CN102998342B - 银膜电阻型原子氧传感器、原子氧检测仪及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种银膜电阻型原子氧传感器、原子氧检测仪及其应用方法。该银膜电阻型原子氧传感器包括氧化铝陶瓷基底，氧化铝陶瓷基底上布设有银膜电阻线，银膜电阻线的线条呈“之”字形布设于氧化铝陶瓷基底上，银膜电阻线的两端分别设有金属电极。该原子氧检测仪包括精密电压参考源、精密电阻、上述的原子氧传感器、仪用放大器以及单片机，其中，仪用放大器将原子氧传感器的两端的电压信号放大后传输给单片机；单片机用于根据采样电压的值实时计算原子氧传感器的电阻值。本发明通过银膜电阻线阻值的变化，即可推导计算出空间的原子氧的通量，实时性好、成本低廉且测量精度高。

Description

银膜电阻型原子氧传感器、原子氧检测仪及其应用方法

技术领域

本发明涉及低地球轨道空间的原子氧环境及其浓度探测领域，特别地，涉及一种银膜电阻型原子氧传感器。此外，本发明还涉及一种包括上述银膜电阻型原子氧传感器的原子氧检测仪及其应用方法。

背景技术

原子氧是低地球轨道(200～1000km)上中性气体中含量最多的成分(大约占80％左右)，也是对航天器影响最为严重的环境因素。原子氧具有很强的氧化性和高速的碰撞能量，对航天器材料具有很强的剥蚀作用。

空间原子氧效应的研究需要借助于性能优良、结构简单的设备来进行探测。而目前主要的测量方法如Kapton(聚酰亚胺)膜质量损失法、银表面催化法、光谱法、NO₂滴定法、质谱分析法和半导体膜电阻法等。

其中，基于Kapton膜质量损失法、银表面催化法、光谱法、NO2滴定法缺少适应性，目前只能用于地面模拟实验。这几类方法均需要借助于石英晶体微天平、质谱仪、专用探测器和光学系统等设备来完成。这些设备不仅结构复杂、体积较大、功耗较大且成本较高，难以搭载在航天器表面进行试验，同时，使用较为复杂的检测设备，影响测量结果误差的因素较多，可能需要人为干预或参加，如Kapton膜质量损失法甚至需要依赖对返回样品的测量才能获取实验结果。因此虽然这些方法比较稳定，测量精度也较高，但由于无法获取实时监测数据、试验难度较大，实现起来比较困难，因而不适合用于LEO(低地球轨道)空间原子氧通量测试。另外，基于质谱分析法的质谱仪由于对环境的真空度有着很高要求(＜10～2Pa)而限制了其在地面模拟试验领域的应用，它是空间环境中测量原子氧通量的常用仪器。但这种设备的结构比较复杂，体积大，成本高，功耗高，因而不适合搭载于小卫星上进行空间飞行实验。

电阻型传感器具有体积小、重量轻、功耗低、价格低廉的特点，通过在轨测量电阻的变化即可推算出原子氧通量大小，使用时无需返回样品的测试，因而具有良好的工程实践意义。用于制作电阻型原子氧传感器常用的敏感材料有碳、锇、锌等材料。其中，基于碳膜电阻的传感器由于碳膜的结构和形态易受温度影响而导致电阻率发生变化，具有很强的温度敏感性，从而产生较大的测量误差，不确定难以消除，测量结果的可信性不高。基于锇膜电阻的传感器的采用传统的物理气相沉积工艺所制作的锇膜易开裂，且锇电阻的电阻率小，测量准确性较差，且它的反应速率较慢，飞行试验时间要求很长，不适合微小卫星搭载使用。基于氧化锌半导体传感器的空间环境适应性差、经原子氧作用结晶状态易发生改变，且响应时间差。

发明内容

本发明目的在于提供一种反应速率快、采样周期短、实时响应好且测量精度高的银膜电阻型原子氧传感器，以解决现有的电阻型传感器测量误差大、反应速率慢、响应时间差的技术问题；本发明还提供了一种包括了前述的银膜电阻型原子氧传感器的原子氧检测仪及其应用方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种银膜电阻型原子氧传感器，包括氧化铝陶瓷基底，所述氧化铝陶瓷基底上布设有银膜电阻线，所述银膜电阻线的线条呈之字形布设于所述氧化铝陶瓷基底上，所述银膜电阻线的两端分别设有金属电极。

作为本发明的原子氧传感器的进一步改进：

优选地，所述银膜电阻线的线条厚度为22nm～22μm，所述银膜电阻线的线条宽度为0.2mm～0.4mm。

优选地，所述氧化铝陶瓷基底为片状，所述银膜电阻线布设于所述氧化铝陶瓷基底的正面，所述氧化铝陶瓷基底的背面装设有温度传感器，所述氧化铝陶瓷基底四角处分别开设有安装孔。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种原子氧检测仪，其包括上述的原子氧传感器，还包括精密电压参考源、精密电阻、仪用放大器以及单片机；其中，所述仪用放大器用于将所述原子氧传感器的两端的电压信号放大为单片机的采样电压后传输给所述单片机；所述单片机用于根据所述采样电压的值实时计算所述原子氧传感器的电阻值；所述精密电压参考源为相串联的所述精密电阻和所述原子氧传感器提供电压源，同时，所述精密电压参考源还为所述仪用放大器提供偏置电压。

