CN110673067A - 一种用于脉冲磁场诊断的二维磁感应探针 - Google Patents

一种用于脉冲磁场诊断的二维磁感应探针 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于脉冲等离子体推力器诊断的二维磁感应探针，包括玻璃外壳(1)、探针底座(2)、绝缘套筒(3)、正交磁场测量线圈组(4)和焊盘(5)，以实现测量脉冲等离子体推力器放电通道内磁场强度。本发明针对脉冲等离子体推力器单次点火的磁场强度测量，设计包括两个相互垂直的磁场测量线圈的二维磁感应探针，基于法拉第电磁感应定律，测量线圈上磁通量的变化情况，进而实现了对脉冲等离子体推力器的时变的高频脉冲磁场的测量。

Description

一种用于脉冲磁场诊断的二维磁感应探针
技术领域
本发明属于电推进等离子体测量领域，特别涉及一种使用非接触式测量方法对脉冲等离子体推力器放电通道内磁场强度进行测量的二维磁感应探针。
背景技术
电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。脉冲等离子体推力器为电磁式电推力器的一种，目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进系统。
对脉冲等离子体推力器的放电特性、磁场强度进行相关参数的测量对于提高优化发动机设计、提高发动机性能具有重要意义。磁感应探针是测量等离子体能量分布的基本测试手段之一，属于非接触式测量方法，拥有测量精度高，对放电通道内等离子体扰动小等优势。然而，放电通道内的磁场具有分布复杂，磁感线的方向不统一等问题，传统的磁感应探针只能测量单一方向的一维磁场强度结果，这导致了测量结果的局限性。目前还没有专门针对脉冲等离子体推力器设计的二维磁感应探针。
发明内容
为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于脉冲等离子体推力器诊断的二维磁感应探针，以实现测量脉冲等离子体推力器放电通道内磁场强度。脉冲等离子体推力器的放电磁场是由交变的电弧上携带的交流电所形成的高频瞬态磁场(放电时间10μs)，本发明针对脉冲等离子体推力器单次点火的磁场强度测量，设计包括两个相互垂直的磁场测量线圈的二维磁感应探针，基于法拉第电磁感应定律，测量线圈上磁通量的变化情况，进而实现了对脉冲等离子体推力器的时变的高频脉冲磁场的测量。
本发明提供了一种用于脉冲磁场诊断的二维磁感应探针，其特征在于，包括玻璃外壳(1)、探针底座(2)、绝缘套筒(3)、正交磁场测量线圈组(4)和焊盘(5)；
所述玻璃外壳(1)为半封闭式中空结构；所述探针底座(2)为中空结构；所述绝缘套筒(3)紧配合套接于所述玻璃外壳(1)的开口端外周，并与所述玻璃外壳(1)整体固定安装于所述探针底座(2)的一端；所述正交磁场测量线圈组(4)置于所述玻璃外壳(1)内部，所述正交磁场测量线圈组(4)包括平行于所述玻璃外壳(1)轴线的水平向磁线圈(41)和与所述水平向磁线圈(41)垂直的垂向磁线圈(42)；所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)结构相同；
所述焊盘(5)固定于所述探针底座(2)内部，所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)各自引出的信号线焊接于所述焊盘(5)上，并通过所述焊盘(5)从所述探针底座(2)的另一端引出各自的外接电路，各外接电路均接入一个RC积分器，所述RC积分器用于实现感应电流的积分作用，使得经过积分后的感应电动势与磁场强度具有线性正比例关系，以获得在脉冲等离子体推力器一次点火工作时脉冲等离子体推力器放电通道内的二维磁场分布。
在一些实施例中，所述获得在脉冲等离子体推力器一次点火工作时推力器放电通道内的二维磁场分布的过程如下：
所述磁感应探针测量位置的电流密度j在所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)上产生的感生磁场强度B遵循安培环路定律，根据公式(1)和公式(2)得到脉冲等离子体推力器放电通道内的二维电流密度和磁场强度：
Figure BDA0002190571950000021
Figure BDA0002190571950000022
其中，μ0是真空磁导率；
Figure BDA0002190571950000023
是磁场强强度的旋度；ε是感应电动势；A是水平向或垂向磁线圈的磁通面积；N是水平向或垂向磁线圈的绕匝数量；Φ是穿过所述二维感应探针的磁通量。
