CN104375008A - 星用介质材料温度梯度下体电导率的测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星用介质材料温度梯度下体电导率的测量方法及其装置，涉及介质材料电导率测量装置领域；所述方法包括如下步骤：（a）采用多层电路板加工工艺在介质材料内沿厚度方向设置排列至少四层测试电极层，每层测试电极层上设有至少一个测试电极片，沿厚度方向的上下相邻的两个测试电极片结构相同且位置对应，形成一对测试电极，每对测试电极中间的介质材料上设置一个温度传感器；（b）用模拟阳光的光源照射介质材料上表面，使得介质材料具有温度梯度分布；测量每对测试电极间的电压V和电流I，记录温度传感器所测量的温度值；（d）根据公式计算每对测试电极间介质材料的电导率，其中S为一个测试电极片的面积，d为每对测试电极沿厚度方向的距离。

Description

星用介质材料温度梯度下体电导率的测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及介质材料电导率测量装置技术领域。

背景技术

航天器的在轨失效案例告诉我们，介质内带电效应已经成为妨害航天器高可靠、长寿命运行的重要潜在威胁。航天器内带电是指空间高能带电粒子击穿航天器保护层，打入并沉积在介质内部，从而引发介质产生高电位和强电场。内带电容易导致介质材料性能退化，干扰电路系统正常工作，严重时发生介质击穿放电，很可能造成航天器永久失效。介质电导率是决定内带电效应的关键参数，电导率越小，介质内带电充电时间常数越大，对应的放电威胁越严重。温度是影响电导率的敏感参数，而且空间环境温度变化范围大，因此，分析材料电导率对温度的依赖关系，对准确评估内带电危害具有重要意义。

目前，已有研究集中在介质材料在单一温度下的内带电效应，这是因为主要考虑的是星内介质带电，而星内存在温控，可以忽略温度起伏变化。针对航天器的外露介质结构，如卫星天线支撑物，有必要分析存在温度梯度下的内带电规律。航天器用高分子绝缘介质材料本身是热的不良导体，其处在空间冷黑环境中，在光照与阴暗面之间势必存在温度梯度分布，相应的，介质电导率出现空间分布，这与单一温度下的内带电情况显然是不同的。然而，这方面研究仍属空白，相应的测试装置也未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种星用介质材料温度梯度下体电导率的测量方法及其装置，能实现介质材料温度梯度下不同位置的体电导率的测量，能够考察不同光照倾角时的温度变化范围，测试直观、方便、准确，测试效率高、结构简单、易于实现。为考察介质材料的导电性能及热性能提供可行的试验方案，为卫星外露介质内带电效应评估提供可靠的输入参数，对准确评估内带电危害具有重要意义。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种星用介质材料温度梯度下体电导率的测量方法，包括如下步骤：

（a） 采用多层电路板加工工艺在介质材料内沿厚度方向设置排列至少四层测试电极层，每层测试电极层上设有至少一个测试电极片，沿厚度方向的上下相邻的两个测试电极片结构相同且位置对应，形成一对测试电极，每对测试电极中间的介质材料上设置一个温度传感器；

（b）用模拟阳光的光源照射介质材料上表面，使得介质材料具有温度梯度分布；

（c）测量每对测试电极间的电压V和电流I，记录温度传感器所测量的温度值； 

（d）根据公式计算每对测试电极间介质材料的电导率，其中S为一个测试电极片的面积，d为每对测试电极沿厚度方向的距离。

进一步的技术方案，所述的每层测试电极层上设有2个以上测试电极片。

进一步的技术方案，所述的步骤（b）的方法还包括在介质材料四周加装隔热层，在介质材料底部加装低温层，使介质材料沿厚度方向形成垂直向下的温度梯度分布。

一种星用介质材料温度梯度下体电导率的测量装置，包括热源、温度采集装置、电压电流采集电路和采用多层电路板加工工艺沿厚度方向设置在被测的介质材料内的至少四层金属层；每层金属层上至少设有一片金属片，上下两层金属层间的金属片结构相同且位置对应；每个金属片边缘引出一根引线，所述引线与电压电流采集电路连接，相邻的上下两个金属片形成一对测试电极；所述热源位于被测的介质材料的上部，以一定角度照射被测的介质材料上表面；所述温度采集装置包括温度传感器、温度采集电路、温度显示电路，所述温度传感器放置在相邻的上下两个金属片所形成的测试电极的中间介质层中，所述温度传感器与温度采集电路连接，所述温度采集电路与温度显示电路连接。

