CN102508126A - 一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星充放电后释放的电磁脉冲在卫星母线中耦合形成的瞬态脉冲的测量，具体涉及一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置，属于测试领域。所述装置包括盒体、上盖板、Rogowski线圈、卫星母线、信号采集线、取样电阻；Rogowski线圈位于盒体内部，Rogowski线圈与盒体四壁的空隙中填充硅橡胶；卫星母线依次垂直通过上盖板中心的通孔、Rogowski线圈中心与盒体中心的通孔；上盖板与盒体可拆卸固连；Rogowski线圈的两个出线端还与取样电阻两端连接；本发明采用Rogowski线圈连接测量电路，可广泛用于静电放电脉冲耦合效应的在轨监测，为航天器安全运行提供保障。

Description

一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置

技术领域

本发明涉及卫星充放电后释放的电磁脉冲在卫星母线中耦合形成的瞬态脉冲的测量，具体涉及一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置，属于测试领域。

背景技术

空间辐射环境中，高能粒子、等离子体容易在航天器外围的介质材料内部或者穿过航天器屏蔽层在其内部的介质材料上沉积。当这些介质材料表面与周围其他部件电位差或者沉积电荷产生的电场超过一定阈值时会发生放电现象。放电产生电磁脉冲信号会干扰卫星敏感电子系统，导致航天器在轨工作异常。对各类航天器的异常事故所作的统计分析表明，部分事故与电磁脉冲干扰有关。

航天器静电放电有其自身特殊性，一方面放电瞬时释放出大量电荷而形成寄生电流冲击电源系统；另外放电同时释放出电磁脉冲透过航天器壁壳的缝隙或耦合进外露的导线从而干扰航天器的电子设备。航天器充放电释放的电磁脉冲可以耦合进导线中，对卫星造成潜在威胁。

因此需要测量航天器太阳电池阵母线电流或其他敏感部位耦合电流表征航天器静电放电效应对母线电流的冲击效应，监测这种耦合效应可以了解和掌握航天器太阳电池阵放电的概率和程度。

发明内容

针对航天器静电放电冲击电源系统、干扰航天器的电子设备的问题，本发明的目的在于提供了一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置，从而了解和掌握航天器太阳电池阵放电的概率和程度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置，所述装置包括盒体、上盖板、Rogowski线圈、卫星母线、信号采集线、取样电阻；

其中盒体为上表面开口、下表面封底的长方体或正方体，上盖板与盒体上下表面的尺寸相同；盒体的一个侧壁开有两个尺寸相同的通孔；在上盖板中心和盒体下表面中心均开有通孔；

Rogowski线圈位于盒体内部中间位置，Rogowski线圈的高度低于盒体高度3-5mm，Rogowski线圈与盒体四壁的空隙中填充硅橡胶；卫星母线依次垂直通过上盖板中心的通孔、Rogowski线圈中心与盒体中心的通孔；上盖板与盒体可拆卸固连；

Rogowski线圈有两个出线端，两个出线端各与一根信号采集线连接，Rogowski线圈的两个出线端还与取样电阻两端连接。

一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测系统，所述系统包括盒体、上盖板、Rogowski线圈、卫星母线、信号采集线、取样电阻和测试电路；

其中盒体为上表面开口、下表面封底的长方体或正方体，上盖板与盒体上下表面的尺寸相同；盒体的一个侧壁开有两个尺寸相同的通孔；在上盖板中心和盒体下表面中心均开有通孔；

Rogowski线圈位于盒体内部中间位置，Rogowski线圈的高度低于盒体高度3-5mm，Rogowski线圈与盒体四壁的空隙中填充硅橡胶；卫星母线依次垂直通过上盖板中心的通孔、Rogowski线圈中心与盒体中心的通孔；上盖板与盒体可拆卸固连；

Rogowski线圈有两个出线端，两个出线端各与一根信号采集线连接，两根信号采集线分别穿过盒体侧壁的通孔与测试电路连接，两根信号采集线与测试电路组成回路；Rogowski线圈的两个出线端还与取样电阻两端连接；

测试电路，用于记录流过取样电阻的电流，得到感应电动势e(t)，通过对e(t)进行积分计算得到流经Rogowski线圈的感应电流的大小。

其中，Rogowski线圈为截面为矩形的环形骨架，根据静电放电在卫星母线中的耦合电流为几十安培，确定合适的Rogowski线圈的合适尺寸为：

线圈绕组匝数N为4200匝，环形骨架外径R_a为19mm，环形骨架内径R_b为10mm，环形骨架的高度h为15mm；

盒体的长宽高尺寸为20mm×20mm×16mm，厚0.5mm；上盖板的尺寸为20mm×20mm，厚0.5mm，盒体和上盖板的材料均为聚四氟乙烯。

有益效果

本发明采用Rogowski线圈连接测量电路，可对航天器静电放电脉冲耦合效应进行有效监测，为航天器安全运行提供保障，为航天器在轨维护提供信息。本发明简单易行、可靠性高，可作为对航天器静电放电脉冲耦合效应监测的标准设备。其中Rogowski线圈响应频带宽，易于以数字量输出，可广泛用于静电放电脉冲耦合效应的在轨监测。

