CN110557876A - 一种集成的探针诊断系统电路模块、诊断系统及诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于等离子体诊断领域，涉及一种集成的探针诊断系统电路模块、诊断系统及诊断方法。等离子体诊断是用实验方法测定等离子体参量的技术，是研究等离子体物理性质的重要手段。诊断的方法有探针法、微波法、激光法、光谱法、光学法和粒子束法，其中探针法最为常用。通过探针法可以获得等离子体的电子温度、电子浓度、离子浓度、饱和离子电流密度、空间电位等等离子体参数。常用的探针包括Langmuir探针，及其变体——Faraday探针、发射探针。本发明提出一种集成的探针诊断系统电路模块，该模块将上述探针电路整合到一起，并且统一对信号进行屏蔽，可以大大简化探针的使用流程。

Description

一种集成的探针诊断系统电路模块、诊断系统及诊断方法
技术领域
本发明属于等离子体诊断领域，涉及一种集成的探针诊断系统电路模块、诊断系统及诊断方法。
背景技术
等离子体诊断是用实验方法测定等离子体参量的技术，是研究等离子体物理性质的重要手段。诊断的方法有探针法、微波法、激光法、光谱法、光学法和粒子束法，其中探针法最为常用。探针法即将探针插入等离子体内部获取其内部结构与参量分布的一种手段。通过探针法可以获得等离子体的电子温度、电子浓度、离子浓度、饱和离子电流密度、空间电位等等离子体参数。常用的探针包括Langmuir探针，及其变种——Faraday探针以及发射探针。探针电路决定了探针采集数据的好坏，实际使用中，往往需要根据实验要求临时搭建电路，这样往往可能导致数据不准确，需要花费大量的时间排查电路。本发明提出一种集成的探针诊断系统电路模块，该模块将探针电路整合到一起，并且统一对信号进行屏蔽，可以大大简化探针的使用流程。
发明内容
为了简化探针的使用并降低探针数据的误差，本发明提出一种集成的探针诊断系统电路模块、诊断系统及诊断方法。
本发明的技术方案如下：
将Langmuir探针、Faraday探针以及发射探针三种静电探针的电路集成到一个模块上，使用时将探针电源、数据采集仪、探针以及地线通过带有屏蔽层的接口连接到本发明上，即可正常使用。通过手动开关可以调节档位，以适应不同参数范围的诊断需求。
一种集成的等离子体探针诊断系统电路模块，其包括金属外壳、多个BNC接头、电路板，将电路板固定在所述金属外壳内部，金属外壳将模块内部与外界隔离开，所述电路板包括至少两个探针电路，每个探针电路具有与外壳固接的开关及多路电阻，通过开关调节档位，适应不同参数范围的诊断需求，将BNC接头的屏蔽层与金属外壳连接，以实现信号的全程屏蔽，所述BNC接头使用时分别与探针电源、数据采集仪、至少两种探针以及地线通过带有屏蔽层的接口相连接。
进一步的，所述电路板包括三个探针电路。
进一步的，第一探针电路为Langmuir探针电路，第二探针电路为Faraday探针电路，第三探针电路为发射探针电路，将Langmuir探针、Faraday探针以及发射探针三种静电探针的电路集成到一个模块上，三个电路之间独立无信号干扰。
进一步的，所述Langmuir探针电路能够适配以下探针构型：圆柱型Langmuir探针、平面型Langmuir探针、球形Langmuir探针以及基于以上探针的变体；所述Faraday探针与发射探针模块能够适配现有的基本探针构型。
进一步的，三种探针都能够通过手动开关来调节采样电阻阻值档位，每种探针对应0.5KΩ、0.67KΩ、1KΩ、2KΩ四个阻值档位，使用时根据信号量级选用合适的阻值。
本发明还提供一种集成的等离子体探针诊断系统，包括所述的探针诊断系统电路模块，还包括以下设备，直流探针电源、数据采集仪、至少两种探针，所述探针诊断系统电路模块与直流探针电源、数据采集仪、至少两种探针以及地线通过BNC接头连接，优选包括三种探针，分别为Langmuir探针、Faraday探针以及发射探针三种探针。
本发明还提供一种等离子体探针诊断系统的诊断方法，第一探针、第二探针与第三探针的采样电阻档位各有四个挡位，分别对应阻值0.5KΩ、0.67KΩ、1KΩ、2KΩ，三种探针的电流采集是通过采集电压信号并转化而得到的，使用时需要根据已选的探针采样电阻档位对应的阻值，将阻值的倒数作为信号的转换倍率乘以采集到的电压信号，即可得到实际的电流信号。
相比于现有相关技术，本发明主要有以下优点：
使用简便快捷，并且节省了设计、搭建以及排查电路的时间与人力；
可以通过手动开关调节探针档位，以覆盖更广的参数诊断范围；
接口与模块外壳进行了电磁屏蔽设计，实现了从探针到数据采集仪之间全程屏蔽，可以获得更加准确的探针数据。
附图说明
图1为本发明所述的一种集成的探针诊断系统电路模块的电路图(包含外部设备)。
图中：
1.数据采集仪-电压通道2.直流电源3.BNC接头
4.手动开关5.电阻6.地线
7.Langmuir探针8.Faraday探针9.发射探针
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行说明。
