CN103018518B - 一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法 - Google Patents

一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法 Download PDF

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本发明公开了一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法，属于抗辐射加固技术领域。所述方法步骤如下：（1）传感器的几何结构布置，所述传感器包括：电荷收集板、接地壳体、补偿电极、接地电极、感应电极和绝缘材料；（2）建立计算模型；（3）通过仿真计算选取传感器的几何参数，实现利用+10V电压调制-2000V电压。所述方法有效地降低设计成本，采用所述方法设计的振动电容式表面电位监测传感器，克服了以往表面电位监测过程会影响到介质充电电荷量的缺点，同时降低了传感器的质量和功耗，便于空间搭载实时监测航天器表面充电电位。

Description

一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法
技术领域
本发明涉及一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法，属于抗辐射加固技术领域。
背景技术
地磁亚暴的高能电子给绝缘航天器表面充电直至电击穿，放电产生的大电流会降低热控表面的性能，引起表面污染，感应电压脉冲进入电路系统。地球同步轨道卫星电路系统异常包括元器件无命令电子开关到整个系统的失败都归因于航天器充电。
采用振荡电容式静电场感应探针测量航天器表面充电电位，探测的是微弱信号，要实现足够精度和分辨率，需要一个输出很大（～20kV）的伺服放大器，这受到载荷质量和功率的限制，是不可行的。
航天器上搭载过的表面电位监测器，采用输入电极与被测介质接触的传感器都会改变该感应电极所收集电子、离子的电荷量，使测量不准确。而振动电容式静电计具有不改变被测表面电位分布的特点，但是用于航天器表面充电电位测量的静电计，由于要求低功耗、轻重量，使许多静电计的使用受到限制，因此需要专用的航天器表面电位传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法，所述方法有效地降低设计成本，采用所述方法设计的振动电容式表面电位监测传感器，克服了以往表面电位监测过程会影响到介质充电电荷量的缺点，同时降低了传感器的质量和功耗，便于空间搭载实时监测航天器表面充电电位。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法，所述方法 步骤如下：
（1）传感器的几何结构布置
所述传感器包括：电荷收集板、接地壳体、补偿电极、接地电极、感应电极和绝缘材料；其中，所述接地壳体为底端封闭、上端中心开孔的圆柱状壳体；补偿电极和接地电极均为中心开孔的圆形电极，补偿电极和接地电极的外径与接地壳体的圆柱体内径相配合；感应电极为圆形电极；绝缘材料为环形，内径大于接地壳体中间开孔直径；接地壳体内部由上往下依次布置补偿电极、接地电极和感应电极；圆形电荷收集板置于接地壳体上方，且通过绝缘材料与接地壳体电隔离；所述传感器为轴对称结构；
所述电荷收集板为无限薄的航天器表面常用的介质材料；
所述接地壳体材料为厚0.2mm的铝；
所述传感器的结构参数如下：
接地壳体的直径为D1、高为h；接地壳体上端开孔的孔径为D2，与电荷收集板的距离为d1；补偿电极的孔径为D3，与电荷收集板的距离为d2；接地电极的孔径为D4，与电荷收集板的距离为d3；感应电极的直径为D4；电荷收集板的直径为D1；其中，D2＜D3＜D4；
（2）建立计算模型
以电荷收集板中心为原点，以传感器中心轴线为Z轴，建立柱坐标系；传感器内部电位满足电位拉普拉斯方程，由于传感器采用轴对称结构，所以方程形式为：
式中，为接地壳体内部各点电位，r为所述各点到Z轴的距离； 
Z轴上的边界条件如下：
接地电极满足边界条件：
补偿电极边界条件：
式中，V1为补偿电极的电位；
电荷收集板表面边界条件：
式中，V2电荷收集板的电位；
通过有限差分方法进行中心差分求解上述静电场边值问题，得到传感器内部的电位分布情况；
（3）通过仿真计算选取传感器的几何参数，实现利用+10V电压调制-2000V电压；
①赋予步骤（1）所述结构参数初始值；
②假设补偿电极接地，在电荷收集板即被测电极上施加电压-2000V，即边界条件：
代入步骤（2）建立的模型中，计算得到传感器中心轴线上第一电位分布曲线；
③假设被测电极接地，在补偿电极上施加+10V电压，即边界条件：
代入步骤（2）建立的模型中，计算得到传感器中心轴线上第二电位分布曲 线；
通过调节各电极孔径和在接地壳体内部的位置，即改变边界条件，使得两条电位分布曲线在接地壳体内部轴线上求和叠加为0，由此能够确定感应电极的位置，同时也获得了各电极的孔径和位置参数。
