CN110618444A - 电推力器束流测量系统和主系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电推力器束流测量系统和主系统，其中，该系统包括：反向比例运算电路、法拉第探针、负偏置电压源和测量仪；其中，反向比例运算电路包括第一电阻和第二电阻；法拉第探针、负偏置电压源和测量仪分别与反向比例运算电路相连接；法拉第探针的测试端和待测量的电推力器喷口面相对。本发明不仅可以减少法拉第探针的测量误差，而且避免了法拉第探针脱离工作区，达到了提高电推力器束流测量精度的效果。

Description

电推力器束流测量系统和主系统

技术领域

本发明涉及航天器械技术领域，尤其是涉及一种电推力器束流测量系统和主系统。

背景技术

电推力器真空羽流是等离子体，主要包含离子、电子和中性气体分子等，得到羽流中束电流密度分布是评估电推力器寿命及其羽流效应的重要指标，法拉第探针是测量空间离子密度分布的一种简易手段及方法。离子推力器、霍尔推力器等电推力器因其比冲高、寿命长和系统质量较小等优点而广泛应用于航天器的姿态和轨道控制。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是至关重要的。

但是传统的法拉第探针的测量电路，由于探针电位是时刻变化的，因此易使法拉第探针的电压设置端(探针端)出现电压抬升的现象，在束流大到一定程度时容易出现电压不足的现象，从而导致测量精度低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种法拉第探针探测系统和主系统，以稳定法拉第探针的负偏置电压，减少法拉第探针的测量误差和避免法拉第探针脱离工作区，提高法拉第探针的测量精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种电推力器束流测量系统，系统包括反向比例运算电路、法拉第探针、负偏置电压源和测量仪；其中，反向比例运算电路包括第一电阻和第二电阻；法拉第探针、负偏置电压源和测量仪分别与反向比例运算电路相连接；法拉第探针的测试端和待测量的电推力器喷口面相对；反向比例运算电路，用于在法拉第探针与反向比例运算电路断开连接的情况下，根据反向比例运算电路的虚短特性和虚断特性，得到第二电阻的电流和输出电压；测量仪，用于当负偏置电压源输出的负偏置电压和输出电压满足预设条件，并且法拉第探针与反向比例运算电路连接时，测量第一电阻的电流，以使反向比例运算电路根据第一电阻的电流和第二电阻的电流，得到法拉第探针的束电流。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，预设条件包括：负偏置电压源输出的负偏置电压的范围为-15V～-30V，且输出电压在预设的直流稳压电源的电压范围内。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，系统还包括数据处理设备；数据处理设备，与反向比例运算电路相连接，用于根据所述束电流，得到离子的电流密度。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，数据处理设备具体用于：

根据下式计算离子的电流密度：

其中，j为离子的电流密度，I为所述法拉第探针的束电流，A_c为法拉第探针的收集面积。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，数据处理设备，还用于：根据离子的电流密度，得到束流积分值、束流分布和羽流角。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，数据处理设备具体用于：

根据下式计算束流积分值：

其中，I_beam为束流积分值，j为离子的电流密度，r为法拉第探针与距离电推力器中心轴线的垂直距离。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，系统还包括直流稳压电源；反向比例运算电路还包括第三电阻；直流稳压电源通过第二电阻与反向比例运算电路的反相输入端相连接，直流稳压电源还与反向比例运算电路的运算放大器相连接，负偏置电压源通过第三电阻与反向比例运算电路的同相输入端相连接，测量仪与第一电阻的两端相连接，法拉第探针分别与第一电阻、第二电阻和反向比例运算电路的反向输入端相连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，测量仪包括数字示波器、电压表或皮安表。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，直流稳压电源用于为第二电阻供电，以使第二电阻的电流大于法拉第探针的束电流。

