一種基于電容分壓的探測(cè)器及其探測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及提出一種基于電容分壓的探測(cè)器及其探測(cè)方法，探測(cè)器包括導(dǎo)電測(cè)量電極和粘貼在其上的絕緣薄膜，導(dǎo)電測(cè)量電極與航天器結(jié)構(gòu)地之間用測(cè)量電容連接，并通過(guò)電壓測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量，補(bǔ)償電極布置在導(dǎo)電測(cè)量電極外圍并與導(dǎo)電測(cè)量電極隔離。本發(fā)明不需要復(fù)雜的長(zhǎng)伸桿機(jī)構(gòu)、電壓掃描電路和電壓電流曲線(xiàn)處理程序，直接可獲得懸浮電位值，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于電容分壓的探測(cè)器及其探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間環(huán)境探測(cè)應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于電容分壓的探測(cè)器及其探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航天器在空間環(huán)境中與空間等離子體會(huì)產(chǎn)生相互作用，由于電子速度比離子快，所以航天器的充電電位主要為負(fù)電位。航天器由于空間等離子體的充電作用導(dǎo)致靜電放電的發(fā)生，而引起靜電放電的原因是由于航天器結(jié)構(gòu)導(dǎo)體的充電速度及平衡電位與航天器表面介質(zhì)材料的充電速度及平衡電位不同，從而造成不等量充電。為確保對(duì)航天器在軌靜電放電效應(yīng)進(jìn)行主動(dòng)控制，就需要有相應(yīng)的探測(cè)手段。
[0003]目前對(duì)航天器懸浮電位的探測(cè)手段，主要在科學(xué)衛(wèi)星上使用，采用長(zhǎng)伸桿上放置探針實(shí)現(xiàn)。探針可采用郎繆爾探針、空間電場(chǎng)探頭、發(fā)射探針幾種方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)航天器懸浮電位的目的。其中，郎繆爾探針采用加載在探頭上的掃描電壓獲得收集電流的曲線(xiàn)，并根據(jù)相應(yīng)理論模型獲得懸浮電位；空間電場(chǎng)探頭用于測(cè)量空間電位，并根據(jù)伸桿不同位置探頭的距離獲得電場(chǎng)，也可用于分析航天器所帶電位；發(fā)射探針通過(guò)熱絲發(fā)射電子，并調(diào)節(jié)探針相對(duì)空間環(huán)境的電位差，當(dāng)調(diào)節(jié)值達(dá)到懸浮電位后，其收集電流會(huì)由于熱電子發(fā)射的作用產(chǎn)生跳變，從而獲得懸浮電位。上述這些技術(shù)有幾個(gè)共同點(diǎn)，首先都需要較長(zhǎng)伸桿，使其對(duì)航天器有著一定要求，其次上述幾種方法均采用電壓掃描和間接測(cè)量等手段，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，在實(shí)際工程中的高可靠性要求下實(shí)現(xiàn)相應(yīng)手段具有一定難度。另外，由于儀器設(shè)計(jì)復(fù)雜，其重量及功耗也較大。為此，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、重量輕且功耗小的航天器懸浮電位探測(cè)方法十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)難題，利用電容分壓法，及導(dǎo)體和介質(zhì)分別在等離子體環(huán)境中建立平衡過(guò)程的原理，提出一種基于電容分壓的探測(cè)器及其探測(cè)方法，本發(fā)明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可直接測(cè)量懸浮電位，同時(shí)對(duì)伸桿無(wú)較高要求，可以采用較短伸桿實(shí)現(xiàn)。
[0005]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于電容分壓的探測(cè)器，包括導(dǎo)電測(cè)量電極和粘貼在其上的絕緣薄膜，導(dǎo)電測(cè)量電極與航天器結(jié)構(gòu)地之間用測(cè)量電容連接，并通過(guò)電壓測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量，補(bǔ)償電極布置在導(dǎo)電測(cè)量電極外圍并與導(dǎo)電測(cè)量電極隔離。
[0007]進(jìn)一步地，所述補(bǔ)償電極通過(guò)保護(hù)電阻和偏置電壓源與航天器結(jié)構(gòu)地連接。
[0008]一種采用所述的探測(cè)器進(jìn)行懸浮電位探測(cè)的方法，由絕緣薄膜的等效電容和測(cè)量電容構(gòu)成電容分壓網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整測(cè)量電容中的開(kāi)關(guān)電路控制其容值，并利用電壓測(cè)量電路獲得兩組對(duì)應(yīng)的電壓測(cè)量值，通過(guò)已知測(cè)量電容的容值和測(cè)量電壓值，可以確定得出絕緣薄膜的等效電容，根據(jù)絕緣薄膜的等效電容的值、測(cè)量電容的容值和測(cè)量電壓值，確定懸浮電位值。[0009]進(jìn)ー步地，每隔一段時(shí)間采用開(kāi)關(guān)切換兩組不同的測(cè)量電容值來(lái)校準(zhǔn)絕緣薄膜等效電容的測(cè)量值，并用該值和確定的、不改變的測(cè)量電容獲得懸浮電位值。
