CN104828263A - 一种用于航天器表面带电效应的监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于航天器表面带电效应的监测装置，包括：驱动模块、电位传感器、模拟信号处理电路和数字信号处理电路；该监测装置采用电路的闭环设计，当系统出现非线性失真时，电位传感器输出端的非线性失真与其输入端的波形叠加，则净输入信号经过放大后与非线性失真抵消，能够有效提高装置的线性度与稳定性，同时提高了探测精度。另外，所述电位传感器的体积小、重量轻，能够搭载到航天器内部各个位置进行全面的表面电位监测，并且采用非接触式测量，使得电位传感器不与航天器的被测表面接触，不会对被测表面的电荷测量产生影响。

Description

一种用于航天器表面带电效应的监测装置

技术领域

本发明涉及航天探测技术领域，尤其涉及一种用于航天器表面带电效应的监测装置。

背景技术

在太空中运行的航天器会受到空间高能带电粒子的冲击、碰撞，使得航天器结构地变化，从而导致仪器电位的参考点浮动，并且使得一些在轨的探测数据出现误差，特别是在大型航天器上，不同区域的电位是不同的，这种电位差会导致卫星结构体系的电荷流动，严重时会产生放电，对科学仪器造成破坏，损害航天器的安全。

国内早期的研究对于卫星带电效应重视程度并不高，而随着近几年太阳活动剧烈程度提高，空间环境日趋恶劣，带电效应对卫星的损害程度逐渐加重，使得国内多颗卫星相继出现严重故障，据分析都与带电效应相关。

发明内容

本发明的目的在于，为了能够有效监测出在轨运行的航天器表面受空间高能带电粒子的影响所导致的带电效应状况，提供一种用于航天器表面带电效应的监测装置。

为实现上述目的，本发明提供一种用于航天器表面带电效应的监测装置，包括：驱动模块、电位传感器、模拟信号处理电路和数字信号处理电路；所述的电位传感器通过驱动模块的频率驱动以连续采集航天器表面的带电信号；所述的模拟信号处理电路接收带电信号依次进行前置放大、低通滤波、移相、相敏解调、积分及高压放大处理，并将高压放大后的信号反馈至电位传感器，与电位传感器采集的航天器表面的带电信号进行波形叠加，以抵消系统非线性失真误差；波形叠加的信号经模拟信号处理电路依次进行前置放大、低通滤波、移相、相敏解调和积分后生成模拟信号；所述的数字信号处理电路将从模拟信号处理电路接收的模拟信号进行模数转换，并将生成的数字信号输出。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的电位传感器包括：转接器、压电陶瓷、感应电极、传感器底座和传感器外壳；所述的传感器底座和传感器外壳均为圆筒形结构，该传感器底座套设于传感器外壳的下端；所述的压电陶瓷设置于传感器底座内，其上端通过转接器与感应电极绝缘固定；所述的感应电极设置于传感器底座的上端开口处，该感应电极与嵌入传感器外壳内的航天器表面形成平行板电容；所述的平行板电容通过驱动模块驱动压电陶瓷沿垂直感应极板的方向运动，使得感应电极感应形成航天器表面的带电信号。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传感器底座的内径为11mm，厚度为1mm，高度为18mm，该传感器底座的下端向外延伸成直径为26mm的圆环形结构。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传感器外壳的内径为9mm，厚度为1mm，高度为29mm，该传感器外壳的上端向外延伸成直径为26mm的圆环形结构。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的转接器采用聚四氟乙烯材料制成。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的传感器底座和传感器外壳均采用铜金属制成。

本发明的一种用于航天器表面带电效应的监测装置的优点在于：

本发明的监测装置能够对航天器表面电位进行实时监测，采用电路的闭环设计，当系统出现非线性失真时，电位传感器输出端的非线性失真与其输入端的波形叠加，则净输入信号经过放大后与非线性失真抵消，能够有效提高装置的线性度与稳定性，同时提高了探测精度。另外，所述电位传感器的体积小、重量轻，能够搭载到航天器内部各个位置进行全面的表面电位监测，并且采用非接触式测量，使得电位传感器不与航天器的被测表面接触，不会对被测表面的电荷测量产生影响。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种用于航天器表面带电效应的监测装置的结构示意图。

