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题目:基于极化电光玻璃的光学电压传感器

关键词:热及电场极化;半导体理论;理论模型;光学电压传感;闭环检测

  摘要

本论文分析了光学电压传感器的优缺点和局限性,提出利用极化电光玻璃实现光学电压传感。介绍了极化玻璃作为光学电压传感器敏感材料的优点和局限性,指出对极化玻璃实验、理论和应用研究的意义。对国内国际报道的极化电光玻璃的极化工艺、对不同玻璃材料的极化效果、极化玻璃的微观结构研究方法、极化玻璃的微观结构实验现象、极化玻璃的理论模型及极化电光玻璃的应用领域等进行总结综述。利用数学工具MATLAB对极化玻璃的耗尽区瞬态过程及稳态分布进行数值仿真,验证了耗尽区模型的合理性。利用半导体PN结偏置过程的理论模型类比分析了玻璃的热及电场极化过程,在热及电场极化条件下,可以将正、负电极与玻璃界面分别简单类比为反向、正向偏置的两个PN结;利用PN结偏置模型,并考虑玻璃极化过程中电子的作用,本文修正了极化玻璃中电场和载流子运动方程及其边界条件,并解释了一些已有实验现象。根据修正后的极化模型提出了玻璃极化过程中和极化后的过渡过程,计算了内建场及其电势差等和极化电压、空间电荷浓度之间的关系。设计了玻璃极化实验装置,设计了外形结构、装配方法和加热方案。设计了大功率温控电路。利用设计好的极化装置对熔融石英玻璃(JGS1)和苏打-石灰(Soda-lime)玻璃进行热及电场极化,并记录了不同温度下极化电流随时间的变化波形。对极化电光玻璃在光学电压传感器应用进行研究,分析了光学电压传感器的原理及存在的问题。设计了光学电压传感器的光路和检测方案。改进了检测电路,提出了光强度传感信号的闭环检测方案,对比了闭环方案与传统开环方案的优缺点,给出了环路稳定性条件。闭环检测方法采用乘法器和比例积分控制器构成闭环自动增益控制回路取代开环方案中的模拟除法器,消除了原始传感信号中的低频分量,即光源光功率波动干扰信号,提高了传感精度。闭环方案较开环方案具有很好的抗干扰能力、一致性和参数稳定性等优点。