CN105158586A

CN105158586A - 主动式空间电场探测传感器内置电路

Info

Publication number: CN105158586A
Application number: CN201510576446.3A
Authority: CN
Inventors: 崔阳; 李世勋; 宗朝; 李�诚; 刘泽; 孙健
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种主动式空间电场探测传感器内置电路，包括电路板，电路板上设有第一电势信号输入口、第二电势信号输入口、第一输入电阻绝缘保护块、第二输入电阻绝缘保护块、输入保护电阻、第一保护二极管、第二保护二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、输出保护电阻、电势输出口、第一分压电阻、第二分压电阻、偏置电流控制信号入口、滤波RC电路和电压-电流转换电阻，第一电势信号输入口和第二电势信号输入口为悬浮相互隔离地设置。本发明具有体积小、重量轻、检测精度高，可在宇航特种环境下高可靠性工作的特点，其传感器电势探测精度可达0.3uV（DC～16Hz）、输出偏置电力精度可达10pA的技术指标。

Description

主动式空间电场探测传感器内置电路

技术领域

本发明涉及空间环境探测及仪器仪表技术领域，尤其是一种主动式空间电场探测传感器内置电路。

背景技术

空间电场探测仪是一种用于空间等离子体环境电场探测的仪器，主要是利用两个电场探测传感器对空间等离子体环境电势进行敏感和检测，两个传感器之间存在电势差，即存在电场。空间电场探测主要可分为主动式和被动式探测两种探测方法，其中主动式需要向电场探测传感器表面输入偏置电流，用于对传感器表面与空间等离子环境之间的耦合阻抗进行调节（合适的偏置电流可有效的降低耦合阻抗，提高探测精度）；被动式探测无需向传感器表面输入偏置电流，因此传感器表面与空间等离子体环境之间的耦合阻抗较大，相应探测精度较低。

主动式空间电场探测传感器的内置电路是传感器的技术，用于传感器耦合空间等离子体环境电势的输出、阻抗变换及偏置电流的转换和输出，传感器的功能、性能均由内置电路实现和保证。

现有的电场探测传感器主要为地面应用，存在的缺点为体积大、电路复杂、功耗大、可靠性低，不适用于航天器在空间轨道环境下工作的特种要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种主动式空间电场探测传感器内置电路，结构巧妙，探测精度高、体积小、质量轻、功耗小。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种主动式空间电场探测传感器内置电路，包括电路板，电路板上设有第一电势信号输入口、第二电势信号输入口、第一输入电阻绝缘保护块、第二输入电阻绝缘保护块、输入保护电阻、第一保护二极管、第二保护二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、输出保护电阻、电势输出口、第一分压电阻、第二分压电阻、偏置电流控制信号入口、滤波RC电路和电压-电流转换电阻，第一电势信号输入口依次与输入保护电阻、第一运算放大器、输出保护电阻和电势输出口电连接，第二电势信号输入口依次与电压-电流转换电阻、第二运算放大器、滤波RC电路和偏置电流控制信号入口电连接，输入保护电阻经第一输入电阻绝缘保护块固定在电路板上，电压-电流转换电阻经第二输入电阻绝缘保护块固定在电路板上；第一保护二极管和第二保护二极管并联连接，一端连接在输入保护电阻和第一运算放大器之间的电路上，另一端经第二分压电阻与第二运算放大器连接，还与第一运算放大器和输出保护电阻之间的电路连接；第一分压电阻一端连接在第二分压电阻与第二运算放大器之间电路上，第一电势信号输入口和第二电势信号输入口为悬浮相互隔离地设置。

进一步地，第一运算放大器的输入电压和输出电压相差小于0.7V。

进一步地，第一运算放大器和第二运算放大器均为OPA2140型，带宽增益积为13MHz，且为双通道。

本发明的工作原理为：基于主动式空间电场探测的技术特点，利用第一运算放大器对传感器表面敏感电势进行输出，由于传感器表面与空间等离子体环境耦合阻抗可达MΩ级，为了实现阻抗变换(高阻输入、低阻输出)，因此采用的第一运算放大器具有输入高阻的特点(达10¹³Ω)，有效提高了传感器探测精度；基于V（电压）/I（电流）转换原理，利用电压分压、跟随和差分技术，将传感器敏感到的空间等离子体环境电势跟随至电压-电流转换电阻的一端，使电压-电流转换电阻两端的压差保持为输入的偏置电流控制信号电压，从而实现了传感器高精度偏置电流的输出(精度达到10pA)；经过转换之后，偏置电流只与输入偏置电流控制信号和电压-电流转换电阻相关，可同时输出直流+交流的偏置电流输出，保证了从而保证了主动式探测阻抗校准功能的实现。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明电路拓扑形式简单，可实现空间电场的高精度检测(输出电压噪声优于0.3uV，DC～16Hz)；偏置电流变换电路简单、可靠，可同时实现直流+交流偏置电流的输出，偏置电流范围为±1uA，精度优于10pA；1只双通道运算同时实现了前置放大器和偏置电流转换电路，有效提高了电路的对称性，节省了电路板的体积(电路板体积仅为φ40mm)，适合于主动式电场探测传感器的内部安装；很好的解决了航天产品要求体积小、质量轻、可靠性高与性能高之间的矛盾，为空间电场探测传感器提供了高精度、可靠的电势输出方法，以及直流+交流偏置电流转换和输出的方法。

