CN109752602B - 一种空间站电位检测仪静电荷清零方法及清零电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间站电位检测仪静电荷清零方法及清零电路，有效解决微分电容分压式空间站电位检测仪固有的漏电流带来的信号漂移，通过本发明的静电荷清零使得在测量前分压电容恢复上电初始电荷平衡状态，能够在测量空间站悬浮电位时能够有效解决由于静电荷不断泄漏带来的误差超标问题，使得空间站电位检测探测悬浮电位测量更加准确可信，此方法简单、实用、可靠。

Description

一种空间站电位检测仪静电荷清零方法及清零电路

技术领域

本发明属于空间电位检测技术领域，具体涉及一种空间站电位检测仪静电荷清零方法及清零电路。

背景技术

我国空间站运行于倾角为42°、350km～450km高度的轨道，该轨道处于地球电离层的F2区，该区域充满了大量高密度低温等离子体。由于空间站采用了100V大功率太阳电池阵，太阳电池阵上裸露的正电极电位高于等离子体电位，会从等离子体环境中吸收电子，将引起空间站结构电位(相对于空间等离子体)升高，耦合平衡时电位约为-90V。同时因空间站尺寸较大，其结构切割地磁场也会在空间站的两端产生感应电势，最高可达-22V，两种诱因综合作用下，空间站结构极限充电电位约为(-112～0)V。

空间站电位检测仪主要包括郎缪尔探针传感器球体和检测电路两部分。根据文献调研，电位检测仪的朗缪尔探针悬浮电位随对地漏电流的增加而增加，而当朗缪尔探针和空间站结构地之间的漏电流控制在小于50nA时，传感器球体悬浮电位范围为(-0.33V～-0.82)V。由于朗缪尔探针线路和检测电路对地不是理想的绝缘体，绝缘电阻也不是无穷大，所以会有电荷泄漏，形成漏电流，检测仪每次加电测量时电位初始值不为零，长期测量时会造成检测仪输出电位出现漂移现象。漏电流不可能完全消除，只有在严格控制电位检测仪朗缪尔探针球体与空间站结构地之间漏电流在一定范围内时，才能保证悬浮电位测量误差较低，或者通过一定控制方法在每次测量电位时将电荷平衡保持在初始态。。电位检测仪就是为了监测空间站结构表面悬浮电位的仪器，测量输出(0～5)V电压。经过对电位检测仪产品地面长时间测试的三组数据参见表1所示。

表1电位检测仪输出电压漂移量地面测试数据

测试数据表明：电位检测仪加电工作时间越长，漂移量越大。长时间工作时，会导致检测仪输出测量误差增大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种空间站电位检测仪静电荷清零方法及清零电路，能够有效解决由于漏电流带来的误差超标问题。

一种空间站电位检测仪静电荷清零方法，其中，空间站电位检测仪包括郎缪尔探针及检测电路，朗缪尔探针21通过导线连接检测电路22，其中，检测电路22中包括两个串连的高压臂电容C1、低压臂电容C2和测量放大电路，朗缪尔探针21的导线连接高压臂电容C1，所述方法包括：

将电位检测仪中朗缪尔探针21连接检测电路22的线路断开，并将高压臂电容C1通过导线接地，此时高压臂电容C1中保持的电荷开始向地泄放；

在高压臂电容保C1持接地期间，将检测电路22的低压臂电容C2通过导线接地；

经过一段设定时间后，先将检测电路22的低压臂电容C2与地切断；

再经过一段时间后，将高压臂电容C1的接地切断，同时朗缪尔探针21与检测电路22重新连接，完成清零。

一种种空间站电位检测仪静电荷的清零电路，包括微控制器电路、驱动电路、继电器S1和继电器S2；

检测电路中高压臂电容C1和低压臂电容C2之间引出一个接点C；朗缪尔探针21线路连接到检测电路22的线路上断开，形成节点A和节点B；节点A和节点B之间连接一个单刀双掷继电器S1；继电器S1的第4脚与节点B连接，S1的常闭端第3脚与节点A连接，S1的常开端第5脚接地；继电器S2的第4脚与节点C连接，S2的常开端第5脚接地；