第二方面，本发明实施例提供了一种电推力器束流测量主系统，主系统包括第一方面任一实施方式电推力器束流测量系统，还包括电推力器。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种电推力器束流测量系统和主系统，其中，该系统包括反向比例运算电路、法拉第探针、负偏置电压源和测量仪，其中，反向比例运算电路包括第一电阻和第二电阻；法拉第探针、负偏置电压源和测量仪分别与反向比例运算电路相连接；法拉第探针的测试端和待测量的电推力器喷口面相对；反向比例运算电路，用于在法拉第探针与反向比例运算电路断开连接的情况下，根据反向比例运算电路的虚短特性和虚断特性，得到第二电阻的电流和输出电压；测量仪，用于当负偏置电压源输出的负偏置电压和输出电压满足预设条件，并且法拉第探针与反向比例运算电路连接时，测量第一电阻的电流，以使反向比例运算电路根据第一电阻的电流和第二电阻的电流，得到法拉第探针的束电流。上述系统，由于将法拉第探针与反向比例运算电路的反相输入端连接，利用反相比例运算电路中同相、反相输入端的虚短路、虚断路特性，将法拉第探针的负偏置电压稳定在设定值上；稳定法拉第探针的负偏置电压不仅可以减少法拉第探针的测量误差，而且还避免了法拉第探针脱离工作区，达到了提高电推力器束流测量精度的效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

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一种法拉第探针测量电路示意图；

图2为本发明实施例提供的一种法拉第探针测量中负偏置电压与电流密度关系曲线图；

图3为本发明实施例提供的一种电推力器束流测量系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电推力器束流测量系统的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种电推力器束流测量系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种电推力器束流测量系统中的信号流向图；

图7为本发明实施例提供的一种电推力器与法拉第探针的位置关系示意图；

图8为本发明实施例提供的一种电推力器束流测量主系统的结构示意图。

图标：10-反向比例运算电路；20-法拉第探针；30-负偏置电压源；40-测量仪；50-直流稳压电源；60-数据采集设备；70-数据处理设备；100-电推力器束流测量系统；200-电推力器；300-电推力器束流测量主系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图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。

图1为法拉第探针测量电路，包括直流稳压电源、采样电阻以及示波器。由电流流经电阻产生电势差，并且利用示波器测量电阻压降，来计算电流值。而探针接收的束电流变化时，图1中a、b点的压降也随之变化。即探针电位(b点电位)是时刻变化的。若束流值变化范围为0～10mA，采样电阻R的阻值为2000Ω，在电阻两端的电势差即为0～2V。法拉第探针在此工况下于空间中某点进行测量，并且取最小离子饱和负偏电压作为其偏置电压，则探针极有可能因为电位抬升的现象导致探针在特定工况下脱离工作区。传统的法拉第探针的测量电路的电阻可以对采集设备(示波器、电流计)进行保护；将法拉第探针所接收的电流信号转为示波器可以测量的电压信号，从而能够得到一个关于时间平均的电流密度。

目前法拉第探针测量电路，法拉第探针需要施加一个负偏置电压以达到探针完全排斥电子单独接收离子，行成离子电流。若负偏置电压从大到小改变时，离子饱和流存在一条曲线，参见图2，在达到适当负偏置电压时，达到最小离子饱和负偏置电压，这时可以达到收集器完全排斥电子，采集离子并产生电流，可得到离子的电流密度。而继续减小负偏置电压时会导致束电流增加，产生精度降低等问题，故不能无限制地减小负偏置电压。因此得到最低离子饱和负偏置电压是增加法拉第探针采集精度的一个有效办法。然而传统的法拉第探针测量电路，缺点是容易使法拉第探针的电压设置端(探针端)出现电压抬升的现象，在束流大到一定程度时容易出现电压不足的现象，从而导致测量精度低。

基于此，本发明实施例提供的一种电推力器束流测量系统和主系统，可以将法拉第探针的负偏置电压稳定在设定值上，减少法拉第探针的测量误差，提高法拉第探针测量精度。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种电推力器束流测量系统和主系统进行详细介绍。

实施例一：

本发明实施例提供了一种电推力器束流测量系统，如图3所示的一种电推力器束流测量系统的结构示意图，包括：反向比例运算电路10、法拉第探针20、负偏置电压源30和测量仪40；其中，反向比例运算电路10包括第一电阻R₁和第二电阻R₂；法拉第探针20、负偏置电压源30和测量仪40分别与反向比例运算电路10相连接；法拉第探针20的测试端和待测量的电推力器喷口面相对；

进一步，反向比例运算电路10，用于在法拉第探针20与反向比例运算电路10断开连接的情况下，根据反向比例运算电路10的虚短特性和虚断特性，得到第二电阻R₂的电流和输出电压；

进一步，测量仪40，用于当负偏置电压源30输出的负偏置电压和输出电压满足预设条件，并且法拉第探针20与反向比例运算电路10连接时，测量第一电阻R₁的电流，以使反向比例运算电路10根据第一电阻R₁的电流和第二电阻R₂的电流，得到法拉第探针的束电流。