附图说明

图1是本发明主动式空间电场探测传感器内置电路的电路板结构示意图；

图2是本发明主动式空间电场探测传感器内置电路的电路原理示意图；

图1中，1为第一传感器电势信号入口、14为第二传感器电势信号入口，2为第一输入电阻绝缘保护块、12为第二输入电阻绝缘保护块，3为输入保护电阻，4为第一保护二极管，16为第二保护二极管，5为第一运算放大器，11为第二运算放大器，6为输出保护电阻，7为传感器电势输出接口，8为第一分压电阻、15为第二分压电阻，9为偏置电流控制信号入口，10为滤波RC电路，13为电压-电流转换电阻，17为电路板。

图2中，R1、C1构成偏置电流滤波RC电路；R2、R3为放大器匹配电阻；R4、R5为分压电阻；R6为电压-电流转换电路；U1A为运算放大器(用于电压减法运算)；R7、R9用于运放输入保护；二极管D1、D2用于输入接口保护；R10用于输出接口保护；R8、C4构成RC滤波电路，用于电势引导；C2用于信号滤波；C3用于运放U1A相位补偿；电容C5、C6、C7、C8用于电源滤波。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

图1是根据本发明实现的一种主动式空间电场探测传感器内置电路板布局，主要包括以下组成部分：第一传感器电势信号入口1，第二传感器电势信号入口14、第一输入电阻绝缘保护块2、第二输入电阻绝缘保护块12、输入保护电阻3、第一保护二极管4，第二保护二极管16、第一运算放大器5，第二运算放大器11、输出保护电阻6、传感器电势输出口7、第一分压电阻8，第二分压电阻15、偏置电流控制信号入口9、滤波RC电路10、电压-电流转换电阻13、电路板17。第一传感器电势信号入口1和第二传感器电势信号入口14采用了悬浮隔离技术，保证第一运算放大器5和第二运算放大器11信号输入端的绝缘阻抗在10¹³Ω以上。

上述各元器件的连接组成为：

（1）第一输入电阻绝缘保护块2和第二输入电阻绝缘保护块12通过2个安装孔安装于电路板上，输入保护电阻3和电压-电流转换电阻13通过硅橡胶粘固的方式分别固定于第一输入电阻绝缘保护块2和第二输入电阻绝缘保护块12上；

（2）第一传感器电势信号入口1焊接于输入保护电阻3的输入端，输入保护电阻3通过飞线连接至第一运算放大器5的负向输入端，并联连接的第一保护二极管4和第二保护二极管16一端也与输入保护电阻3通过飞线连接，第一保护二极管4和第二保护二极管16的阳极、阴极交叉安装；

（3）输出保护电阻6与第一运算放大器5输出端连接，传感器电势输出接口7与输出保护电阻6另一端连接；

（4）并联连接的第一保护二极管4和第二保护二极管16的另一端（分别为阳极和阴极）与第二分压电阻15连接，第二分压电阻15另一端与第一分压电阻8一端和第二运算放大器11正向输入端连接；

（5）偏置电流控制信号接口9与RC滤波电路10一端连接，RC滤波电路10另一端与第二运算放大器11负向输入端连接；

（6）第二运算放大器11输出端与电压-电流转换电阻13一端通过飞线连接，电压-电流转换电阻13另外一端与第二传感器电势信号入口14连接。

第一运算放大器5对输入的传感器电势信号进行跟随输出，第一保护二极管4和第二保护二极管16对输入的传感器电势信号进行限幅保护；保护电阻6对第一运算放大器5输出接口进行限流保护；输出电势信号通过第一分压电阻8和第二分压电阻15分压之后输入至第二运算放大器11，偏置电流控制信号9通过RC滤波10之后连接也输入至第二运算放大器11，第二运算放大器11对输入的2个信号进行减法运算并输出；第二传感器输入电势信号14连接至传感器表面，电压-电流转换电阻12两端的压差保持为偏置电流控制信号的反相，偏置电流通过第二传感器输入电势信号14输入至传感器表面。

