一种基于电容分压的探测器及其探测方法
【专利摘要】本发明涉及提出一种基于电容分压的探测器及其探测方法，探测器包括导电测量电极和粘贴在其上的绝缘薄膜，导电测量电极与航天器结构地之间用测量电容连接，并通过电压测量电路进行测量，补偿电极布置在导电测量电极外围并与导电测量电极隔离。本发明不需要复杂的长伸杆机构、电压扫描电路和电压电流曲线处理程序，直接可获得悬浮电位值，设计简单，可靠性高。
【专利说明】一种基于电容分压的探测器及其探测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于空间环境探测应用【技术领域】，具体涉及一种基于电容分压的探测器及其探测方法。
【背景技术】
[0002]航天器在空间环境中与空间等离子体会产生相互作用，由于电子速度比离子快，所以航天器的充电电位主要为负电位。航天器由于空间等离子体的充电作用导致静电放电的发生，而引起静电放电的原因是由于航天器结构导体的充电速度及平衡电位与航天器表面介质材料的充电速度及平衡电位不同，从而造成不等量充电。为确保对航天器在轨静电放电效应进行主动控制，就需要有相应的探测手段。
[0003]目前对航天器悬浮电位的探测手段，主要在科学卫星上使用，采用长伸杆上放置探针实现。探针可采用郎缪尔探针、空间电场探头、发射探针几种方式，来实现探测航天器悬浮电位的目的。其中，郎缪尔探针采用加载在探头上的扫描电压获得收集电流的曲线，并根据相应理论模型获得悬浮电位；空间电场探头用于测量空间电位，并根据伸杆不同位置探头的距离获得电场，也可用于分析航天器所带电位；发射探针通过热丝发射电子，并调节探针相对空间环境的电位差，当调节值达到悬浮电位后，其收集电流会由于热电子发射的作用产生跳变，从而获得悬浮电位。上述这些技术有几个共同点，首先都需要较长伸杆，使其对航天器有着一定要求，其次上述几种方法均采用电压扫描和间接测量等手段，设计较为复杂，在实际工程中的高可靠性要求下实现相应手段具有一定难度。另外，由于仪器设计复杂，其重量及功耗也较大。为此，提供一种结构简单、使用方便、重量轻且功耗小的航天器悬浮电位探测方法十分必要。
【发明内容】
[0004]本发明针对上述技术难题，利用电容分压法，及导体和介质分别在等离子体环境中建立平衡过程的原理，提出一种基于电容分压的探测器及其探测方法，本发明设计简单，可直接测量悬浮电位，同时对伸杆无较高要求，可以采用较短伸杆实现。
[0005]为达到以上目的，本发明采用的技术方案是:
[0006]一种基于电容分压的探测器，包括导电测量电极和粘贴在其上的绝缘薄膜，导电测量电极与航天器结构地之间用测量电容连接，并通过电压测量电路进行测量，补偿电极布置在导电测量电极外围并与导电测量电极隔离。
[0007]进一步地，所述补偿电极通过保护电阻和偏置电压源与航天器结构地连接。
[0008]一种采用所述的探测器进行悬浮电位探测的方法，由绝缘薄膜的等效电容和测量电容构成电容分压网络，调整测量电容中的开关电路控制其容值，并利用电压测量电路获得两组对应的电压测量值，通过已知测量电容的容值和测量电压值，可以确定得出绝缘薄膜的等效电容，根据绝缘薄膜的等效电容的值、测量电容的容值和测量电压值，确定悬浮电位值。[0009]进ー步地，每隔一段时间采用开关切换两组不同的測量电容值来校准绝缘薄膜等效电容的测量值，并用该值和确定的、不改变的測量电容获得悬浮电位值。
[0010]本发明的基于电容分压的探測器及其探測方法，不需要复杂的长伸杆机构、电压扫描电路和电压电流曲线处理程序，直接可获得悬浮电位值，设计简单，可靠性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明的探测器组成示意图。
[0012]图2为悬浮电位探測的等效原理图。
[0013]其中，1、绝缘薄膜；2、导电测量电极；3、补偿电极；4、測量电容；5、电压测量电路；
6、偏置电压源；7、航天器结构地；8、保护电阻；9、绝缘薄膜的等效电容；10、測量电压值；
11、悬浮电位值。
【具体实施方式】
[0014]以下介绍的是作为本发明所述内容的【具体实施方式】，下面通过【具体实施方式】对本发明的所述内容作进ー步的阐明。当然，描述下列【具体实施方式】只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
[0015]如图1所示，ー种基于电容分压的探測器，其包括导电测量电极2和粘贴在其上的绝缘薄膜1，导电测量电极2与航天器结构地7之间用测量电容4连接，并通过电压测量电路5进行测量，补偿电极3布置在导电测量电极2外围并与导电测量电极2隔离。补偿电极3通过保护电阻8和偏置电压源6与航天器结构地7连接。
[0016]该探测器可以放置于航天器的外表面，当航天器由于空间等离子体影响而充电时，航天器导电结构地7会产生较负的电位，但由于导电测量电极表面的介质薄膜作用，其介质层外表面电位与空间等离子体电位近似相等。此时，由绝缘薄膜的等效电容9和測量电容4构成电容分压网络，调整测量电容4中的开关电路控制其容值，并利用电压测量电路5获得两组对应的电压测量值。通过已知測量电容4的容值和測量电压值10，可以确定得出绝缘薄膜的等效电容9，根据绝缘薄膜的等效电容9的值、測量电容4的容值和測量电压值10，就能够确定悬浮电位值11。具体的，航天器悬浮电位则近似等于介质层外表面电位与航天器结构地之间的电位差Uf，其中，介质薄膜自身可以等价为空间等离子体与导电测量电极之间的电容值为Cl，导电测量电极与航天器结构地电位之间连接测量电容C2，当航天器在等离子体环境中充电达到某悬浮电位时，导电测量电极与航天器结构地之间电压测量值为Um。则根据电容分压法，可知:
[0017]
【权利要求】
1.ー种基于电容分压的探測器，其特征在于，包括导电测量电极(2)和粘贴在其上的绝缘薄膜(1)，导电测量电极(2)与航天器结构地(7)之间用测量电容(4)连接，并通过电压測量电路(5)进行测量，补偿电极(3)布置在导电测量电极(2)外围并与导电测量电极(2)隔离。
2.如权利要求1所述的探測器，其特征在于，所述补偿电极(3)通过保护电阻(8)和偏置电压源(6)与航天器结构地(7)连接。
3.一种采用如前述任一项权利要求所述的探测器进行悬浮电位探測的方法，其特征在于，由绝缘薄膜的等效电容(9)和测量电容(4)构成电容分压网络，调整测量电容(4)中的开关电路控制其容值，并利用电压测量电路(5)获得两组对应的电压测量值，通过已知測量电容的容值和測量电压值(10)，可以确定得出绝缘薄膜的等效电容(9)，根据绝缘薄膜的等效电容(9)的值、测量电容的容值和测量电压值(10)，确定悬浮电位值(11)。
4.如权利要求3所述的悬浮电位探測的方法，其特征在于，每隔一段时间采用开关切换两组不同的測量电容值来校准绝缘薄膜等效电容的测量值，并用该值和确定的、不改变的測量电容(4)获得悬浮电位值(11)。
【文档编号】G01R19/00GK103604979SQ201310631637
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】刘业楠, 易忠, 田东波, 黄建国, 张超, 王志浩, 唐小金, 徐炎林 申请人:北京卫星环境工程研究所