具体实现时，参见图4所示的一种电推力器束流测量系统的电路结构示意图，当运算放大器工作在线性区时，由电路的虚断特性，同相输入端的电流为零，有u_BV＝u_d；由电路的虚短特性，同相输入端与反向输入端的电势相同有u_d＝u_p。

本实施例给出了具体实施方式：当法拉第探针与电路断开连接时，第二电阻R₂的电流和第一电阻R₁的电流相等，有

I_R1＝I_R2＝(U_i-u_p)/R₂

其中,I_R1是第一电阻R₁的电流，I_R2是第二电阻R₂的电流，u_p为反相输入端电压；

依据电路运算放大器的特性，反向输入端的电压减去第一电阻R₁的压降，即得到输出电压，有

U_O＝-(u_d-R₂×I_R2)

其中，U_O为输出电压，u_d为同相输入端电压；

进一步，法拉第探针与电路连接时，第二电阻R₂的电流与探针连接前相同，第一电阻R₁的电流则多了一个法拉第探针束电流分量，此时利用测量仪可测得第一电阻R₁的电流，将第一电阻R₁的电流减去第二电阻R₂的电流，即得到法拉第探针的束电流，有

其中，I为法拉第探针的束电流，I_R1为测量仪测得的第一电阻R₁的电流值；

本发明实施例提供一种电推力器束流测量系统，法拉第探针需要施加一个负偏置电压，以达到探针完全排斥电子单独接收离子，形成离子流，因此负偏置电压源输出的偏置电压大小取决于电推力器型号、任务要求等因素，范围为-15V～-30V；且为了保证运算放大器工作在线性区，法拉第探针与电路连接前后，输出电压都在预设的直流稳压电源的电压范围内；若难以实现输出电压都在预设的直流稳压电源的电压范围内，则可以选用电源电压较高的运算放大器，如使用LM358运算放大器，其输出电压须在-17V～17V，以保证运算放大器正常工作，否则虚短特性、虚断特性将不会存在。

进一步，参见图5所示，本发明实施例中的电推力器束流测量系统100还包括数据处理设备70，数据处理设备70与反向比例运算电路10相连接；参见图6所示的电推力器束流测量系统中的信号流向图，由电推进器点火喷射等离子体，形成羽流，根据数据采集设备60测得的法拉第探针束电流，通过数据处理设备得到离子的电流密度。

具体实现时，数据采集设备测量法拉第探针束电流，具体的，法拉第探针与电路断开连接时，得到第二电阻R₂的电流和法拉第探针与反向比例运算电路连接时，测量仪测得第一电阻R₁的电流，第一电阻R₁的电流减去第二电阻R₂电流得到的法拉第探针束电流，数据处理设备利用此束电流值计算其电流密度；

更进一步，本发明实施例提供的电推力器束电流测量系统，上述数据处理设备，根据法拉第探针束电流，得到离子的电流密度，优选的实施方式为，根据下式计算离子的电流密度：

其中，j为离子的电流密度，I为所述法拉第探针的束电流，A_c为法拉第探针的收集面积。

进一步，如图6所示，上述数据处理设备，还用于：根据离子的电流密度，得到束流积分值、束流分布和羽流角。

更进一步，根据离子的电流密度，得到束流积分值，优选的实施方式为，根据下式计算束流积分值：

其中，I_beam为束流积分值，j为离子的电流密度，如图7所示r为法拉第探针与距离电推力器中心轴线的垂直距离。

此外，参见图4所示，反向比例运算电路还包括第三电阻R₃；直流稳压电源50通过第二电阻R₂与反向比例运算电路的反相输入端相连接，直流稳压电源50还与反向比例运算电路的运算放大器相连接，负偏置电压源30通过第三电阻R₃与反向比例运算电路的同相输入端相连接，测量仪与第一电阻R₁的两端相连接，法拉第探针分别与第一电阻R₁、第二电阻R₂和反向比例运算电路的反向输入端相连接。

具体实现时，该直流稳压电源通过给运算放大器供电，使运算放大器工作，使其产生虚短、虚断特性，负偏置电压源通过第三电阻R₃与反向比例运算电路的同相输入端相连接，由虚断特性，负偏置电压源的电压固定在反向比例运算电路的同相输入端，由虚短特性，同相输入端的电压与反相输入端电压相等，因此施加到法拉第探针的负偏置电压为固定电压。

