CN110554265A - 双面探针、双面探针诊断系统及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双面探针、双面探针诊断系统及诊断方法，涉及电推力器真空羽流参数诊断设备技术领域，双面探针包括收集器、绝缘护套和绝缘支撑体；收集器包括第一收集器和第二收集器，第一收集器和第二收集器对立设置；绝缘护套两侧面分别设有第一开孔和第二开孔，绝缘护套底部设有第三开孔；第一收集器和第二收集器套设在绝缘护套内；第一收集器侧面穿入第一开孔，第二收集器侧面穿入第二开孔；绝缘支撑体穿过第三开孔，插入第一收集器与第二收集器之间，并与第一收集器和第二收集器过盈配合连接，绝缘支撑体内部还设有导线槽。本发明能够实现羽流参数测量，无需采用螺栓连接导线与收集器，避免产生额外的鞘层及电阻，提高电压测量精度。

Description

双面探针、双面探针诊断系统及诊断方法

技术领域

本发明涉及电推力器真空羽流参数诊断设备技术领域，尤其是涉及一种双面探针、双面探针诊断系统及诊断方法。

背景技术

准确获取电推力器真空羽流参数对评估电推力器和航天器性能至关重要，电子温度和电子数密度是衡量等离子羽流流场的重要羽流参数。电推力器具有等离子体流速快、数密度大的特点，因此通常使用平面形探针诊断系统诊断电推力器真空羽流流场的电子温度和电子数密度等羽流参数。

目前，双探针大多采用金属螺栓或非金属螺栓连接收集器、支撑部分及保护部分，非金属螺栓具有结构强度低的缺点；而采用金属螺栓时，通常将金属螺栓分别与导线和收集器相连进行导电，这样金属螺栓部件容易与等离子体接触产生鞘层，而且还会增加电阻，使得探针电压的测量不准确，影响测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双面探针、双面探针诊断系统及诊断方法，能够实现羽流参数的测量，无需采用螺栓连接导线与收集器，避免产生额外的鞘层及电阻，提高电压测量精度。

第一方面，本发明提供的一种双面探针，包括收集器、绝缘护套和绝缘支撑体；

所述收集器，包括第一收集器和第二收集器，所述第一收集器和第二收集器对立设置；

所述绝缘护套，两侧面分别设有第一开孔和第二开孔，所述绝缘护套底部设有第三开孔；所述第一收集器和所述第二收集器套设在所述绝缘护套内；所述第一收集器的侧面穿入所述第一开孔，所述第二收集器的侧面穿入所述第二开孔；

所述绝缘支撑体，穿过所述第三开孔，插入所述第一收集器与所述第二收集器之间，并与所述第一收集器和所述第二收集器过盈配合连接；所述绝缘支撑体内部设有导线槽，以使得导线穿过所述导线槽分别与所述第一收集器和第二收集器连接。

第二方面，本发明提供的一种双面探针诊断系统，包括如第一方面所述的双面探针，以及电推力器、扫描电源、数据采集模块和数据处理模块；所述双面探针位于所述电推力器形成的真空羽流中，所述双面探针分别与所述扫描电源和数据采集模块连接，所述数据采集模块与所述数据处理模块连接。

第三方面，本发明提供的一种基于第二方面所述的双面探针诊断系统的诊断方法，包括步骤：

所述电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；

所述扫描电源为双面探针提供扫描电压，所述收集器接收所述羽流中的电子或离子，电子或离子进入所述收集器的鞘层后得到收集，形成流经双面探针的电流；

所述数据采集模块分别采集流经双面探针的电流和双面探针两端的电压，并将所述电流和电压发送至所述数据处理模块；

所述数据处理模块根据采集的所述电流和电压得到伏安特性曲线；

根据所述伏安特性曲线计算羽流参数。

本发明提供的双面探针、双面探针诊断系统及诊断方法，将第一收集器与第二收集器套设在绝缘护套内，并分别露出第一收集器的收集面和第二收集器的收集面；第一收集器与第二收集器之间通过绝缘支撑体进行过盈配合；绝缘支撑体上设置导线槽以使得导线穿过导线槽与第一收集器和第二收集器连接；本发明在保证羽流参数的测量的前提下，无需采用螺栓，除收集器外其他均为绝缘体，不会产生额外鞘层及额外电阻，减小了干扰，提高了羽流参数的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的双面探针的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的图1的爆炸示意图；