在一些实施例中，所述RC积分器位于所述二维感应探针的外部。
在一些实施例中，所述正交磁场测量线圈组(4)置于所述玻璃外壳(1)的封闭端附近。
在一些实施例中，所述玻璃外壳(1)的外径为3～4mm。
在一些实施例中，所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)引出的信号线采用铜芯漆包线。
在一些实施例中，所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)的线圈采用铜芯漆包线，芯架直径2～3mm，，线径0.1～0.15mm，绕线40～80匝，内部无铁磁性材料。
在一些实施例中，所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)的信号线和外部电路线路为双绞线结构。
在一些实施例中，所述探针底座(2)可以由不锈钢材料制成。
在一些实施例中，所述绝缘套筒(3)可以由聚四氟乙烯、PEEK或环氧树脂板材等耐高温的绝缘材料制成。
本发明的有益效果：
1)本发明的二维磁感应探针的磁场测量线圈位于玻璃外壳内部，所以可以实现伸入放电通道内的测量，耐温可达到1000K，能获得放电电弧附近的磁场强度参数；
2)由于两个方向互相垂直的磁场测量线圈的存在，所以本发明的二维探针能够在一次点火的期间内同时获得两个方向的磁场强度数据，从而能直接计算电弧附近的磁场强度和电流密度，这使得脉冲等离子体推力器点火重复性差，测量困难的问题得到了解决；
3)本发明的外接式的积分电路，大大减小了探针本体的体积，更方便与脉冲等离子体推力器放电通道内的测量；
4)本发明的基本测量原理是电磁感应测量，因此对电磁干扰噪声的控制和优化直接决定了探针测量结果的好坏。为了增强感应磁场的信噪比，本发明采用了双绞线的设计，用一对电线来携带大小相等方向相反的两路信号(信号微分方向相反，即互为反相)，用两路信号来传输相同的信息。这样这两根信号线对外产生的电磁波也是大小相等,方向相反，它们叠加为驻波，相互抵消，有效减少对外产生电磁干扰；
附图说明
图1为本发明的用于脉冲磁场诊断的二维磁感应探针的结构示意图。
图2为本发明的外接电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本发明的用于脉冲磁场诊断的二维磁感应探针包括玻璃外壳1、探针底座2、绝缘套筒3、正交磁场测量线圈组4和焊盘5。其中，玻璃外壳1为半封闭式中空结构，探针底座2为中空结构。绝缘套筒3紧配合套接于玻璃外壳1的开口端外周，并固定安装于探针底座2的一端。正交磁场测量线圈组4置于玻璃外壳1内部。正交磁场测量线圈组4包括平行于玻璃外壳1纵向轴线的水平向磁线圈41和与水平向磁线圈41垂直的垂向磁线圈42，水平向磁线圈41和垂向磁线圈42结构相同。
在本实例中，玻璃外壳1为试管结构，绝缘套筒3以紧配合的方式完全套接在玻璃外壳1的开口端外周。探针底座2为中空结构，其一端具有定位台阶，其内径与玻璃外壳1的内径大致相等。绝缘套筒3的外径与探针底座2的定位台阶紧配合，与玻璃外壳1一同固定连接于探针底座2。如图所示，玻璃外壳1与探针底座2整体形成同轴通道。
焊盘5固定于探针底座2内部。水平向磁线圈41和垂向磁线圈42各自引出的信号线焊接于焊盘5上，并通过焊盘5从探针底座2的另一端引出各自的外接电路，各外接电路均接入一个RC积分器，该RC积分器用于实现感应电流的积分作用，使得经过积分后的感应电动势与磁场强度具有线性正比例关系，以获得在脉冲等离子体推力器一次点火工作时获得脉冲等离子体推力器放电通道内的二维磁场分布。
在本实例中，正交磁场测量线圈组4置于玻璃外壳1的底部附近，水平向磁线圈41和垂向磁线圈42各自的一端分别引出两根信号线焊接于焊盘5上，并通过焊盘5从探针底座2的另一端引出各自的外接电路，各外接电路均接入一个RC积分器，分别为R1，C1和R2，C2积分器。如图2所示，水平向磁线圈41和垂向磁线圈42分别为x向和z向，当脉冲等离子体推力器放电工作产生交变磁场时，将会同时有x向和z向的磁感线分别穿过平向磁线圈41和垂向磁线圈42，在电路中产生感应电流。磁感应探针测量位置的电流密度j在水平向磁线圈41和垂向磁线圈42上产生的感生磁场强度B遵循安培环路定律，根据下面的公式(1)和公式(2)得到脉冲等离子体推力器放电通道内的二维电流密度和磁场强度：
Figure BDA0002190571950000051
Figure BDA0002190571950000052
其中，μ0是真空磁导率；
Figure BDA0002190571950000053