附图说明

图1为本发明所述静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置的结构示意图；

图2为Rogowski线圈的结构示意图；

其中图2(a)为Rogowski线圈的外观图；图2(b)为Rogowski线圈的纵剖面的结构示意图

图3为Rogowski线圈等效电路图；

其中，1-盒体、2-上盖板、3-Rogowski线圈、4-信号采集线、5-卫星母线。

具体实施方式

下面通过具体实施例来详细描述本发明：

实施例

如图1所示的一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测系统，所述系统包括盒体1、上盖板2、Rogowski线圈3、卫星母线5、信号采集线4、取样电阻和测试电路；

其中盒体1为上表面开口、下表面封底的长方体或正方体，上盖板2与盒体1上下表面的尺寸相同；盒体1的一个侧壁开有两个尺寸相同的通孔；

Rogowski线圈3位于盒体1内部中间位置，上盖板2与盒体1可拆卸固连；卫星母线5依次垂直通过上盖板2、Rogowski线圈3与盒体1中心中心的孔；Rogowski线圈3与盒体1四壁的空隙中填充硅橡胶，起防震和稳定的作用；

盒体1作为Rogowski线圈3的支撑件；

线圈3有两个出线端，两个出线端各与一根信号采集线4连接，两根信号采集线4分别穿过盒体侧壁的通孔与测试电路连接，一根信号采集线与测试电路的输入端相连，另一根信号采集线与测试电路的输出端相连，两根信号采集线4与测试电路组成回路；Rogowski线圈3的两个出线端还与取样电阻两端连接；

其中，如图2所示，Rogowski线圈3的结构为一个均匀缠绕导线的矩形或圆形的非磁性骨架，被测导线垂直穿过线圈平面。Rogowski线圈测量电流的基本原理是安培环路定理。任何一个随时间变化的电流在其周围都会产生一个变化的磁场。测量时Rogowski线圈围绕在被测电流的周围，被测电流产生的磁场将在线圈的两个出线端感应出电动势。通过对Rogowski线圈两个出线端的感应电动势积分便能够得到被测电流i(t)。由于矩形截面的线圈易于参数计算和材料加工，所以本发明的Rogowski线圈骨架都采用矩形截面。

由法拉第电磁感应定律，Rogowski线圈两个出线端的感应电动势为：

$e\left(t\right)=\frac{\mathrm{dO}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{dNo}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Nh}}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{R_a}{R_b}\×\frac{{\mathrm{di}}_p\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式(1)中N为Rogowski线圈上的绕组匝数、R_a为环形骨架外径，R_b为环形骨架内径，h为环形骨架的高度、μ₀为真空磁导率，取

为互感系数。当Rogowski线圈种类确定时，骨架的截面尺寸、高度、线圈匝数、导线规格都是不变的，M的值为固定不变的。对于式(1)等号两边取积分得：

$i_p\left(t\right)=\frac{1}{M}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

即通过对Rogowski线圈两个出线端的感应电动势积分便能够得到被测电流ip(t)。为了测量Rogowski线圈两个出线端的感应电动势e(t)，一般在输出端接上一个取样电阻，本发明中该取样电阻选用50Ω的电阻。通过测量电路记录流过取样电阻的电流，得到感应电动势e(t)，通过对e(t)进行积分计算就能够得到流经线圈的感应电流的大小。其测量的简单电路模型如图3所示，其中L₀为线圈自感、R₀为线圈电阻、C₀为线圈杂散电容，R_s为取样电阻；当卫星母线中有电流通过时，线圈中产生的感应电流i(t)经过线圈自感L₀、线圈电阻R₀后，同时经过线圈杂散电容C₀和取样电阻R_s。

下面对采用上述静电放电脉冲耦合效应的在轨监测系统的监测过程进行描述，具体步骤如下：

第一步，对航天器静电放电脉冲耦合效应进行初步研究，国外航天器实测的数据表明静电放电在卫星母线中的耦合电流为几十安培，确定合适的Rogowski线圈3的尺寸；其中，Rogowski线圈3的的绕组匝数N为4200匝，环形骨架外径R_a为19mm，环形骨架内径R_b为10mm，环形骨架的高度h为15mm；