图3为本发明实施例提供的图1的透视图；

图4为本发明实施例提供的双面探针诊断系统的原理图；

图5为本发明实施例提供的双面探针诊断系统的双面探针布置原理图；

图6为本发明实施例提供的双面探针诊断系统检测方法的流程图。

图标：10-双面探针；11-绝缘护套；121-第一收集器；122-第二收集器；131-第一导线盖板；132-第二导线盖板；14-绝缘支撑体；15-通孔；20-电推力器；30-扫描电源；40-数据处理模块；50-数据采集模块。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，平面形朗缪尔探针存在如下问题：其一，现有的双面探针通常使用陶瓷热缩固定钨收集器或使用金属、非金属螺栓连接收集器和支撑、保护部分；热缩固定方式有良品率低、可维护性低和成本高的缺点，金属螺栓存在导电和与等离子体接触产生鞘层的问题，而非金属螺栓在结构强度和成本上难以达成平衡；其二，将收集器和螺母、螺栓、导线等连接部件直接连接使得探针电阻增大，电阻分压使得探针电压测量不精确，影响了测量精度；其三，现有平面形朗缪尔探针通常使用单探针或面对面式布置，当探针处于较大偏压时，前者金属的收集器产生的厚鞘层和非金属的保护部分产生的薄鞘层具有较大差异，容易引起鞘层变形；后者则会产生两个收集器的鞘层间相互接触、进而产生干扰的问题；其四，现有探针除金属电极外，导线接头、金属螺栓和螺母等暴露在等离子体环境中，会收集电子和离子，对测量结果产生干扰。基于此，本申请提供了一种双面探针、双面探针诊断系统及诊断方法，能够实现羽流参数的测量，无需采用螺栓连接导线与收集器，避免产生额外的鞘层及电阻，提高电压测量精度；两收集器间采用绝缘材料绝缘，减小因两收集器之间的鞘层产生的干扰；该双面探针除收集器的收集面外其他部分均采用绝缘材料绝缘，避免对测量结果产生干扰。

参照图1、图2及图3，本申请实施例提供的一种双面探针10，包括收集器、绝缘护套11和绝缘支撑体14；收集器，包括第一收集器121和第二收集器122，第一收集器121和第二收集器122对立设置。

具体地，收集器作为探针收集电推力器喷射的等离子体中的电子和离子，以测量羽流中的羽流参数。第一收集器121和第二收集器122对立设置即第一收集器121和第二收集器122面对面设置，面对面设置以测量某一体积范围内的电子温度及电子数密度。

绝缘护套11，两侧面分别设有第一开孔和第二开孔，绝缘护套11底部设有第三开孔；第一收集器121和第二收集器122套设在绝缘护套11内；第一收集器121的侧面穿入第一开孔，第二收集器122的侧面穿入第二开孔。

具体地，第一收集器121和第二收集器122包覆在绝缘护套11内，绝缘护套11不仅起到绝缘的作用，还起到支撑、夹持的作用。

第一收集器121和第二收集器122分别从绝缘护套11的第一开孔和第二开孔穿入，分别露出第一收集器121的第一收集面和第二收集器122的第二收集面。需要说明的是，第一收集面与第一开孔持平，第二收集面与第二开孔持平，确保除第一收集面和第二收集面外收集器的其他面不露出第一开孔及第二开孔。这样，只采用第一收集面和第二收集面收集电子和离子，避免其他非收集面因收集电子和离子而影响测量结果的准确性。

另外，第一收集面及第二收集面均为圆形。第一开孔与第一收集面的尺寸适配，第二开孔与第二收集面的尺寸适配，避免因缝隙过大使得收集器的其他面收集到电子和离子，从而影响测量结果的准确性。

绝缘支撑体14，穿过第三开孔，插入第一收集器121与第二收集器122之间，并与第一收集器121和第二收集器122过盈配合连接；绝缘支撑体14内部设有导线槽，以使得导线穿过导线槽分别与第一收集器121和第二收集器122连接。