作为本发明的原子氧检测仪的进一步改进：

优选地，所述仪用放大器通过模数转换器与所述单片机相连。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种用上述的原子氧检测仪检测航天器运行轨道空间的原子氧通量的方法，包括以下步骤：

S1：测量并记录所述原子氧传感器在0℃时的初始电阻值R₀；

S2：将所述原子氧传感器安装于航天器的迎风面上，通过所述单片机测量计算所述原子氧传感器在单位时间间隔的第一时间点的第一电阻值R₁以及在第二时间点的第二电阻值R₂，并测量所述原子氧传感器上在所述第一时间点的第一温度值T₁以及第二时间点的第二温度值T₂；

S3：根据所述初始电阻值R₀、所述第一电阻值R₁、所述第二电阻值R₂、所述第一温度值T₁和第二温度值T₂，计算所述原子氧传感器的银膜电阻线的厚度变化量Δh；

S4：根据所述航天器的飞行攻角θ、以及银的原子氧剥蚀率和所述银膜电阻线的厚度变化量Δh，计算原子氧的实时累积通量F；

S5：根据所述实时累积通量F以及测量的单位时间间隔计算得到原子氧的通量值。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的银膜电阻型原子氧传感器，采用银膜电阻线测量原子氧剥蚀的强度，体积小、重量轻、功耗低，且银膜电阻的反应速率高、检测灵敏度高、测量精度较高。另外，银膜电阻线的线条采用“之”字形布设，可以在有限的空间内布置尽可能长的线条，使得原子氧剥蚀对银膜电阻线的电阻变化更易被测量，使得原子氧传感器的灵敏度更高，测量精度更高。

2、本发明的原子氧检测仪，基于本发明的银膜电阻型原子氧传感器设计，结构简单，通过测量单位间隔时间内因原子氧剥蚀的原子氧传感器上的银膜电阻线的电阻值的变化，可用于测量原子氧的浓度或者通量；其成本低廉，测量精度高。

3、本发明的原子氧检测仪的应用方法，使用步骤简单，通过银膜电阻线阻值的变化，即可推导计算出空间的原子氧的通量，使用时无需返回样品的测试，实时性更好。该方法可用于测量低地球轨道空间的航天器运行环境的原子氧浓度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的银膜电阻型原子氧传感器的正面结构示意图；

图2是本发明优选实施例1的银膜电阻型原子氧传感器的背面结构示意图；

图3是本发明优选实施例2的原子氧检测仪的结构示意图；以及

图4是本发明优选实施例3的原子氧检测仪检测航天器运行轨道空间的原子氧通量的方法的流程示意图。

图例说明：

1、氧化铝陶瓷基底；2、银膜电阻线；3、金属电极；4、安装孔；5、温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1，本发明的银膜电阻型原子氧传感器，包括氧化铝陶瓷基底1，氧化铝陶瓷基底1上布设有银膜电阻线2，银膜电阻线2的线条呈之字形布设于氧化铝陶瓷基底1上，银膜电阻线2的两端分别设有金属电极3。

本发明采用银膜电阻线2测量原子氧剥蚀的强度，体积小、重量轻、功耗低，且银膜电阻的反应速率高、检测灵敏度高、测量精度较高。另外，银膜电阻线2的线条采用“之”字形布设，可以在有限的空间内布置尽可能长的线条，使得原子氧剥蚀对银膜电阻线2的电阻变化更易被测量，使得原子氧传感器的灵敏度更高，测量精度更高。

本实施例中，银膜电阻线2的线条厚度为22nm～22μm，银膜电阻线2的线条宽度为0.2mm～0.4mm。实际应用中，氧化铝陶瓷基底1优选为片状，银膜电阻线2布设于氧化铝陶瓷基底1的正面。本实施例中，氧化铝陶瓷基底1的背面装设有温度传感器5，用于测量原子氧传感器所在环境的实时温度。氧化铝陶瓷基底1四角处分别开设有安装孔4，用于安装固定原子氧传感器。

本实施例的银膜电阻型原子氧传感器一般的制备方法是采用在氧化铝陶瓷基底1上沉积金属银，然后采用激光溅射或者烧结等方式形成银膜电阻线2。

实施例2：

参见图3，本发明的原子氧检测仪，包括实施例1的原子氧传感器，还包括精密电压参考源、精密电阻、仪用放大器以及单片机。其中，原子氧传感器上的银膜电阻线2的两端的金属电极3分别与仪用放大器连接，用于实时测量银膜电阻线2的电阻值。仪用放大器用于将原子氧传感器的两端的电压信号放大为单片机的采样电压后传输给单片机；单片机用于根据采样电压的值实时计算原子氧传感器的电阻值。精密电压参考源为相串联的精密电阻和原子氧传感器提供电压源，同时，精密电压参考源还为仪用放大器提供偏置电压。