[0010]本發(fā)明的基于電容分壓的探測(cè)器及其探測(cè)方法，不需要復(fù)雜的長(zhǎng)伸桿機(jī)構(gòu)、電壓掃描電路和電壓電流曲線(xiàn)處理程序，直接可獲得懸浮電位值，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明的探測(cè)器組成示意圖。
[0012]圖2為懸浮電位探測(cè)的等效原理圖。
[0013]其中，1、絕緣薄膜；2、導(dǎo)電測(cè)量電極；3、補(bǔ)償電極；4、測(cè)量電容；5、電壓測(cè)量電路；
6、偏置電壓源；7、航天器結(jié)構(gòu)地；8、保護(hù)電阻；9、絕緣薄膜的等效電容；10、測(cè)量電壓值；
11、懸浮電位值。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的【具體實(shí)施方式】，下面通過(guò)【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的所述內(nèi)容作進(jìn)ー步的闡明。當(dāng)然，描述下列【具體實(shí)施方式】只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。
[0015]如圖1所示，ー種基于電容分壓的探測(cè)器，其包括導(dǎo)電測(cè)量電極2和粘貼在其上的絕緣薄膜1，導(dǎo)電測(cè)量電極2與航天器結(jié)構(gòu)地7之間用測(cè)量電容4連接，并通過(guò)電壓測(cè)量電路5進(jìn)行測(cè)量，補(bǔ)償電極3布置在導(dǎo)電測(cè)量電極2外圍并與導(dǎo)電測(cè)量電極2隔離。補(bǔ)償電極3通過(guò)保護(hù)電阻8和偏置電壓源6與航天器結(jié)構(gòu)地7連接。
[0016]該探測(cè)器可以放置于航天器的外表面，當(dāng)航天器由于空間等離子體影響而充電時(shí)，航天器導(dǎo)電結(jié)構(gòu)地7會(huì)產(chǎn)生較負(fù)的電位，但由于導(dǎo)電測(cè)量電極表面的介質(zhì)薄膜作用，其介質(zhì)層外表面電位與空間等離子體電位近似相等。此時(shí)，由絕緣薄膜的等效電容9和測(cè)量電容4構(gòu)成電容分壓網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整測(cè)量電容4中的開(kāi)關(guān)電路控制其容值，并利用電壓測(cè)量電路5獲得兩組對(duì)應(yīng)的電壓測(cè)量值。通過(guò)已知測(cè)量電容4的容值和測(cè)量電壓值10，可以確定得出絕緣薄膜的等效電容9，根據(jù)絕緣薄膜的等效電容9的值、測(cè)量電容4的容值和測(cè)量電壓值10，就能夠確定懸浮電位值11。具體的，航天器懸浮電位則近似等于介質(zhì)層外表面電位與航天器結(jié)構(gòu)地之間的電位差Uf，其中，介質(zhì)薄膜自身可以等價(jià)為空間等離子體與導(dǎo)電測(cè)量電極之間的電容值為Cl，導(dǎo)電測(cè)量電極與航天器結(jié)構(gòu)地電位之間連接測(cè)量電容C2，當(dāng)航天器在等離子體環(huán)境中充電達(dá)到某懸浮電位時(shí)，導(dǎo)電測(cè)量電極與航天器結(jié)構(gòu)地之間電壓測(cè)量值為Um。則根據(jù)電容分壓法，可知:
[0017]
【權(quán)利要求】
1.ー種基于電容分壓的探測(cè)器，其特征在于，包括導(dǎo)電測(cè)量電極(2)和粘貼在其上的絕緣薄膜(1)，導(dǎo)電測(cè)量電極(2)與航天器結(jié)構(gòu)地(7)之間用測(cè)量電容(4)連接，并通過(guò)電壓測(cè)量電路(5)進(jìn)行測(cè)量，補(bǔ)償電極(3)布置在導(dǎo)電測(cè)量電極(2)外圍并與導(dǎo)電測(cè)量電極(2)隔離。
2.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)器，其特征在于，所述補(bǔ)償電極(3)通過(guò)保護(hù)電阻(8)和偏置電壓源(6)與航天器結(jié)構(gòu)地(7)連接。
3.一種采用如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的探測(cè)器進(jìn)行懸浮電位探測(cè)的方法，其特征在于，由絕緣薄膜的等效電容(9)和測(cè)量電容(4)構(gòu)成電容分壓網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整測(cè)量電容(4)中的開(kāi)關(guān)電路控制其容值，并利用電壓測(cè)量電路(5)獲得兩組對(duì)應(yīng)的電壓測(cè)量值，通過(guò)已知測(cè)量電容的容值和測(cè)量電壓值(10)，可以確定得出絕緣薄膜的等效電容(9)，根據(jù)絕緣薄膜的等效電容(9)的值、測(cè)量電容的容值和測(cè)量電壓值(10)，確定懸浮電位值(11)。
4.如權(quán)利要求3所述的懸浮電位探測(cè)的方法，其特征在于，每隔一段時(shí)間采用開(kāi)關(guān)切換兩組不同的測(cè)量電容值來(lái)校準(zhǔn)絕緣薄膜等效電容的測(cè)量值，并用該值和確定的、不改變的測(cè)量電容(4)獲得懸浮電位值(11)。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK103604979SQ201310631637
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】劉業(yè)楠, 易忠, 田東波, 黃建國(guó), 張超, 王志浩, 唐小金, 徐炎林 申請(qǐng)人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所