具体地，绝缘支撑体14插入第一收集器121与第二收集器122之间，并与第一收集器121和第二收集器122过盈配合，其目的是绝缘第一收集器121与第二收集器122，避免第一收集器121与第二收集器122之间的鞘层接触、抵消。实际上，本实施例的双面探针10在绝缘护套11以及绝缘支撑体14的保护下，虽然仍然存在两个收集面的鞘层扭曲、互相抵消，但是因为鞘层接触而产生的干扰大大减小。

绝缘支撑体14与收集器之间过盈配合，并在绝缘护套11的夹持下，确保整个双面探针10整体结构的稳固。

导线包括正极导线和负极导线，正极导线连接第一收集器121，负极导线连接第二收集器122。导线槽从下至上贯穿绝缘支撑体14后与收集器的顶部连接，并用绝缘护套11与收集器顶部夹紧。

需要说明的是，绝缘支撑体14与绝缘护套11之间可以采用绝缘垫圈或陶瓷密封胶等密封剂进行密封。

本实施例通过绝缘护套11实现收集器的绝缘密封，通过绝缘支撑体14插入第一收集器121与第二收集器122之间，并与第一收集器121和第二收集器122过盈配合，实现第一收集器121与第二收集器122之间的绝缘，在绝缘护套11的包覆以及绝缘护套11的过盈配合下实现了收集器的支撑。本实施例的双面探针10无需采用螺栓，除了收集器外其他部件均为绝缘体，避免了额外鞘层及额外电阻的产生，减小了干扰，提高了测量精度；同时通过将绝缘支撑体14插入第一收集器121与第二收集器122之间，避免了第一收集器121与第二收集器122之间的鞘层直接接触，进一步减小了干扰。

可选地，第一收集器121包括第一凸台和第一底盘，第一凸台穿入第一开孔，第一凸台的外侧面与第一开孔的外侧面持平；第二收集器122包括第二凸台和第二底盘，第二凸台穿入第二开孔，第二凸台的外侧面与第二开孔的外侧面持平。

具体地，参照图2第一凸台与第二凸台均为圆柱体形，第一底盘与第二底盘也均为圆柱体形，第一底盘的直径大于第一凸台的直径，第二底盘的直径大于第二凸台的直径。第一凸台与第一底盘一体成型，第二凸台与第二底盘一体成型。第一收集面位于第一凸台的外侧面，第二收集面位于第二凸台的外侧面。因此，第一凸台的外侧面与第一开孔的外侧面持平，第二凸台的外侧面与第二开孔的外侧面持平。

通过凸台形的设计，确保收集器与绝缘护套11之间配合的稳固性，同时，为进一步的连接并压紧导线奠定基础。

可选地，还包括导线盖板，导线槽设置在导线盖板上；导线盖板包括第一导线盖板131和第二导线盖板132，第一导线盖板131顶端和第二导线盖板132顶端分别沿绝缘支撑体14两侧插入第三开孔，并分别与绝缘支撑体14和绝缘护套11过盈配合连接。

具体地，导线槽不设置在绝缘支撑体14上，而设置在导线盖板上。第一导线盖板131和第二导线盖板132分别与绝缘护套11、绝缘支撑体14之间的缝隙过盈配合，增加绝缘护套11的密封性，避免电子、离子穿过缝隙到达绝缘护套11内部的收集器，进而影响测量结果。

将导线槽设置在导线盖板上，在安装及拆卸时更加的方便。同时，通过导线盖板与绝缘支撑体14、绝缘护套11的过盈配合实现双面探针10的进一步的密封，同时进一步增加结构的稳定性。

可选地，导线盖板上部与底盘下部抵接，以将穿过导线槽的导线压紧。

具体地，导线盖板除了过盈配合连接，以增加绝缘护套11的密封性外，还通过与底盘下沿连接，将导线压紧。

可选地，如图1、图2及图3所示，导线盖板下部或绝缘支撑体14下部设有通孔15，以使得螺栓穿过通孔15，将导线盖板或绝缘支撑体14进行固定；其中，当螺栓为金属螺栓时，金属螺栓与收集器的最短距离大于50倍的德拜长度。