是磁场强强度的旋度；ε是感应电动势；A是水平向或垂向磁线圈的磁通面积；N是水平向或垂向磁线圈的绕匝数量；Φ是穿过所述二维感应探针的磁通量。因此从磁探针的电压信号与dB/dt之间的关系，可以确定磁场强度B，实现在推力器一次点火工作获得脉冲等离子体推力器放电通道内的二维磁场分布测量。
特别地，外接RC积分器虽然是电路内的一部分，但是结构位置位于二维探针的外部，大大减小了探针本体的体积。
特别地，水平向磁线圈41和垂向磁线圈42及其引出的信号线采用铜芯漆包线，可以实现感应电流的信号传递。
特别地，水平向磁线圈41和垂向磁线圈42的信号线和外部电路线路为双绞线结构。
优选地，玻璃外壳1的外径为3mm。
优选地，水平向磁线圈41和垂向磁线圈42的线圈的芯架直径2.5mm，线径0.12mm，绕线40匝，内部无铁磁性材料。
在一些实施例中，探针底座2可以由不锈钢材料制成。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于脉冲磁场诊断的二维磁感应探针，其特征在于，包括玻璃外壳(1)、探针底座(2)、绝缘套筒(3)、正交磁场测量线圈组(4)和焊盘(5)；
所述玻璃外壳(1)为半封闭式中空结构；所述探针底座(2)为中空结构；所述绝缘套筒(3)紧配合套接于所述玻璃外壳(1)的开口端外周，并与所述玻璃外壳(1)整体固定安装于所述探针底座(2)的一端；所述正交磁场测量线圈组(4)置于所述玻璃外壳(1)内部；所述正交磁场测量线圈组(4)包括平行于所述玻璃外壳(1)轴线的水平向磁线圈(41)和与所述水平向磁线圈(41)垂直的垂向磁线圈(42)；所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)结构相同；
所述焊盘(5)固定于所述探针底座(2)内部；所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)各自引出的信号线焊接于所述焊盘(5)上，并通过所述焊盘(5)从所述探针底座(2)的另一端引出各自的外接电路；各外接电路均接入一RC积分器，所述RC积分器用于实现感应电流的积分作用，使得经过积分后的感应电动势与磁场强度具有线性正比例关系，以获得在脉冲等离子体推力器一次点火工作时脉冲等离子体推力器放电通道内的二维磁场分布。
2.根据权利要求1所述的二维感应探针，其特征在于，所述获得在脉冲等离子体推力器一次点火工作时推力器放电通道内的二维磁场分布的过程如下：
所述二维磁感应探针测量位置的电流密度j在所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)上产生的感生磁场强度B遵循安培环路定律，根据公式(1)和公式(2)得到脉冲等离子体推力器放电通道内的二维电流密度和磁场强度：
Figure FDA0002190571940000011
Figure FDA0002190571940000012
其中，μ0是真空磁导率；
Figure FDA0002190571940000013
是磁场强度的旋度；ε是感应电动势；A是水平向或垂向磁线圈的磁通面积；N是水平向或垂向磁线圈的绕匝数量；Φ是穿过所述二维感应探针的磁通量，t是时间。
3.根据权利要求1或2所述的二维感应探针，其特征在于，所述RC积分器位于所述二维感应探针的外部。
4.根据权利要求1或2所述的二维感应探针，其特征在于，所述正交磁场测量线圈组(4)置于所述玻璃外壳(1)的封闭端附近。
5.根据权利要求1或2所述的二维感应探针，其特征在于，所述玻璃外壳(1)的外径为3～4mm。
6.根据权利要求1或2所述的二维感应探针，其特征在于，所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)引出的信号线采用铜芯漆包线。
7.根据权利要求1或2所述的二维感应探针，其特征在于，所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)的线圈采用铜芯漆包线，芯架直径2～3mm，线径0.1～0.15mm，绕线40～80匝，内部无铁磁性材料。
8.根据权利要求1或2所述的二维感应探针，其特征在于，所述水平向磁线圈(41)和所述垂向磁线圈(42)的信号线和外部电路线路为双绞线结构。
9.根据权利要求1或2所述的二维感应探针，其特征在于，所述探针底座(2)由不锈钢材料制成。
10.根据权利要求1或2所述的二维感应探针，其特征在于，所述绝缘套筒(3)由聚四氟乙烯、PEEK或环氧树脂板材制成。
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