【摘要】：人類科技革命以來,能源和環(huán)境問題日益加劇。極地冰芯內記錄著極地能源分布和環(huán)境變遷等信息。因而冰芯介電特性研究對于極地科考具有重要意義。我國作為一個世界性大國,盡早實現(xiàn)冰芯介電特性測定儀的自主研發(fā)迫在眉睫。本文針對冰芯介電特性測定儀在極地冰芯檢測方面的應用,研究分析了國外冰芯介電特性測試設備的優(yōu)勢與不足,結合國內現(xiàn)狀與要求,設計并實現(xiàn)了一套集機電一體化為一身的自動化冰芯介電特性測試系統(tǒng)。整套系統(tǒng)的研制過程主要包括,系統(tǒng)硬件部分的設計開發(fā)、系統(tǒng)軟件部分的設計開發(fā)、系統(tǒng)機械部分的設計安裝、機電一體化調試五個方面的工作內容。系統(tǒng)硬件部分以STM32F407VET6微處理器為核心,實現(xiàn)了傳感器數(shù)據采集,保溫箱溫度自動控制,步進電機控制,以及系統(tǒng)工作日志存儲等功能。系統(tǒng)軟件開發(fā)部分包括嵌入式軟件開發(fā)和PC機客戶端軟件開發(fā)兩個方面。其中客戶端軟件開發(fā)主要實現(xiàn)了以下功能。其一,通過主控系統(tǒng)下行控制指令,完成對步進電機的PWM控制,實現(xiàn)主板系統(tǒng)日志的接收。其二,通過Socket的網絡編程和TCP/IP協(xié)議,下行SCPI消息指令完成對LCR測試儀的多頻率、多模式、多功能測試數(shù)據的采集。其三,通過基于Modbus協(xié)議的數(shù)據采集模塊,實現(xiàn)對冰芯測試的位移數(shù)據的采集工作。其四,實現(xiàn)對冰芯檢測數(shù)據的動態(tài)圖表化實時顯示功能,以及數(shù)據的數(shù)據庫存儲等功能。后續(xù)本文對硬件部分的設計給予了詳細的闡述。包括電源管理設計、微處理器核心電路設計、光耦隔離脈沖輸出電路設計、溫度采集電路設計、限位檢測電路設計、繼電器電路設計、串口隔離電路設計、數(shù)據存儲等電路的設計。并詳細描述了嵌入式系統(tǒng)軟件和客戶端軟件的開發(fā)思路、設計架構和具體功能。文章最后,對整套系統(tǒng)進行了綜合測試和測試結果分析。本系統(tǒng)已通過國家極地中心綜合驗收,將伴隨“雪龍?zhí)枴笨瓶即瑓⒓又袊?5次南極科考任務,應用于中國昆侖站深冰芯鉆探工程項目。
【學位授予單位】：杭州電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P634.3
【圖文】：

圖 1.1 手持式冰芯介電特性測定設備介電特性測試技術提出后的 30 年間，在各國科學團隊的科考項目中可以用漸漸趨于成熟。我國由于對極地研究起步較晚，投入的科研力度不夠性測定設備還處于研究探索階段。隨著經濟實力的增強，我國提出了建十一五”期間，“冰穹 A”深冰芯鉆機項目進入研發(fā)實施階段[9,24,25]，各也進入了研發(fā)的快車道。相信不久的將來我國在極地科考裝備領域必將當具備的水平，為人類了解極地貢獻中國智慧。題的主要創(chuàng)新點我國在冰芯研究領域屬于起步階段，首創(chuàng)即是創(chuàng)新點。相比國外在用的備而言，本設計有以下創(chuàng)新點：在國外手搖式測量的基礎上，實現(xiàn)了機電一體化的自動化冰芯介電特性測試電平和測試頻率可調。國外采用固定為 1V 的測試電平，測試頻率系統(tǒng)設計了比較靈活的測試模式，測試電平在 0.1mV 到 20V 之間可調Hz 到 2MHz 之間可調。

杭州電子科技大學碩士學位論文特定的測試電平頻率 ω 下，任何電解質都可以用理想電容、理想電感、電阻來等冰芯的等效電路有四種等效模式分別是 Cp 模式（電容和電阻的并聯(lián)模式）、和電阻的串聯(lián)模式）、Lp 模式（電感和電阻的并聯(lián)模式）、Ls 模式（電感和電阻下圖 2.6 為冰芯的四種等效電路模型。

圖 2.7 電容介電特性分析測量電感時的電路模式選擇：在一定的測試電平頻率下，測量大電感時，電感的電大（與小電感的電抗相比），所以并聯(lián)電阻比串聯(lián)電阻會顯得更重要，對電路的影響因此，選擇并聯(lián)等效電路模式（Lp-D、Lp-Q 或 Lp-G）來測量大電感介質更為適用，如若測量小電感介質時，給定頻率下電抗顯得比較�。ㄅc大電感的電抗相比），此阻的分量相比并聯(lián)電阻顯得更為重要[42]。因此，選用串聯(lián)等效電路模式（Ls-D 或 Ls量小電感介質更適用。如下圖 2.8 電感介電特性分析圖所示，一般根據如下的經驗電感介質的電路測試模型：如果電感阻抗值大于 10KΩ 的情況下，建議采用并聯(lián)電如果電感阻抗值小于 10Ω 的情況下，建議采用串聯(lián)電路模式[41]。在兩者之間時可按選擇。
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本文編號：2877473