图2是本发明实施例中的电位传感器结构示意图。

图3是本发明实施例中的监测装置在航天器上的位置关系图。

附图标记

1、传感器外壳    2、传感器底座    3、航天器表面

4、感应电极      5、压电陶瓷      6、转接器

7、航天器        8、电位传感器    9、电子学箱

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种用于航天器表面带电效应的监测装置进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种用于航天器表面带电效应的监测装置，包括：驱动模块、电位传感器、模拟信号处理电路和数字信号处理电路；所述的电位传感器通过驱动模块的频率驱动以连续采集航天器表面的带电信号；所述的模拟信号处理电路接收带电信号依次进行前置放大、低通滤波、移相、相敏解调、积分及高压放大处理，并将高压放大后的信号反馈至电位传感器，与电位传感器采集的航天器表面的带电信号进行波形叠加，以抵消系统非线性失真误差；波形叠加的信号经模拟信号处理电路依次进行前置放大、低通滤波、移相、相敏解调和积分后生成模拟信号；所述的数字信号处理电路将从模拟信号处理电路接收的模拟信号进行模数转换，并将生成的数字信号输出。

所述的模拟信号处理电路可通过设有的前置放大器、滤波器、移相器、相敏解调器、积分器及高压放大器分别实现信号的前置放大、低通滤波、移相、相敏解调、积分及高压放大功能。另外，所述的数字信号处理电路可通过设有的A/D转换器实现信号的模数转换功能，并将生成的数字信号通过设有的微处理器进行采集，并将采集到的数据发送至卫星数传。

本发明的监测装置采用闭环设计，将电位传感器探测到的电流信号进行前置放大、滤波、移相、相敏解调和积分处理后的信号反馈至探测信号的输入端，形成闭环工作模式，采用闭环工作模式即引入负反馈回路，当系统出现非线性失真时，电位传感器输出端的非线性失真与其输入端的波形叠加，则净输入信号经过放大后与非线性失真抵消，从而提高了系统的稳定性。

基于上述结构的监测装置，如图2所示，在本实施例中，所述的电位传感器包括：转接器6、压电陶瓷5、感应电极4、传感器底座2和传感器外壳1；其中传感器底座2和传感器外壳1均为圆筒形结构，该传感器底座2套设于传感器外壳1的下端，可通过螺丝进行固定。

所述的压电陶瓷5设置于传感器底座2内部，可通过螺丝与传感器底座2进行固定；所述的感应电极4设置于压电陶瓷5的上方，并通过转接器6与压电陶瓷5绝缘固定。所述的感应电极4设置于传感器底座2的上端开口处，该感应电极4与嵌入传感器外壳1内的航天器表面3形成平行板电容；所述的平行板电容通过驱动模块驱动压电陶瓷5沿垂直感应极板的方向运动，使得感应电极4感应形成航天器表面的带电信号。

基于上述结构的电位传感器，所述的监测装置采用振动电容原理，将感应电极4与航天器表面3构成平行板电容，利用压电陶瓷5垂直极板方向运动，由于电容两级电位差保持一致，电容的变化会使感应极板4产生充放电现象，感应出一个交变电流，即为航天器表面的带电信号。

另外，所述的传感器底座2与传感器外壳1均可采用铜金属制成，并且接地。所述传感器底座2的内径为11mm，厚度为1mm，整体高度为18mm，该传感器底座2的底端向外延伸成直径为26mm的圆环形结构，以方便固定；所述传感器外壳1的内径为9mm，厚度为1mm，整体高度为29mm，该传感器外壳1的顶端向外延伸成直径为直径为26mm的圆环结构，以方便与航天器固定。为了能够进行走线，所述传感器底座2和传感器外壳1均设有凹槽。

如图3所示，利用上述监测装置对在轨运行的航天器7的表面进行电位监测，该监测装置包含：多个电位传感器8以及一个电子学箱9，其中，电子学箱9内设有模拟信号处理电路、数字信号处理电路以及驱动模块。