进一步的技术方案，被测的介质材料的四周还包覆有隔热层。

进一步的技术方案，被测的介质材料底部还铺有低温层。

进一步的技术方案，所述低温层为干冰层。

进一步的技术方案，所述金属片为铜片。

进一步的技术方案，所述热源为红外加热灯阵或太阳模拟器。

进一步的技术方案，所述被测的介质材料为环氧树脂、聚酰亚胺或聚四氟乙烯中的一种或者其中一种的改性介质材料，所述改性主要是通过掺杂玻璃粉、玻璃布等其他材料形成的新介质材料。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：实现了介质材料温度梯度下电导率的测量，能够考察不同温度梯度下的介质材料内部温度和电导率实时变化情况，能够考察不同光照倾角时的温度变化范围，为考察介质材料的导电性能及热性能提供可行的试验方案，为卫星外露介质内带电效应评估提供可靠的输入参数；分析材料电导率对温度的依赖关系，对准确评估内带电危害具有重要意义；本发明结构简单、易于实现，与现有的单一温度下测试体电导率的方法中测试电极暴露在空气中相比，由于采用多层电路板加工工艺，使得测试电极片位于介质材料内部，避免了电极受湿度、空气等影响而形成干扰电流，电极的抗干扰性好，测试结果更加准确；且热源对被测的介质材料进行照射，使得被测的介质材料具有温度梯度，并在被测的介质材料内加设温度传感器，一次实验即可测量多种温度下的介质材料电导率，减少了测试步骤，节省了测试时间，提高了测试效率。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是图1中金属片的结构示意图；

图3是图1中电压电流采集电路的电路原理图；

图4是本发明实施例2中金属层的结构示意图；

在附图中：1、介质材料，2、金属片，3、隔热层，4、导热板，5、热源，6、干冰层，7、引线，8、温度传感器，9、引脚。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，星用介质材料温度梯度下体电导率的测量装置，包括热源5、温度采集装置、电压电流采集电路和采用多层电路板加工工艺沿厚度方向设置在被测的介质材料1内的6层金属层。被测的介质材料1为环氧树脂、聚酰亚胺或聚四氟乙烯中的一种或者其中一种的改性介质材料，改性介质材料主要是通过掺杂玻璃粉、玻璃布等其他材料形成的新介质材料，将被测的介质材料1制作成正方体形。每层金属层上设有一片面积为S的金属片2，每个金属片2均为大小相同的圆形铜片，金属片2的圆心在一条直线上，金属片2的直径接近被测的介质材料1的边长，以加大金属片2与被测的介质材料1的接触面积，提高金属片2的利用率。铜片极薄，且具有良好的导热性能，因此，可以保证与铜片接触的介质材料温度均匀，而在深度方向铜片对被测的介质材料1的导热影响可以忽略。相邻的上下两个金属片2形成一对测试电极。

如图2所示，每个金属片2边缘设有一引脚9，引脚9与引线7连接，引线7与电压电流采集电路连接，引脚9边缘光滑，防止测试电压形成末端强电场，每层的引脚9朝向不同，保证金属片2形成的有效的电极面积仍是圆片面积。

热源5位于被测的介质材料1的上部，以一定角度照射被测的介质材料1上表面。热源5采用红外灯阵照射被测的介质材料1上表面。被测的介质材料1的四周包覆隔热层3，隔热层3可采用泡沫、石棉等材料，隔热层3的厚度要均匀，以使得被测的介质材料1前后左右的隔热性相同。底部设有导热板4，导热板4底部再铺设干冰层6。这样被测的介质材料1的热传导方向沿厚度方向垂直向下，形成垂直向下的温度梯度。

温度采集装置包括温度传感器8、温度采集电路、温度显示电路，温度传感器8放置在相邻的上下两个金属片2所形成的测试电极的中间介质层中，温度传感器8与温度采集电路连接，温度采集电路与温度显示电路连接。温度传感器8采用DS18B20， DS18B20具有体积小（3mm），硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，其测温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，从而可实现高精度测温，而且在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，即响应时间在微秒量级。放置传感器时，为了尽量避免传感器对试样温度传递的影响，传感器从上至下依次错落排开，相邻两个传感器在深度方向（z方向）间隔为定值，而在x-y平面上对应的投影的距离尽量拉大。因为其尺寸在3mm左右，要实现<3mm的垂直空间分辨率，需要在垂直方向有一定重叠，即类似于                                                结构。