所述传感器的工作原理如下：
感应电极在电荷收集板产生的电场中振荡产生位移电流，位移电流正比于电荷收集板电位，所述位移电流信号经过外接电路放大处理之后变为电压信号输出，同时经由反馈电路施加到补偿电极上，此时，补偿电极上的电位与被测电极上的电位共同作用，使得感应电极处电位为零。从输出缓冲器输出信号×200，即得到电荷收集板电位，从而实现表面电压的实时监测。
有益效果
本发明提供了一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法，并且采用仿真计算传感器几何参数，有效地降低设计成本。设计的振动电容式表面电位监测传感器，克服了以往表面电位监测过程会影响到介质充电电荷量的缺点，同时降低了传感器的质量和功耗，便于空间搭载实时监测航天器表面充电电位。
附图说明
图1为本发明所述传感器的结构示意图；
图2为本发明所述传感器轴线上电压分布图；
图3为本发明所述传感器的电路示意图；
其中，1-1电荷收集板、1-2接地壳体、1-3补偿电极、1-4接地电极、1-5感应电极、1-6绝缘材料、2-1电压（单位：V）、2-2第二电位分布曲线、2-3第一电位分布曲线、2-4Z坐标（单位：mm）、2-5第三电位分布曲线、3-1电压反馈电路、3-2输出缓存器、3-3反馈放大器、3-4相敏模块、3-5电压放大器、3-6前置放大器、3-7输入缓存器、3-8第一压电晶体、3-9限制放大器、3-10功率放大器、3-11音叉驱动线圈、3-12第二压电晶体、3-13音叉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
实施例1
一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法，所述方法步骤如下：
（1）传感器的几何结构布置
如图1所示，所述传感器包括：电荷收集板1-1、接地壳体1-2、补偿电极1-3、接地电极1-4、感应电极1-5和绝缘材料1-6；其中，所述接地壳体1-2为底端封闭、上端中心开孔的圆柱状壳体；补偿电极1-3和接地电极1-4均为中心开孔的圆形电极，补偿电极1-3和接地电极1-4的外径与接地壳体1-2的圆柱体内径相配合；感应电极1-5为圆形电极；绝缘材料1-6为环形，内径大于接地壳体1-2中间开孔直径；接地壳体1-2内部由上往下依次布置补偿电极1-3、接地电极1-4和感应电极1-5；圆形电荷收集板1-1置于接地壳体1-2上方，且通过绝缘材料1-6与接地壳体1-2电隔离；所述传感器为轴对称结构；
所述电荷收集板1-1为无限薄的航天器表面常用的介质材料；
所述接地壳体1-2材料为厚0.2mm的铝；
所述绝缘材料1-6为聚甲醛树脂环；
所述传感器的结构参数如下：
接地壳体1-2的直径为D1、高为h；接地壳体1-2上端开孔的孔径为D2，与电荷收集板1-1的距离为d1；补偿电极1-3的孔径为D3，与电荷收集板1-1的距离为d2；接地电极1-4的孔径为D4，与电荷收集板1-1的距离为d3；感应电极1-5的直径为D4；电荷收集板1-1的直径为D1；其中，D2＜D3＜D4；
（2）建立计算模型
以电荷收集板1-1中心为原点，以传感器中心轴线为Z轴，建立柱坐标系；传感器内部电位满足电位拉普拉斯方程，由于传感器采用轴对称结构，所以方程形式为：
式中，为接地壳体1-2内部各点电位，r为所述各点到Z轴的距离； 
Z轴上的边界条件如下：
接地电极1-4满足边界条件：
补偿电极1-3边界条件： 
式中，V1为补偿电极1-3的电位；
电荷收集板1-1表面边界条件：
式中，V2电荷收集板1-1的电位；
通过有限差分方法进行中心差分求解上述静电场边值问题，得到传感器内部的电位分布情况；
（3）通过仿真计算选取传感器的几何参数，实现利用+10V电压调制-2000V电压；
①赋予步骤（1）所述结构参数初始值：D1=10cm，D1=10cm，h=5cm，D2=8mm，D3=12mm，d2=28mm，D4=20mm，d3=29mm，D4=20mm，d1=25mm；
②假设补偿电极1-3接地，在电荷收集板1-1即被测电极上施加电压-2000V，即边界条件：
代入步骤（2）建立的模型中，计算得到传感器中心轴线上第一电位分布曲 线2-3，如图2所示；
③假设被测电极接地，在补偿电极1-3上施加+10V电压，即边界条件：
代入步骤（2）建立的模型中，计算得到传感器中心轴线上第二电位分布曲线2-2，如图2所示，图2为本发明所述传感器轴线上电压分布图，其中，横坐标为Z坐标2-4，纵坐标为电压2-1；
通过调节各电极孔径和在接地壳体1-2内部的位置，即改变边界条件，使得两条电位分布曲线在接地壳体1-2内部轴线上求和叠加为0，由此能够确定感应电极1-5的位置，同时也获得了各电极的孔径和位置参数。