驱动电路的两个输出端分别连接继电器S1和S2的线圈控制端；

所述微控制器电路发出继电器S1和S2线圈通电或者掉电的控制指令；所述驱动电路根据控制指令驱动继电器S1和S2线圈的通断。

较佳的，在初始状态，微控制器发出高电平的探针清零指令，驱动电路向继电器S1线圈输出低电位；

延迟t1时间后，微控制器发出高电平的检测电路清零指令，驱动电路向继电器S2输出低电位；

再经过t2时间延迟后，微控制器发出低电平的检测电路清零指令，驱动电路向继电器S2输出高电平；

延迟t3时间后，微控制器发出低电平的探针清零指令，驱动电路向继电器S1线圈输出高电平，清零过程结束。

较佳的，t2为2.5s；t1和t3 50ms～70ms。

本发明具有如下有益效果：

本发明的电位检测仪静电荷清零方法，有效解决微分电容分压式空间站电位检测仪固有的漏电流带来的信号漂移，通过本发明的静电荷清零使得在测量前分压电容恢复上电初始电荷平衡状态，能够在测量空间站悬浮电位时能够有效解决由于静电荷不断泄漏带来的误差超标问题，使得空间站电位检测探测悬浮电位测量更加准确可信，此方法简单、实用、可靠。

附图说明

图1为本发明的电荷清零方法流程图；

图2为本发明的电荷清零时序图；

图3为本发明实现清零方法的控制电路原理图。

图4为驱动电路原理图。

1-清零电路，2-电位检测仪电路，21-朗缪尔探针，22-检测电路。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图3所示，空间站电位检测仪包括朗缪尔探针21和检测电路22，朗缪尔探针21通过导线连接检测电路22，其中，检测电路22中包括两个串连接地的高压臂电容C1、低压臂电容C2和测量放大电路，朗缪尔探针21的导线连接高压臂电容C1；朗缪尔探针浸润在空间等离子体中，吸收等离子环境中的电子和离子，当耦合平衡后，空间站悬浮电位为负电位。根据背景技术所述空间站在等离子体环境充电和地磁场诱导充电两种综合作用下的极限充电电压可达-112V。在电路设计时考虑余量，电位检测仪检测电压范围扩展为(-150～0)V，输出电压(0～5)V。虽然电位检测仪采用了高阻设计，但即便这样探针线路和检测电路电容上仍会有电荷泄漏，电位检测仪与空间站结构地之间存在漏电流，而漏电流会造成电位检测仪悬浮电位发生漂移，测量误差超标。

为了将漏电流降低在一定范围内，本发明提供了一种电位检测仪静电荷清零的控制方法，如图1所示，方法如下：

将电位检测仪中朗缪尔探针21连接检测电路22的线路断开，并将高压臂电容C1通过导线接地，此时高压臂电容C1中保持的电荷开始向地泄放；

在高压臂电容C1保持接地期间，将检测电路的低压臂电容C2通过导线接地；

经过一段设定时间后，先将检测电路的低压臂电容C2与地切断；

再经过一段时间后，将高压臂电容C1的接地切断，同时探针21与后端检测电路22重新连接，完成清零。

静电荷清零控制的完整时序为：朗缪尔探针清零开→电路清零开→电路清零关→朗缪尔探针清零关。

朗缪尔探针清零和检测电路清零开启时序不能颠倒，原因在于：假如检测电路清零在朗缪尔探针清零前，当检测电路清零动作执行完成、而朗缪尔探针清零未执行时，朗缪尔探针与高压臂电容C1一直为连通状态，电容C1的上极板保持空间站负悬浮电位，电容C1的下极板被强制拉到地电位，低压臂电容C2的电荷平衡状态被打破，无法恢复到原电荷平衡状态，进而这种情况下输出信号被拉低为零位信号。所以当清零开启时，需要首先将高压臂电容C1与朗缪尔探针21断开并保证高压臂电容C1的B点接地，然后再将低压臂电容C2上保持的电荷泄放掉；当清零关闭时，首先将检测电路22中C点处与地切断，保证C1和C2连接，没有相对地的泄放通道，然后再将朗缪尔探针A点与高压臂电容C1的B点接通，即重新建立了电荷平衡初始态。因此，清零控制时序是固定唯一的。朗缪尔探针清零指令周期为2.5s，大于电路清零指令周期，电路清零开指令延迟朗缪尔探针清零开指令时间和电路清零关指令提前朗缪尔探针清零开指令时间均约为50～70ms，见图2所示。