本发明的一种集成的探针诊断系统电路模块。图中虚线代表金属外壳，金属外壳将模块内部与外界隔离开。模块与外界通过BNC接头连接，通过手动开关可以控制探针电路档位。模块内包含Langmuir探针、Faraday探针以及发射探针三种探针的电路，三者之间无信号干扰，使用者可根据实际需求使用。
按图1所示在印刷电路板上焊接好电路，将电路板固定在模块金属外壳内部，将BNC接头的屏蔽层与金属外壳连接，这样即可实现信号的全程屏蔽。将手动开关S1-S6的外部开关与外壳固接，本发明即可完成实施。
1.电路图元件代号说明：
本发明所述的集成的探针诊断系统电路模块，其与外部电源及数据采集仪的接口全部采用BNC接头，其中BNC接头的屏蔽层与金属外壳(图1中由虚线指示)连接。
图1中元件代号前缀说明如下：V代表数据采集仪信号采集通道；B代表直流电源；S代表手动开关；P代表BNC端口；Langmuir probe代表Langmuir探针；Faraday probe代表Faraday探针；Emission probe代表发射探针。
下面给出各元件的具体作用；
其中，每种探针采样电阻档位各有四挡，分别对应以下阻值(以Langmuir探针对应的S1与S2开关为例，Faraday探针与发射探针同理)；
档位 开关组合 对应阻值
1 S1与S2全通 0.5KΩ
2 S1断+S2通 0.67KΩ
3 S1通+S2断 1KΩ
4 S1与S2全断 2KΩ
此外，三种探针的电流采集是通过采集电压信号并转化而得到的，使用时需要根据已选的探针采样电阻档位对应的阻值，将阻值的倒数作为信号的转换倍率乘以采集到的电压信号，即可得到实际的电流信号。
2.外部设备条件：
本发明使用时需要与以下三种外部设备配合：(1)直流探针电源；(2)数据采集仪；(3)探针。
下面分别对实现本专利所需的外部设备条件进行说明：
(1)直流探针电源
Langmuir探针扫描电源B1须提供振幅为50-100V，扫描频率0.8-2Hz的锯齿波或正弦波电压；
Faraday探针收集电源B2与Faraday保护收集电源B3须提供至少为30V的电压输出；
发射探针扫描电源B4须提供振幅为50-100V，扫描频率0.8-2Hz的锯齿波或正弦波电压；
发射探针加热电源B5须提供1-3A的电流输出。
(2)数据采集仪
电压采集需至少满足100KHz采样率，实际使用中，500KHz即可满足基本需求。
(3)探针
本发明可适配Langmuir探针、Faraday探针以及发射探针的几种常用变体。Langmuir探针模块可适配以下探针构型：圆柱型Langmuir探针、平面型Langmuir探针、球形Langmuir探针以及基于以上构型的变体；Faraday探针与发射探针模块可适配现有常用的基本探针构型。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种集成的等离子体探针诊断系统电路模块，其包括金属外壳、多个BNC接头、电路板，将电路板固定在所述金属外壳内部，金属外壳将模块内部与外界隔离开，所述电路板包括至少两个探针电路，每个探针电路具有与外壳固接的开关及多路电阻，通过开关调节档位，适应不同参数范围的诊断需求，将BNC接头的屏蔽层与金属外壳连接，以实现信号的全程屏蔽，所述BNC接头使用时分别与探针电源、数据采集仪、至少两种探针以及地线通过带有屏蔽层的接口相连接。
2.根据权利要求1所述的等离子体探针诊断系统电路模块，其特征在于：所述电路板包括三个探针电路。
3.根据权利要求2所述的等离子体探针诊断系统电路模块，其特征在于：第一探针电路为Langmuir探针电路，第二探针电路为Faraday探针电路，第三探针电路为发射探针电路，将Langmuir探针、Faraday探针以及发射探针三种静电探针的电路集成到一个模块上，三个电路之间独立无信号干扰。
4.根据权利要求3所述的等离子体探针诊断系统电路模块，其特征在于：所述Langmuir探针电路能够适配以下探针构型：圆柱型Langmuir探针、平面型Langmuir探针、球形Langmuir探针以及基于以上探针的变体；所述Faraday探针与发射探针模块能够适配现有的基本探针构型。
5.根据权利要求2所述的一种集成的探针诊断系统电路模块，其特征在于：三种探针都能够通过手动开关来调节采样电阻阻值档位，每种探针对应0.5KΩ、0.67KΩ、1KΩ、2KΩ四个阻值档位，使用时根据信号量级选用合适的阻值。
6.一种集成的等离子体探针诊断系统，包括权利要求1-5任一所述的探针诊断系统电路模块，还包括：直流探针电源、数据采集仪、至少两种探针，所述探针诊断系统电路模块与直流探针电源、数据采集仪、至少两种探针以及地线通过BNC接头连接。
7.一种使用权利要求6所述的等离子体探针诊断系统的诊断方法，其特征在于：第一探针、第二探针与第三探针的采样电阻档位各有四个挡位，分别对应阻值0.5KΩ、0.67KΩ、1KΩ、2KΩ，三种探针的电流采集是通过采集电压信号并转化而得到的，使用时需要根据已选的探针采样电阻档位对应的阻值，将阻值的倒数作为信号的转换倍率乘以采集到的电压信号，即可得到实际的电流信号。
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