本发明利用电压分压、跟随和差分技术，将传感器敏感到的空间等离子体环境电势跟随至电压-电流转换电阻13的两端，使电压-电流转换电阻13两端的压差保持为输入的偏置电流控制信号电压的反相，实现了高精度偏置电流输出(精度达到10pA)；使偏置电流只与输入偏置电流控制信号和电压-电流转换电阻13相关，可实现交流恒流源(偏置电流控制信号为交流时)，从而保证了主动式探测偏置电流校准功能的实现。

利用保护二极管电路，使第一运算放大器5输入、输出电压不能超过0.7V(二极管压降)，有效的保护了第一运算放大器5。

采用的OPA2140型的第一运算放大器5和第二运算放大器11，输入阻抗很高(达10¹³Ω)，可以最大程度的提高电场探测传感器对空间等离子体环境电势探测的精度；同时OPA2140型第一运算放大器5和第二运算放大器11输入偏置电流和输入失调电流极低，可以最大程度的保证内置电路输出传感器偏置电流的精度。

采用的OPA2140型第一运算放大器5和第二运算放大器11的带宽增益积为13MHz，特别适用于空间等离子体环境电势的探测；OPA2140型第一运算放大器5和第二运算放大器11电源抑制比达到120dB，可有效提高电场探测传感器的探测精度；OPA2140型第一运算放大器5和第二运算放大器11具有极低的温漂系数(1uV/℃)，特别适用于空间环境应用(空间环境下温度变化较大，不易实现高精度的热控)。

采用的OPA2140型第一运算放大器5和第二运算放大器11均为双通道，因此一只OPA2140可同时实现第一运算放大器5和第二运算放大器11电路，因此可保证第一运算放大器5和第二运算放大器11电路具有良好的对称性，同时可有效的减小和节省电路板的体积。

图2是根据本发明实现的一种主动式空间电场探测传感器内置电路电原理图。双通道运算放大器选用OPA2140，其具有10¹³Ω的输入阻抗，其输入偏置电流和输入失调电流极低，分别为75fA和30fA，输入电压噪声为8nV/Hz^1/2，为了提高传感器探测精度，采用瓷介电容C5、C6、C7、C8对运算放大器用±15V电源进行滤波；偏置电流控制信号经过RC滤波后连接至运算放大器U1A的负向输入端，通过匹配电阻R2、R3配置，使偏置电流控制信号放大倍数为-1；传感器输入电势信号经过保护电阻之后连接至运算放大器U1B（实质为电压跟随器）正向输入端，电压跟随器输出通过保护电阻（R10）之后为传感器输出电势信号；电压跟随器U1B输出通过分压电阻R4、R5（分压比为1/2）之后连接至运算放大器U1A正向输入端，此时运算放大器U1A的输出端电压为V_sphere-V_yk；相应电压-电流转换电阻R6右端电压为V_sphere-V_yk，左端电压为V_sphere，因此其压差为-V_yk。由此，偏置电流大小为i=-V_yk/R₆，即偏置电流大小与类型只与偏置电流控制信号和电阻R6相关。设计R6=10MΩ，V_yk为±10V输入，因此可实现±1uA的偏置电流输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种主动式空间电场探测传感器内置电路，其特征在于：包括电路板，电路板上设有第一电势信号输入口、第二电势信号输入口、第一输入电阻绝缘保护块、第二输入电阻绝缘保护块、输入保护电阻、第一保护二极管、第二保护二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、输出保护电阻、电势输出口、第一分压电阻、第二分压电阻、偏置电流控制信号入口、滤波RC电路和电压-电流转换电阻，第一电势信号输入口依次与输入保护电阻、第一运算放大器、输出保护电阻和电势输出口电连接，第二电势信号输入口依次与电压-电流转换电阻、第二运算放大器、滤波RC电路和偏置电流控制信号入口电连接，输入保护电阻经第一输入电阻绝缘保护块固定在电路板上，电压-电流转换电阻经第二输入电阻绝缘保护块固定在电路板上；第一保护二极管和第二保护二极管并联连接，一端连接在输入保护电阻和第一运算放大器之间的电路上，另一端经第二分压电阻与第二运算放大器连接，还与第一运算放大器和输出保护电阻之间的电路连接；第一分压电阻一端连接在第二分压电阻与第二运算放大器之间电路上，第一电势信号输入口和第二电势信号输入口为悬浮相互隔离地设置。

2.如权利要求1所述主动式空间电场探测传感器内置电路，其特征在于：第一运算放大器的输入电压和输出电压相差小于0.7V。

3.如权利要求1所述主动式空间电场探测传感器内置电路，其特征在于：第一运算放大器和第二运算放大器均为OPA2140型，带宽增益积为13MHz，且为双通道。