通孔15的设置用于双面探针10的固定，螺栓穿过通孔15将双面探针10固定在夹具或其他支撑物上，进一步加固探针结构。

当导线盖板的底部伸出绝缘支撑体14的底部时，通孔15可以只设置在导线盖板上。同理，当绝缘支撑体14的底部伸出导线盖板时，通孔15可以只设置在绝缘支撑体14上。为了固定时更加的稳固，优选地，如图3所示，通孔15设置在导线盖板与绝缘支撑体14的对应位置。

需要说明的是，鞘层的产生是因金属导体对电子吸引能力和对离子吸引能力不同，其中电子运动速度快，离子运动速度慢，因此金属导体相对等离子体呈负电性。非金属的物体或不与等离子体发生直接接触的金属均不会产生鞘层。因此，当穿过通孔15的螺栓采用非金属螺栓时，非金属螺栓与双面探针10的距离不做限定。

而当穿过通孔15的螺栓采用金属螺栓时，为了避免金属螺栓对双面探针10产生鞘层干扰，金属螺栓与收集器的距离应大于金属螺栓可能产生的鞘层厚度。德拜长度也称为德拜半径，是描述等离子体中电荷作用尺度的典型长度，反应等离子体的电荷屏蔽效益。德拜长度指的是等离子体中任一电荷的电场所能作用的距离。通常，鞘层的厚度为德拜长度的数倍。本实施例中，金属螺栓与收集器的最短距离为50倍的德拜长度。通常，电推力器束流区德拜长度小于1mm，具体值可通过预实验获得。

本实施例通过设置通孔15，使得双面探针10能够固定在夹具或其他支撑物上，方便探针的移动。在使用金属螺栓穿过通孔15时，将金属螺栓与收集器的距离限定为大于50倍德拜长度，进一步确保金属螺栓不会对收集器产生干扰。

可选地，收集器为钨或钼材质。

具体地，收集器由钨或钼等惰性导电材料制成，钨或钼不仅导电性好，还具有耐高温的特点。

可选地，绝缘护套11为陶瓷材质。

具体地，使用热变形量较小的陶瓷作为绝缘护套11，在支撑收集器的同时，防止测量过程中因羽流气动力导致收集器松脱；同时，钨或钼制成的收集器热变形后，缝隙缩小，有助于进一步的保护导线，加固双面探针10。

可选地，绝缘支撑体14为陶瓷或玻璃材质。

具体地，陶瓷或玻璃均为耐高温材料。

本实施例具有如下有益效果：

实现无螺栓式双面探针10设计，通过绝缘护套11和绝缘支撑体14的夹持，在确保整个双面探针10的稳固的前提下，避免其他金属干扰鞘层；通过将绝缘支撑体14插入第一收集面与第二收集面之间，实现两收集器之间绝缘，并减小了两个收集面的鞘层抵消引起的干扰。收集器直接连接测量导线，无其他分压导体，与使用螺栓连接收集器与导线的方式相比，减小了探针电阻的分压，有效的提高了测量精度；实现了收集器与外部等离子体环境和支撑结构的电绝缘，减小了双面探针10的电阻。本实施例结构简单、易于拆装、更换部件方便。

参照图4，本实施例提供的一种双面探针诊断系统，包括如上述实施例中的双面探针10，以及电推力器20、扫描电源30、数据采集模块50和数据处理模块40；

双面探针10位于电推力器20形成的真空羽流中，双面探针10分别与扫描电源30和数据采集模块50连接，数据采集模块50与数据处理模块40连接。

参照图6，本实施例提供的一种基于双面探针10诊断系统的诊断方法，包括：

步骤S100：电推力器20点火喷射等离子体，形成羽流；

步骤S200：扫描电源30为双面探针10提供扫描电压，收集器接收羽流具有一定能量的电子或离子，电子或离子进入收集器鞘层后得到收集，形成流经双面探针10的电流；

步骤S300：数据采集模块50分别采集流经双面探针10的电流和双面探针两端的电压，并将电流和电压发送至数据处理模块40；

步骤S400：数据处理模块40根据采集的电流和电压得到伏安特性曲线；

步骤S500：根据伏安特性曲线计算羽流参数。

具体地，第一收集器121与扫描电源30的正极连接，第二收集器122与扫描电源30的负极连接，此时，收集器收集具有一定能量的电子或离子进入鞘层，而电流流经收集器，进入测量电路；使用电流表和电压表测量回路的电流和电压，通过数据处理模块40进行数据处理，绘制伏安特性曲线；根据伏安特性曲线得到电子数密度和电子温度。