第二步，将制成的Rogowski线圈3放于长方形的盒体1中，Rogowski线圈3的高度低于盒体1高度3-5mm，用硅胶将Rogowski线圈3进行固定，卫星母线5穿过线圈3和盒体1，用螺丝将将上盖板2固定于盒体1上；其中盒体1和上盖板2的材料均为聚四氟乙烯；盒体1长20mm，宽20mm，高16mm，厚0.5mm；上盖板2长20mm，宽20mm，厚0.5mm；

第三步，将Rogowski线圈3的输出线两端接取样电阻两端，取样电阻阻值取50′Ω，把取样电阻上的两端引线与测试电路连接。

第四步，待航天器入轨正常工作时开机对航天器的静电放电脉冲耦合效应进行监测。监测时，测试电路记录流过取样电阻的电流，得到感应电动势e(t)，通过对e(t)进行积分计算就能够得到流经线圈的感应电流的大小。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置，其特征在于，所述装置包括盒体(1)、上盖板(2)、Rogowski线圈(3)、卫星母线(5)、信号采集线(4)、取样电阻；

其中盒体(1)为上表面开口、下表面封底的长方体或正方体，上盖板(2)与盒体(6)上下表面的尺寸相同；盒体(6)的一个侧壁开有两个尺寸相同的通孔；在上盖板(2)中心和盒体(1)下表面中心均开有通孔；

Rogowski线圈(3)位于盒体(1)内部中间位置，Rogowski线圈(3)的高度低于盒体(1)高度3-5mm，Rogowski线圈(3)与盒体(1)四壁的空隙中填充硅橡胶；卫星母线(5)依次垂直通过上盖板(2)中心的通孔、Rogowski线圈(3)中心与盒体(1)中心的通孔；上盖板(2)与盒体(1)可拆卸固连；

Rogowski线圈(3)有两个出线端，两个出线端各与一根信号采集线(4)连接，两根信号采集线(4)分别穿过盒体侧壁的通孔后与取样电阻两端连接。

2.如权利要求1所述的静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置，其特征在于，Rogowski线圈(3)为截面为矩形的环形骨架，根据静电放电在卫星母线中的耦合电流为几十安培，确定合适的Rogowski线圈(3)的合适尺寸为：

线圈绕组匝数N为4200匝，环形骨架外径R_a为19mm，环形骨架内径R_b为10mm，环形骨架的高度h为15mm。

3.如权利要求1所述的静电放电脉冲耦合效应的在轨监测装置，其特征在于，盒体(1)的长宽高尺寸为20mm×20mm×16mm，厚0.5mm；上盖板(2)的尺寸为20mm×20mm，厚0.5mm，盒体(1)和上盖板(2)的材料均为聚四氟乙烯。

4.一种静电放电脉冲耦合效应的在轨监测系统，其特征在于，所述系统包括盒体(1)、上盖板(2)、Rogowski线圈(3)、卫星母线(5)、信号采集线(4)、取样电阻和测试电路；

其中盒体(1)为上表面开口、下表面封底的长方体或正方体，上盖板(2)与盒体(6)上下表面的尺寸相同；盒体(6)的一个侧壁开有两个尺寸相同的通孔；在上盖板(2)中心和盒体(1)下表面中心均开有通孔；

Rogowski线圈(3)位于盒体(1)内部中间位置，Rogowski线圈(3)的高度低于盒体(1)高度3-5mm，Rogowski线圈(3)与盒体(1)四壁的空隙中填充硅橡胶；卫星母线(5)依次垂直通过上盖板(2)中心的通孔、Rogowski线圈(3)中心与盒体(1)中心的通孔；上盖板(2)与盒体(1)可拆卸固连；

Rogowski线圈(3)有两个出线端，两个出线端各与一根信号采集线(4)连接，两根信号采集线(4)分别穿过盒体侧壁的通孔后与测试电路连接，两根信号采集线(4)之间进一步连接取样电阻；

测试电路，用于记录流过取样电阻的电流，得到感应电动势e(t)，通过对e(t)进行积分计算得到流经Rogowski线圈(3)的感应电流的大小。

5.如权利要求4所述的静电放电脉冲耦合效应的在轨监测系统，其特征在于，Rogowski线圈(3)为截面为矩形的环形骨架，根据静电放电在卫星母线中的耦合电流为几十安培，确定合适的Rogowski线圈(3)的合适尺寸为：

线圈绕组匝数N为4200匝，环形骨架外径R_a为19mm，环形骨架内径R_b为10mm，环形骨架的高度h为15mm。

6.如权利要求4所述的静电放电脉冲耦合效应的在轨监测系统，其特征在于，盒体(1)的长宽高尺寸为20mm×20mm×16mm，厚0.5mm；上盖板(2)的尺寸为20mm×20mm，厚0.5mm，盒体(1)和上盖板(2)的材料均为聚四氟乙烯。

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