本实施例中，仪用放大器采用AD627，可放大银膜电阻线2两端的微弱电压信号。精密电压参考源采用MAX6061，可提供精确的1.25V电压。则，这样构成的原子氧检测仪可检测的银膜电阻线2的电阻值范围为0～22Ω，能满足小型卫星的原子氧检测的使用要求。

实际应用中，参见图3，仪用放大器一般通过模数转换器与单片机相连。

综上可知，本发明的原子氧检测仪，基于本发明的银膜电阻型原子氧传感器设计，结构简单，通过测量单位间隔时间内因原子氧剥蚀的原子氧传感器上的银膜电阻线2的电阻值的变化，可用于测量原子氧的浓度或者通量；其成本低廉，测量精度高。

实施例3：

参见图4，本发明的用实施例2的原子氧检测仪检测航天器运行轨道空间的原子氧通量的应用方法，包括以下步骤：

S1：测量并记录实施例1的原子氧传感器在0℃时的初始电阻值R₀。

S2：将原子氧传感器安装于航天器的迎风面上，通过单片机测量计算原子氧传感器在单位时间间隔的第一时间点的第一电阻值R₁以及在第二时间点的第二电阻值R₂，并测量原子氧传感器上在第一时间点的第一温度值T₁以及第二时间点的第二温度值T₂。

S3：根据初始电阻值R₀、第一电阻值R₁、第二电阻值R₂、第一温度值T₁和第二温度值T₂，计算原子氧传感器的银膜电阻线2的厚度变化量Δh。

S4：根据航天器的飞行攻角θ、以及银的原子氧剥蚀率和银膜电阻线2的厚度变化量Δh，计算原子氧的实时累积通量F。其中，飞行攻角θ是根据原子氧检测仪的安装位置和航天器的姿态信息来确定的。

S5：根据实时累积通量F以及测量的单位时间间隔计算得到原子氧的通量值。

上述步骤完成后，还可根据通过多次测量和计算，结合初始电阻值R₀和原子氧传感器的实时温度对上述的通量值得测量结果进行修正，能进一步保证测量结果的精确性。

综上可知，本发明的原子氧检测仪的应用方法，使用步骤简单，通过银膜电阻线2阻值的变化，即可推导计算出空间的原子氧的通量，使用时无需返回样品的测试，实时性更好。该方法可用于测量低地球轨道空间的航天器运行环境的原子氧浓度。

本发明已通过地面模拟实验和在轨飞行实验验证，可以在较短时间内在线测量得到LEO空间内的原子氧通量，其误差因素较少，精度较高。地面模拟试验结果表明，所设计原子氧检测仪能够较准确地测量出环境中原子氧的通量大小。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (1)

1.一种原子氧检测仪检测航天器运行轨道空间的原子氧通量的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测量并记录原子氧传感器在0℃时的初始电阻值R₀；

S2：将所述原子氧传感器安装于航天器的迎风面上，通过单片机测量计算所述原子氧传感器在单位时间间隔的第一时间点的第一电阻值R₁以及在第二时间点的第二电阻值R₂，并测量所述原子氧传感器上在所述第一时间点的第一温度值T₁以及第二时间点的第二温度值T₂；

S3：根据所述初始电阻值R₀、所述第一电阻值R₁、所述第二电阻值R₂、所述第一温度值T₁和第二温度值T₂，计算原子氧传感器的银膜电阻线的厚度变化量Δh；

S4：根据所述航天器的飞行攻角θ、以及银的原子氧剥蚀率和所述银膜电阻线的厚度变化量Δh，计算原子氧的实时累积通量F；

S5：根据所述实时累积通量F以及测量的单位时间间隔计算得到原子氧的通量值；所述银膜电阻型原子氧传感器，包括氧化铝陶瓷基底，所述氧化铝陶瓷基底上布设有银膜电阻线，所述银膜电阻线的线条呈之字形布设于所述氧化铝陶瓷基底上，所述银膜电阻线的两端分别设有金属电极；

所述银膜电阻线的线条厚度为22nm～22μm，所述银膜电阻线的线条宽度为0.2mm～0.4mm；

所述氧化铝陶瓷基底为片状，所述银膜电阻线布设于所述氧化铝陶瓷基底的正面，所述氧化铝陶瓷基底的背面装设有温度传感器，所述氧化铝陶瓷基底四角处分别开设有安装孔；

所述原子氧检测仪，包括所述原子氧传感器，所述原子氧检测仪还包括精密电压参考源、精密电阻、仪用放大器以及单片机；

其中，所述仪用放大器用于将所述原子氧传感器的两端的电压信号放大为单片机的采样电压后传输给所述单片机；所述单片机用于根据所述采样电压的值实时计算所述原子氧传感器的电阻值；

所述精密电压参考源为相串联的所述精密电阻和所述原子氧传感器提供电压源，同时，所述精密电压参考源还为所述仪用放大器提供偏置电压；

所述仪用放大器通过模数转换器与所述单片机相连。