进一步，本发明实施例提供的电推力器束流测量系统中，上述测量仪40可以是数字示波器、电压表或者皮安表，优选为数字示波器或者皮安表，若连接的是电压表，则需要将电压值转换为电流值。当然，其他合理的能够测量或间接测量电阻电流的仪器均可，在此不受限制。

此外，法拉第探针在束流区移动时，采集的电流约为0～50mA，第二电阻R₂的压降会有较大波动，考虑到避免反相输入端的电压波动太大，导致运算放大器脱离工作区，直流稳压电源用于为第二电阻R₂供电，使第二电阻R₂的电流远大于(约十倍)法拉第探针的束电流，从而稳定反相输入端的电压波动。

综上，本发明实施例提供的电推力器束流测量系统具有以下有益效果：

本发明实施例提供的上述电推力器束流测量系统和主系统，由于反相比例运算电路中同相、反相输入端的虚短、虚断特性，将法拉第探针的负偏置电压稳定在设定值上，不仅可以减少法拉第探针的测量误差，而且能够避免法拉第探针脱离工作区，达到了提高法拉第探针测量精度的效果。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件并不限制本发明的范围。

实施例二：

基于上述实施例提供的电推力器束流测量系统，本发明实施例还提供了一种电推力器束流测量主系统，参见图8所示的电推力器束流测量主系统，示意出电推力器束流测量主系统300包括电推力器束流测量系统100电推力器200，该主系统配置有上述任一所述的电推力器束流测量系统100；具体应用中，电推力器200喷口端与上述电推力器束流测量系统100中的法拉第探针测试面相对，且该电推力器可以是离子推力器、霍尔推力器等。

本发明实施例提供的主系统，与上述实施例提供的系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电推力器束流测量系统，其特征在于，所述系统包括反向比例运算电路、法拉第探针、负偏置电压源和测量仪，其中，所述反向比例运算电路包括第一电阻和第二电阻；

所述法拉第探针、所述负偏置电压源和所述测量仪分别与所述反向比例运算电路相连接；所述法拉第探针的测试端和待测量的电推力器喷口面相对；

所述反向比例运算电路，用于在所述法拉第探针与所述反向比例运算电路断开连接的情况下，根据所述反向比例运算电路的虚短特性和虚断特性，得到所述第二电阻的电流和输出电压；

所述测量仪，用于当所述负偏置电压源输出的负偏置电压和所述输出电压满足预设条件，并且所述法拉第探针与所述反向比例运算电路连接时，测量所述第一电阻的电流，以使所述反向比例运算电路根据所述第一电阻的电流和所述第二电阻的电流，得到所述法拉第探针的束电流。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设条件包括：所述负偏置电压源输出的负偏置电压的范围为-15V～-30V，且所述输出电压在预设的直流稳压电源的电压范围内。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括数据处理设备；

所述数据处理设备，与所述反向比例运算电路相连接，用于根据所述束电流，得到离子的电流密度。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数据处理设备具体用于：

根据下式计算所述离子的电流密度：

其中，j为所述离子的电流密度，I为所述法拉第探针的束电流，A_c为所述法拉第探针的收集面积。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数据处理设备，还用于：根据所述离子的电流密度，得到束流积分值、束流分布和羽流角。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据处理设备具体用于：

根据下式计算所述束流积分值：

其中，I_beam为所述束流积分值，j为所述离子的电流密度，r为所述法拉第探针与距离电推力器中心轴线的垂直距离。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括直流稳压电源；所述反向比例运算电路还包括第三电阻；

所述直流稳压电源通过所述第二电阻与所述反向比例运算电路的反相输入端相连接；所述直流稳压电源还与所述反向比例运算电路的运算放大器相连接；所述负偏置电压源通过所述第三电阻与所述反向比例运算电路的同相输入端相连接，所述测量仪与所述第一电阻的两端相连接，所述法拉第探针分别与所述第一电阻、所述第二电阻和所述反向比例运算电路的反向输入端相连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量仪包括数字示波器、电压表或皮安表。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述直流稳压电源用于为所述第二电阻供电，以使所述第二电阻的电流大于所述法拉第探针的束电流。

10.一种电推力器束流测量主系统，其特征在于，所述主系统包括权利要求1-9任一项所述的电推力器束流测量系统，还包括电推力器。