电子学箱9中的驱动模块通过给予电位传感器8一个驱动频率使其振动，随后其感应航天器7的表面电位，将获取的电流信号传送至电子学箱9，电子学箱9中的模拟信号处理电路将接收到的电流信号进行前置放大，并对前置放大后的信号进行低通滤波，以减小噪声，随后对信号进行移相操作，保证后续的反馈为负反馈，接着可通过由模拟开关与减法器构成的解调器进行相敏解调，即先由模拟开关将滤波后的信号分为两部分，一部分是仅有前半个周期的信号，另一部分别是仅有后半个周期的信号，随后由减法器将两部分信号进行减法计算，得到馒头波信号，并对该馒头波信号进行积分，积分电容持续充电或者放电，将积分后的信号通过高压放大反馈至电位传感器的输入端，与输入端的信号叠加，净输入信号经过系统后与积分后信号抵消，最后达到动态平衡，构成闭环工作模式。从原理上来说，采用闭环工作模式即引入负反馈回路，当系统出现非线性失真时，输出端的非线性失真与输入端的波形叠加，则净输入信号经过放大后与非线性失真抵消，从而提高了系统的稳定性。

最后，电子学箱9中的数字信号处理电路对积分后的信号进行A/D转换成数字信号，随后将该数字信号发送至微处理器进行采集，并将采集到的信号发送至卫星数传。由于采样信号微弱，所述的电位传感器8可通过屏蔽电缆与电子学箱9进行连接。

上述监测装置能够有效监测航天器表面带电状态，信号处理电路采用闭环设计，能有效提高装置的线性度与稳定性。电位传感器采用压电陶瓷设计，体积小、重量轻，通过驱动其振动，带动其上方的感应电极垂直振动感应交变电流，使得电位传感器不与航天器的被测表面接触，不会对被测表面的电荷测量产生影响，提高了监测精度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于航天器表面带电效应的监测装置，其特征在于，包括：驱动模块、电位传感器、模拟信号处理电路和数字信号处理电路；所述的电位传感器通过驱动模块的频率驱动以连续采集航天器表面的带电信号；所述的模拟信号处理电路接收带电信号依次进行前置放大、低通滤波、移相、相敏解调、积分及高压放大处理，并将高压放大后的信号反馈至电位传感器，与电位传感器采集的航天器表面的带电信号进行波形叠加，以抵消系统非线性失真误差；波形叠加的信号经模拟信号处理电路依次进行前置放大、低通滤波、移相、相敏解调和积分后生成模拟信号；所述的数字信号处理电路将从模拟信号处理电路接收的模拟信号进行模数转换，并将生成的数字信号输出。

2.根据权利要求1所述的用于航天器表面带电效应的监测装置，其特征在于，所述的电位传感器包括：转接器(6)、压电陶瓷(5)、感应电极(4)、传感器底座(2)和传感器外壳(1)；所述的传感器底座(2)和传感器外壳(1)均为圆筒形结构，该传感器底座(2)套设于传感器外壳(1)的下端；所述的压电陶瓷(5)设置于传感器底座(2)内，其上端通过转接器(6)与感应电极(4)绝缘固定；所述的感应电极(4)设置于传感器底座(2)的上端开口处，该感应电极(4)与嵌入传感器外壳(1)内的航天器表面(3)形成平行板电容；所述的平行板电容通过驱动模块驱动压电陶瓷(5)沿垂直感应极板的方向运动，使得感应电极(4)感应形成航天器表面的带电信号。

3.根据权利要求2所述的用于航天器表面带电效应的监测装置，其特征在于，所述传感器底座(2)的内径为11mm，厚度为1mm，高度为18mm，该传感器底座(2)的下端向外延伸成直径为26mm的圆环形结构。

4.根据权利要求2所述的用于航天器表面带电效应的监测装置，其特征在于，所述传感器外壳(1)的内径为9mm，厚度为1mm，高度为29mm，该传感器外壳(1)的上端向外延伸成直径为26mm的圆环形结构。

5.根据权利要求2所述的用于航天器表面带电效应的监测装置，其特征在于，所述的转接器(6)采用聚四氟乙烯材料制成。

6.根据权利要求2所述的用于航天器表面带电效应的监测装置，其特征在于，所述的传感器底座(2)和传感器外壳(1)均采用铜金属制成。