电压电流采集电路如图3所示，图中黑色圆点代表6个金属片2，即6个测试电极，上下相邻的金属片2构成一对测试电极，总共5对测试电极。金属片2采用并联方式与电源连接，每对金属片2两端的电压相同，由电压表测量得出。每对金属片2间流过的电流，可由电流表测量数据换算得到，即，。然后根据公式计算每对测试电极间介质材料1的电导率。

测量时，多支测温传感器同时进行测量，温度显示电路实时显示温度传感器8所测量的温度，记录每层金属层间被测的介质材料1的温度值，可以得到温度和电导率随时间变化曲线。待达到稳定状态，就得到了被测的介质材料1中随深度分布的温度和电导率数据。

热源5也可采用太阳模拟器，如果采用太阳模拟器，即可考察不同光照倾角时，温度变化范围，为卫星外露介质的内带电评估提供可靠数据。

实施例2

图4给出了本发明的另一种实施方式，该星用介质材料1温度梯度下体电导率的测量装置与实施例1的区别在于，被测的介质材料1的金属层上的金属片2的数量大于1个，上下相邻的金属片2的结构相同，位置对应。如图4所示，给出了每一层金属层上以阵列形式排列的金属片2。温度传感器8设置在每片金属片2上的被测的介质材料1内。本实施例主要针对热源分布不均匀或者边界隔热条件不对称时，温度在介质内呈三维分布的情况。即在每层布局多个金属片2，就得到了介质材料1温度和电导率的三维分布结果。对于其他需要更加密集的布局可以类似实现。 

Claims (10)

1.一种星用介质材料温度梯度下体电导率的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

（a） 采用多层电路板加工工艺在介质材料（1）内沿厚度方向设置排列至少四层测试电极层，每层测试电极层上设有至少一个测试电极片，沿厚度方向的上下相邻的两个测试电极片结构相同且位置对应，形成一对测试电极，每对测试电极中间的介质材料（1）上设置一个温度传感器（8）；

（b）用模拟阳光的光源照射介质材料（1）上表面，使得介质材料（1）具有温度梯度分布；

（c）    测量每对测试电极间的电压V和电流I，记录温度传感器（8）所测量的温度值； 

（d）根据公式                                               计算每对测试电极间介质材料（1）的电导率，其中S为一个测试电极片的面积，d为每对测试电极沿厚度方向的距离。

2.根据权利要求1所述的星用介质材料温度梯度下体电导率的测量方法，其特征在于所述的每层测试电极层上设有2个以上测试电极片。

3.根据权利要求1所述的星用介质材料温度梯度下体电导率的测量方法，其特征在于所述的步骤（b）的方法还包括在介质材料（1）四周加装隔热层（3），在介质材料（1）底部加装低温层，使介质材料（1）沿厚度方向形成垂直向下的温度梯度分布。

4.一种采用权利要求1所述的星用介质材料温度梯度下体电导率的测量方法的测量装置，其特征在于包括热源（5）、温度采集装置、电压电流采集电路和采用多层电路板加工工艺沿厚度方向设置在被测的介质材料（1）内的至少四层金属层；每层金属层上至少设有一片金属片（2），上下两层金属层间的金属片（2）结构相同且位置对应；每个金属片（2）边缘引出一根引线（7），所述引线（7）与电压电流采集电路连接，相邻的上下两个金属片（2）形成一对测试电极；所述热源（5）位于被测的介质材料（1）的上部，以一定角度照射被测的介质材料（1）上表面；所述温度采集装置包括温度传感器（8）、温度采集电路、温度显示电路，所述温度传感器（8）放置在相邻的上下两个金属片（2）所形成的测试电极的中间介质层中，所述温度传感器（8）与温度采集电路连接，所述温度采集电路与温度显示电路连接。

5.根据权利要求4所述的星用介质材料温度梯度下体电导率的测量装置，其特征在于被测的介质材料（1）的四周还包覆有隔热层（3）。

6.根据权利要求4所述的星用介质材料温度梯度下体电导率的测量装置，其特征在于被测的介质材料（1）底部还铺有低温层。

7.根据权利要求6所述的星用介质材料温度梯度下体电导率的测量装置，其特征在于所述低温层为干冰层（6）。

8.根据权利要求4所述的星用介质材料温度梯度下体电导率的测量装置，其特征在于所述金属片（2）为铜片。

9.根据权利要求4所述的星用介质材料温度梯度下体电导率的测量装置，其特征在于所述热源（5）为红外加热灯阵或太阳模拟器。

10.根据权利要求4所述的星用介质材料温度梯度下体电导率的测量装置，其特征在于所述被测的介质材料（1）为环氧树脂、聚酰亚胺或聚四氟乙烯中的一种或者其中一种的改性介质材料。