为实现上述清零过程，本发明提供了一种清零控制电路，具体为：

电荷清零是采用微控制器控制电磁继电器，将传感器线路和电容分压测量电路接地的方法释放朗缪尔探针传感器和电路不断积累的电荷。如图3所示，图中左半部分为电荷清零电路1，右半部分为电位检测仪2的整体电路图；电位检测仪2包括朗缪尔探针21和检测电路22，探针21通过电阻R1以及线路连到下面的检测电路22。左半部分的清零电路中包括微控制器电路、驱动电路、继电器S1和继电器S2，朗缪尔探针21线路连接到检测电路22的线路上断开，形成节点A和节点B；检测电路22中高压臂电容C1与低压臂电容C2之间引出一个节点C；连接关系为：微控制器电路与驱动电路连接，继电器S1的第3脚与传感器线路节点A连接，S1的常闭端第3脚与节点B连接，S1的常开端第5脚接地。继电器S2的第4脚与检测电路的节点C连接，S2的常开端第5脚接地。如图4所示，驱动放大电路利用三极管的开关特性，当数字输入信号CT1为高电平时，驱动电路输出为地电压；当数字输入信号CT2为低电平时，驱动电路输出为电压VCC。

静电荷清零电路的工作流程为：探针清零开→检测电路清零开→检测电路清零关→探针清零关，具体为：在初始状态，微控制器发出探针清零指令开，指令为高电平，信号经过驱动电路后输出为低电位，则继电器S1线圈通电，探针节点A与B断开的同时，B与地接通，即高压臂电容C1短路到地，实现高压臂电容C1上的电荷泄放；延迟t1时间后，微控制器发出检测电路清零指令开，则继电器S2线圈通电，检测电路22中节点C与地接通，实现检测电路低压臂电容C2上保持的电荷泄放；再经过t2时间延迟后，微控制器发出检测电路清零指令关，指令为低电平，经过驱动电路后输出为VCC电位，则继电器S2线圈掉电，S2开关与接地端断开；延迟t3时间后，微控制器发出探针清零指令关，继电器S1线圈掉电，S1开关与接地端断开，还原到常闭端，即节点A与节点B接通，探针21与高压臂电容C1与低压臂电容C2重新连接，清零过程结束。整个过程实现了静电荷清零连续操作。如图2所示，传感器清零指令周期为2.5s，大于电路清零指令周期，电路清零开指令延迟传感器清零开指令时间t1和电路清零关指令提前传感器清零开指令时间t3均为(50～70)ms。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (4)

1.一种空间站电位检测仪静电荷清零方法，其中，空间站电位检测仪包括郎缪尔探针及检测电路，朗缪尔探针(21)通过导线连接检测电路(22)，其中，检测电路(22)中包括两个串连的高压臂电容C1、低压臂电容C2和测量放大电路，朗缪尔探针(21)的导线连接高压臂电容C1，其特征在于，所述方法包括：

将电位检测仪中朗缪尔探针(21)连接检测电路(22)的线路断开，并将高压臂电容C1通过导线接地，此时高压臂电容C1中保持的电荷开始向地泄放；

在高压臂电容C1保持接地期间，将检测电路(22)的低压臂电容C2通过导线接地；

经过一段设定时间后，先将检测电路(22)的低压臂电容C2与地切断；

再经过一段时间后，将高压臂电容C1的接地切断，同时朗缪尔探针(21)与检测电路(22)重新连接，完成清零。

2.一种实现权利要求1所述的清零方法的清零电路，其特征在于，包括微控制器电路、驱动电路、继电器S1和继电器S2；

检测电路中高压臂电容C1和低压臂电容C2之间引出一个接点C；朗缪尔探针(21)线路连接到检测电路(22)的线路上断开，形成节点A和节点B；节点A和节点B之间连接一个单刀双掷继电器S1；继电器S1的第4脚与节点B连接，S1的常闭端第3脚与节点A连接，S1的常开端第5脚接地；继电器S2的第4脚与节点C连接，S2的常开端第5脚接地；

驱动电路的两个输出端分别连接继电器S1和S2的线圈控制端；

所述微控制器电路发出继电器S1和S2线圈通电或者掉电的控制指令；所述驱动电路根据控制指令驱动继电器S1和S2线圈的通断。

3.如权利要求2所述的清零电路，其特征在于：

在初始状态，微控制器电路发出高电平的探针清零指令，驱动电路向继电器S1线圈输出低电位；

延迟t1时间后，微控制器电路发出高电平的检测电路清零指令，驱动电路向继电器S2输出低电位；

再经过t2时间延迟后，微控制器电路发出低电平的检测电路清零指令，驱动电路向继电器S2输出高电平；

延迟t3时间后，微控制器电路发出低电平的探针清零指令，驱动电路向继电器S1线圈输出高电平，清零过程结束。

4.如权利要求3所述的清零电路，其特征在于：

t2小于2.5s；t1和t3均为50ms～70ms。

Images