克尔效应指的是各向同性的透明介质材料在外施高电压下表现出来的光学上的各向异性，即平行和垂直于电场方向的折射率之差正比于电场强度的平方，光通过外施电压的介质后因相位差而产生光强分布，由此可推算电场分布。一般克尔效应测量要求液体介质中有大的克尔效应，然而已知的介质中克尔常数大的不多，主要有硝基苯（克尔常数10 -12m/V2数量级）和氯代联苯（克尔常数10 -13m/V2数量级）几种。对克尔常数较小的介质，如高纯水（10 -14m/V2数量级）则必须把电压加到很高或把电极加长到1米以上。外加电压受液体介质击穿场强的限制而不可能过高；加长电极可使克尔效应明显，但同时光路吸收增加、干扰加剧、信号变弱，需改用大功率光源，而大功率光源向介质的入射会在测量过程中加热液体而使测量失败。克尔常数更小的液体介质，如变压器油（10 -15m/V2数量级）电极要加长到5米以上，才有从理论上讲的明显的克尔效应，考虑到吸收和干扰等因素，这种加长电极的方式达不到实用。很长时间以来，人们一直以为克尔效应法仅仅适用于几种克尔常数大的液体，直到瑞典的Torne和Gafvert首次提出改进的克尔效应法，把测量范围拓展到了变压器油。由于克尔常数较小的液体介质被广泛用于变压器、断路器、电力电容器等电气设备中，故研究这些克尔常数较小的液体介质中的电场分布十分必要。目前，国际上用精度高、响应快、且对被测电场无干扰的克尔电光效应测量系统研究介质中的电场和空间电荷分布，但大部分只针对稳态而少有对动态情况研究，国内这一领域的研究更是几乎没有真正的实用化。虽然国内有学者用性能相对较好的CCPD传感器作光电转换和接收装置，实现了对克尔常数较大的液体介质(如硝基苯)中电场和空间电荷的动态测量，但自身灵敏度的限制使其不能动态测量克尔常数较小的液体介质电场和空间电荷分布。同时，国内的一些研究者提出用一种新型光电接收装置CCD 3000，对变压器油等克尔常数较小的液体介质实现了动态测量和实时采集，并对采集的光强信号进一步处理分析，同时验证了测量系统的可靠性，但其对外加电压的范围有较大的限制。因此，利用克尔效应，设计实用化的针对克尔常数较小的液体介质电场分布的测试系统，具有极大的应用价值，并且在该领域能够在一定程度上填补国内空白。6二、项目研究内容、研究目标,以及拟解决的关键技术问题1、项目研究内容（1）利用克尔效应，设计建立液体介质中电场分布的测量系统，设法提高测量灵敏度，有效地测量出变压器油等克尔常数小的液体介质中的电场分布，使测量方法达到实用化的先进水平；（2）对克尔常数大的硝基苯和克尔常数小的变压器油等液体介质进行一系列的实验测量和理论分析，解释相应的电场分布。2、项目研究目标（1）建立基于克尔效应的利用激光器对变压器油中电场分布的测量系统；（2）实现短电极长度、高测量灵敏度的低克尔常数液体介质电场分布测量系统；（3）理论分析推导出投射光强分布与电场分布的关系，并解释之。3、项目拟解决的关键技术问题（1）系统光源强度、稳定性问题；（2）克尔池制作样式问题；（3）电极材料、长度以及加载方式问题；（4）系统测量灵敏度提高问题；（5）系统光路设计问题；（6）实验环境适应性问题；（7）光强接收与转化装置问题；（8）光强与场强换算准确性问题。7三、研究方案、技术路线1、项目研究方案（1）信号光强与电场分布之间关系的理论研究利用光强与灰度的关系，推导得到光强与电场强度的关系，利用相应自主研发的软件完成电场分布的准确模拟。（2）克尔常数小的液体介质中电场分布测量系统的设计研究通过将电光克尔效应和计算机断层扫描原理相结合，建立起变压器油等克尔常数小的液体介质中电场分布的测量系统，进而实现对这类液体介质电场的测量。综合考虑信号电压、设计制作新型实用的克尔池、光路设计等因素，建立光、机、电一体化的光电测试系统。2、项目技术路线光强与场强关系的理论分析确定方案、设计测试系统选择光源改进克尔盒设计光路接收信号光处理接收光编辑软件硬件设计 软件设计实验结果分析完成光机电一体化测试系统撰写论文 申请专利8四、项目特色与创新之处1、利用克尔效应测量变压器油等克尔常数小的液体介质的电场分布，建立实用化的测试系统，使该领域研究达到一个新水平，在一定程度上填补国内同领域空白；2、阐述变压器油中电场分布曲线，建立相应条件下的相关标准。五、年度计划2012.5-2012.7 利用光强与灰度的关系，进行光强与电场强度之间关系的理论研究； 2012.8-2012.12 利用理论研究结论，通过将电光克尔效应和计算机断层扫描原理相结合，建立起变压器油等中克尔常数小的液体介质中电场分布的测量系统；2013.1-2013.10 综合考虑信号电压、设计制作新型实用的克尔池、光路设计等因素，建立光、机、电一体化的光电测试系统，完成相关实验并进行理论验证，制作测试系统实用化样机；2013.11-2013.12 课题总结、评审、结题。9六 、预期成果（专利、论文、产品或装置）1、设计完成基于克尔效应的、实用化的测量液体介质电场分布的光电测试系统；2、申请发明或实用新型专利至少一项，该专利基于光、机、电一体化的光电测试系统；3、撰写SCI或EI收录论文12篇。七、项目责任人承诺在获得立项后，本人将与项目组成员团结一致，努力做好该项目的研究工作，实现制定的目标。如果因主观原因导致项目执行不力，未达到预期目标，本人与项目组成员愿意承担相应损失。负责人签名： 年 月 日10经费预算支出项目 金额（元） 计算依据会议费/差旅费 2000 参加相关学术会议 1 次论文版面费 3000 发表 SCI 或 EI 收录论文 12 篇专利申请费 3000 申请发明或实用新型专利至少 1 项实验材料费 7000 测试系统实验用光学元件 3000、电学元件 2000、接收与显示元件 2000其他总计（元）：15000 元11导师意见：用于测量变压器油等克尔常数小的液体介质电场分布的光电测试系统的研制，具有很强的工程背景和极