通过调节各电极孔径和在壳体内部的位置，即改变边界条件，使得两条电位分布曲线在接地壳体1-2内部轴线上叠加得到第三电位分布曲线2-5，如图2所示；叠加电压为0的点出现在Z<50mm位置，在图中可以看出Z>37.0mm处电位为0，所以感应电极1-5放置在Z=37.0mm处。同时也获得了各电极的孔径和位置参数，参数为：D1=10cm，d1=25mm，D1=10cm，h=5cm，D2=8.4mm，D3=12mm，d2=28.2mm，D4=20mm，d3=29mm，D4=20mm。
如图3所示，所述传感器的外接电路包括：电压反馈电路3-1、输出缓存器3-2、反馈放大器3-3、相敏模块3-4、电压放大器3-5、前置放大器3-6、输入缓存器3-7、第一压电晶体3-8、限制放大器3-9、功率放大器3-10、音叉驱动线圈3-11、第二压电晶体3-12和音叉3-13；
输入缓存器3-7、前置放大器3-6、电压放大器3-5、相敏模块3-4、反馈放大器3-3、输出缓存器3-2依次连接；第一压电晶体3-8和第二压电晶体3-12分别与音叉3-13连接，第一压电晶体3-8、限制放大器3-9、功率放大器3-10、音叉驱动线圈3-11A端依次连接，音叉驱动线圈3-11B端接地，C端与音叉3-13连接，D端与第二压电晶体3-12连接；限制放大器3-9还与相敏模块3-4连接，反馈放大器3-3通过电压反馈电路3-1与补偿电极1-3相连；
其中，第一压电晶体3-8、限制放大器3-9、功率放大器3-10、音叉驱动线圈3-11、第二压电晶体3-12和音叉3-13构成音叉驱动电路。
所述传感器的工作原理如下：
感应电极1-5在电荷收集板1-1产生的电场中振荡产生位移电流，位移电流 正比于电荷收集板1-1电位，所述位移电流信号经过外接电路放大处理之后变为电压信号输出，同时经由反馈电路施加到补偿电极1-3上，此时，补偿电极1-3上的电位与被测电极上的电位共同作用，使得感应电极1-5处电位为零。从输出缓冲器输出信号×200，即得到电荷收集板1-1电位，从而实现表面电压的实时监测。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的优化方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)传感器的几何结构布置
所述传感器包括：电荷收集板(1-1)、接地壳体(1-2)、补偿电极(1-3)、接地电极(1-4)、感应电极(1-5)和绝缘材料(1-6)；其中，所述接地壳体(1-2)为底端封闭、上端中心开孔的圆柱状壳体；补偿电极(1-3)和接地电极(1-4)均为中心开孔的圆形电极，补偿电极(1-3)和接地电极(1-4)的外径与接地壳体(1-2)的圆柱体内径相配合；感应电极(1-5)为圆形电极；绝缘材料(1-6)为环形，内径大于接地壳体(1-2)中间开孔直径；接地壳体(1-2)内部由上往下依次布置补偿电极(1-3)、接地电极(1-4)和感应电极(1-5)；圆形电荷收集板(1-1)置于接地壳体(1-2)上方，且通过绝缘材料(1-6)与接地壳体(1-2)电隔离；所述传感器为轴对称结构；
所述传感器的结构参数如下：
接地壳体(1-2)的直径为D1、高为h；接地壳体(1-2)上端开孔的孔径为D2，与电荷收集板(1-1)的距离为d1；补偿电极(1-3)的孔径为D3，与电荷收集板(1-1)的距离为d2；接地电极(1-4)的孔径为D4，与电荷收集板(1-1)的距离为d3；感应电极(1-5)的直径为D4；电荷收集板(1-1)的直径为D1；其中，D2＜D3＜D4；
(2)建立计算模型
以电荷收集板(1-1)中心为原点，以传感器中心轴线为Z轴，建立柱坐标系；传感器内部电位满足电位拉普拉斯方程，由于传感器采用轴对称结构，所以方程形式为：
式中，为接地壳体(1-2)内部各点电位，r为所述各点到Z轴的距离；
Z轴上的边界条件如下：
接地电极(1-4)满足边界条件：
补偿电极(1-3)边界条件：
式中，V1为补偿电极(1-3)的电位；
电荷收集板(1-1)表面边界条件：
式中，V2电荷收集板(1-1)的电位；
通过有限差分方法进行中心差分求解静电场边值问题，得到传感器内部的电位分布情况；
(3)通过仿真计算选取传感器的几何参数，实现利用+10V电压调制-2000V电压；
①赋予步骤(1)所述结构参数初始值；
②假设补偿电极(1-3)接地，在电荷收集板(1-1)即被测电极上施加电压-2000V，即边界条件：
代入步骤(2)建立的模型中，计算得到传感器中心轴线上第一电位分布曲线(2-3)；
③假设被测电极接地，在补偿电极(1-3)上施加+10V电压，即边界条件：
代入步骤(2)建立的模型中，计算得到传感器中心轴线上第二电位分布曲线(2-2)；
通过调节各电极孔径和在接地壳体(1-2)内部的位置，即改变边界条件，使得两条电位分布曲线在接地壳体(1-2)内部轴线上求和叠加为0，由此能够确定感应电极(1-5)的位置，同时也获得了各电极的孔径和位置参数。
2.根据权利要求1所述的一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的优化方法，其特征在于：所述接地壳体(1-2)材料为厚0.2mm的铝。
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