基于线圈补偿法的亚磁零磁环境模拟装置的研究与设计-立项申请书.doc

编号：哈尔滨工业大学大学生创新性实验计划项目申请书项目名称：基于线圈补偿法的亚磁零磁环境模拟装置的研究与设计申请级别： 国家级 （国家级、校级、院系级）执行时间： 2011 年 9 月至 2012 年 6 月负责人：王明学号：1090610129联系电话子邮箱：WhiskyM院系及专业：电气学院电气工程及其自动化专业指导教师：鄂鹏职称：讲师联系电话子邮箱： 院系及专业： 电气工程及其自动化哈尔滨工业大学教务处制表填表日期： 2011 年 6 月 19 日项目名称：基于线圈补偿法的亚磁零磁环境模拟装置的研究与设计 申请经费： 10000 元一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序）姓名性别所在院年级学号身份证号本人签字王明男电气学院大二109061012937083019900108125X程路明男电气学院大二1090610102140402199005070056苟建民男电气学院大二109061012762042219911030431X刘贤良男理学院大二1090750106150422199109142453张超男电气学院大二109061012243058119901028151X二、指导教师意见： 签 名： 年 月 日三、院（系）专家组意见： 组长签名： （ 盖 章 ） 年 月 日四、学校专家组意见： 批准经费： 元 组长签名： （ 盖 章 ） 年 月 日6五、立项报告1、项目简介（300-500字左右）2、申请理由（包括自身具备的知识和能力情况、前期准备情况等）3、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其他有关背景材料）4、项目实施方案5、特色与创新6、进度安排7、中期及结题预期目标（即中期检查和结题验收时考核的依据）8、经费使用计划1、项目简介基于线圈补偿法的亚磁零磁环境模拟装置的研究与设计，是在测出地球磁场的前提下，依据法拉第电磁感应定律，利用线圈补偿法产生与地球磁场大小近似相同，方向近似相反的磁场，以此抵消地磁场，模拟亚磁或零磁环境的装置。本次科技创新项目，将在国内外现有研究的基础上，从测定磁场入手，研究线圈产生磁场的装置，最终设计出一个基于线圈补偿法的亚磁零磁环境模拟装置。2、申请理由地面上模拟和研究亚磁或零磁环境，有着重要的理论和实际意义。一方面，研究与设计地面的亚磁或零磁环境的模拟装置，需要有关测量及产生磁场，尤其是微弱磁场的理论基础。另一方面，地面亚磁零磁装置为研究亚磁零磁环境对生物与材料，如航天器等的作用提供了大量方便，缩短了研究时间周期，降低了成本与风险。为将来相关工作者研究只依靠抵消和消除地球磁场的地面装置，亚磁或零磁环境及这种环境对生物，材料的影响和作用提供参照和借鉴。哈尔滨工业大学正在筹备和计划大科学工程。其中包括研究外太空亚磁零磁环境对生物和材料的影响。本项目正是研究如何在地面上模拟亚磁和零磁环境，为相关项目的进一步研究提供参考。本项目全组共有5名成员。王明，是本科技创新小组的组长，有较强的组织能力和责任心，热情主动；程路明，成绩优异，曾在全国数学竞赛获奖；苟建民，踏实肯干，参加创新研修课，有较强的学术精神和态度；刘贤良，成绩优异，在化学系的辅修电气工程及其自动化系双学位，学科交叉，思维灵活；张超，参加过大一暑期的实验室培训，和大二的智能车大赛，动手能力比较强。鄂鹏老师长期致力于磁场、等离子体等理论方面的研究，发表过多篇学术论文，参与完成多个项目，积极鼓励学生参加学校科技创新活动，将会为本项目实施提供大力帮助。前期收集了一些有关磁场测量和电磁感应的资料，书籍，经过整理和筛选，初步形成了整个项目的思路和安排，确定了项目的实施方案和计划。关于实施方案和计划，将在下文详细介绍。3、立项背景3.1、亚磁或零磁环境地面模拟的方法对于亚磁或零磁环境地面模拟，一共有三种方法：1、磁屏蔽法(适合于洁净磁环境) 采用高导磁材料坡莫合金或硅钢来包围形成一个密闭空间，这类材料能形成一个低磁阻的通路使磁场优先通过从而达到屏蔽内部空间的效果。如CT屏蔽室。 2、线圈补偿法（适合于抵消地磁、模拟空间磁环境） 磁场是矢量，如果大小相等、方向相反的两个磁场相叠加，则叠加处的磁场为零。基于这一思想， 可采用三组轴相互垂直的线圈组共同作用，通以适当的电流, 从而以不同方向所产生的磁场与外磁场的矢量叠加，使预定区域达到零磁场效果。3、混合法（适合于磁环境重构） 将磁屏蔽与线圈补偿相结合。考虑到能力范围和成本，本项目采用单纯的线圈补偿法，这也将是本项目的一个特色。