参照图5，在布置探针时，利用双面探针厚度薄、尺寸小的特点，将探针布置在推力器中轴线所在平面上，在平移探针时始终保持探针与推力器的相对位置不变，从而能够保证收集面不受束电流干扰，保证测量的稳定性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种双面探针，其特征在于，包括收集器、绝缘护套和绝缘支撑体；

所述收集器，包括第一收集器和第二收集器，所述第一收集器和第二收集器对立设置；

所述绝缘护套，两侧面分别设有第一开孔和第二开孔，所述绝缘护套底部设有第三开孔；所述第一收集器和所述第二收集器套设在所述绝缘护套内；所述第一收集器的侧面穿入所述第一开孔，所述第二收集器的侧面穿入所述第二开孔；

所述绝缘支撑体，穿过所述第三开孔，插入所述第一收集器与所述第二收集器之间，并与所述第一收集器和所述第二收集器过盈配合连接；所述绝缘支撑体内部设有导线槽，以使得导线穿过所述导线槽分别与所述第一收集器和第二收集器连接。

2.根据权利要求1所述的双面探针，其特征在于，所述第一收集器包括一体成型的第一凸台和第一底盘，所述第一凸台穿入所述第一开孔，所述第一凸台的外侧面与所述第一开孔的外侧面持平；所述第二收集器包括一体成型的第二凸台和第二底盘，所述第二凸台穿入所述第二开孔，所述第二凸台的外侧面与所述第二开孔的外侧面持平。

3.根据权利要求2所述的双面探针，其特征在于，还包括导线盖板，所述导线槽设置在导线盖板上；所述导线盖板包括第一导线盖板和第二导线盖板，所述第一导线盖板顶端和第二导线盖板顶端分别沿绝缘支撑体两侧插入所述第三开孔，并分别与所述绝缘支撑体和绝缘护套过盈配合连接。

4.根据权利要求3所述的双面探针，其特征在于，所述导线盖板上部与所述底盘下部抵接，以将穿过所述导线槽的导线压紧。

5.根据权利要求4所述的双面探针，其特征在于，所述导线盖板下部或所述绝缘支撑体下部设有通孔，以使得螺栓穿过所述通孔，将导线盖板或绝缘支撑体进行固定；其中，当所述螺栓为金属螺栓时，所述金属螺栓与所述收集器的距离大于50倍的德拜长度。

6.根据权利要求1所述的双面探针，其特征在于，所述收集器为钨或钼材质。

7.根据权利要求1所述的双面探针，其特征在于，所述绝缘护套为陶瓷材质。

8.根据权利要求1所述的双面探针，其特征在于，所述绝缘支撑体为陶瓷或玻璃材质。

9.一种双面探针诊断系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的双面探针，以及电推力器、扫描电源、数据采集模块和数据处理模块；所述双面探针位于所述电推力器形成的真空羽流中，所述双面探针分别与所述扫描电源和数据采集模块连接，所述数据采集模块与所述数据处理模块连接。

10.一种基于所述权利要求9的所述双面探针诊断系统的诊断方法，其特征在于，包括步骤：

所述电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；

所述扫描电源为双面探针提供扫描电压，所述收集器接收所述羽流中的电子或离子，电子或离子进入所述收集器的鞘层后得到收集，形成流经双面探针的电流；

所述数据采集模块分别采集流经双面探针的电流和双面探针两端的电压，并将所述电流和电压发送至所述数据处理模块；

所述数据处理模块根据采集的所述电流和电压得到伏安特性曲线；

根据所述伏安特性曲线计算羽流参数。