3.2、已有的亚磁零磁装置下面介绍已有的亚磁和零磁的环境模拟装置。1、中国地震局地球物理研究的零磁空间实验室中国地震局地球物理研究所于1989年建成了我国第一个零磁空间实验室，填补了我国在弱磁测量方面的一项空白。为检测和标定地磁观测仪器性能、进行新型地磁观测仪器研发和开展模拟空间弱磁环境的航空、航天和生物实验，研究地磁场与生命活动关系以及一些边缘学科的研究，创造了基本条件及必要环境。已开展的研究：(1) 磁传感器标定与性能测试；(2) 零磁环境下动植物生长变异行为研究；(3) 人体心磁、脑磁测量研究；(4) “神舟”飞船磁强计标定。 零磁空间实验室的框架是用高纯铝浇铸而成的正八角26面体，由2组共8个薄层的坡莫合金形成磁屏蔽层，磁屏蔽层内外两侧各有一层8mm厚的纯铝板作为电屏蔽层，磁屏蔽层内部尺寸2.3m见方，内部剩余磁场强度小于20nT。采用计算机、高精度电流源（3个）、三分量磁通门磁强计和3组亥姆霍兹线圈建立地磁场动态补偿系统。2、北京卫星环境工程研究所CM2模拟设备 1992年立项，2002年建成，航天器整星、整船磁实验地面模拟设备。位于唐家岭地区，实验室建筑面积1000m*m，主线圈室为无磁铝网架结构，主线圈室高18.8m，半地下结构，地下室深6.8m，主线圈室为无磁建筑，全部采用无磁建材。 CM2设备在x、y、z三个方向补偿地磁场，在线圈中心区域形成零磁场、可控磁场环境。 模拟磁场均匀区直径2500mm，稳定度1.5nT/h，可提供零磁场、060000nT的恒定磁场和航天器在轨运行所经历的动态磁场（016Hz,060000nT），充磁磁场为直流5mT，退磁磁场为0.11Hz，交流5mT。实验允许最大卫星尺寸2.5m*2.5m*5m，最大质量3.5t。 3、西北工业大学空间生物实验模拟技术国防重点实验室。其空间亚磁零磁环境模拟技术及生物效应研究，包括空间亚磁场环境的分子细胞生物学效应研究、空间亚磁场环境与失重复合环境对模式生物的生物学效应研究等方面。 4、NASA Goddard Space Flight Center航天器磁测试设备。参考文献:1 邹澎，候均衡，毛陆虹.环境电磁场测量(第一版).中国计量出版社，19922 李大明.磁场的测量（第一版）.机械工业出版社，19933 韩峰，刘海伦，陈爱国.测试技术基础.机械工业出版社，19974 唐统一，赵伟.电磁测量(第一版).清华大学出版社，19973.3、研究意义本项目着眼于用研究与设计只依靠线圈补偿法的地面亚磁或零磁环境的模拟装置。只依靠线圈补偿法，这在理论和实际上需要更精确的磁场测量方法和磁场产生方法。而起与直接去外太空寻找亚磁零磁环境相比，地面模拟研究亚磁或零磁环境，有着重要的理论意义和实际意义。一方面，研究与设计地面的亚磁或零磁环境的模拟装，需要测量与产生磁场，尤其是微弱磁场的理论基础。另一方面，地面亚磁零磁装置为研究亚磁零磁环境对生物与材料，如航天器等的作用提供了大量方便，缩短了研究时间周期，降低了成本与风险。为将来相关工作者研究只依靠抵消和消除地球磁场的地面装置，亚磁或零磁环境及这种环境对生物，材料的影响和作用提供参照和借鉴。另外，对于我们大学生，参加科技创新活动提供了一个了解和体验科学研究整体过程的平台，可以培养我们提出问题、分析问题和解决问题的能力，激发对科学研究的兴趣，锻炼我们人际交往和团队协作的能力。4、项目实施方案本项目将分为四个阶段：1、研究一般磁场和微弱磁场的测量；2、研究电磁感应现象；3、设计磁场产生系统；4、设计亚磁和零磁环境装置。在第一个阶段，我们将主要研究磁场的测量方法，是本项目后续测量地磁场，测量磁场产生装置所产生磁场的参数，测量亚磁和零磁环境装置的效果的基础；第二阶段，我们将从电磁感应现象入手，从原理上研究磁场的产生；第三阶段，将理论与实践结合，设计磁场产生系统，为第四阶段准备；第四阶段，综合所有研究设计亚磁和零磁环境装置，最终完成一篇论文。5、特色与创新与其他有关亚磁零环境模拟装置不同，本项目采用单纯的线圈补偿法来抵消和消除地球磁场来设计创造亚磁或零磁环境的装置。只依靠线圈补偿法，这在理论和实际上需要更精确的磁场测量方法和磁场产生方法。而相比去外太空寻找亚磁零磁环境，地面上模拟研究亚磁或零磁环境，有着重要的理论意义和实际意义。这对本项目小组的理论能力与实践能力都将是一个挑战和提高。6、进度安排1、2011年9月2012年1月完成本项目的第一阶段，即理论上掌握磁场的测量方法；2、2012年2月2012年3月完成第二阶段，从原理上掌握磁场的产生；3、2012年3月2012年4月完成第三阶段，设计完成磁场产生的装置；4、2012年5月2012年6月结题，设计完成模拟亚磁或零磁环境的装置，完成论文。7