CN111141965B - 一种利用场效应管的静电场测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用场效应管的静电场测量电路。使用本发明能够实现准直流的静电场测量。本发明利用MOSFET栅极的静电场感应机理，提供了一种精密静电感应式的静电场测量电路。由于是静电场感应式的测量模式，后续电路对测量对象不形成任何干扰。由于MOSFET的隔离电阻高达10¹⁵Ω以上，加上栅极信号输入环节的屏蔽措施，可以有效减小泄露因素导致的对前端静电场的干扰，可以将测量带宽下限延伸至1.57×10^‑7Hz，达到准直流状态。

Description

一种利用场效应管的静电场测量电路

技术领域

本发明涉及空间环境探测及仪器仪表技术领域，也可在地面相关静电环境监测中进行应用，具体涉及一种利用场效应管的静电场测量电路。

背景技术

空间科学活动中，存在空间环境中介质材料的充放电效应，形成的局部高压静电场，单独或与空间等离子体相互作用，导致材料的性能退化及失效等，危及航天器的安全及使用寿命。因此需要飞行器表面静电场测量的装置，进行相关的测量，为准确的分析提供可靠的数据，是空间环境监测的重要手段，在近空及深空探测中，有广泛的应用。

目前，空间飞行器上静电场的测量，主要有电容分压测量方式和利用电极振动方式。电极振动方式通过电容耦合方式进行的测量，电路较复杂，成本高。在电容分压测量方式中，直接利用放大器进行信号的放大，相当于电流测量模式。但在准直流的静电场测量中，放大器输出信号存在严重的漂移现象。这种漂移和需要测量的静电场处于同样的频带，即准直流，形成很难消除的干扰。众所周知，混合在信号频带中的干扰，很难消除，尤其是这种干扰比需要测量的信号幅度大时，则无法进行正确测量。虽然在地面可以通过后续软件的方式对测量结果进行一定的修正，但修正难度很大。尤其在空间高能粒子环境中，随飞行器的飞行，器件性能会产生退化，原先地面校准的系数会产生偏离，导致测量结果的越来越不准确。这样测量装置需要不断的校准，而在飞行器上，这种校准基本不可能进行。

因此，电容分压式电流测量模式存在的缺陷有三方面：一是测量电路对测量对象在测量频带内形成严重干扰，使测量不正确；二是电路本身的缺陷使信号测量下限严重受限，达不到准直流的测量要求；三是后续校准复杂，尤其是随空间环境温度变化，干扰相应变化，加上空间效应导致的器件性能退化，使在空间基本不可能进行新的校准。

因此有必要从机理上进行新的准直流静电场测量技术的发明。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用场效应管的静电场测量电路，能够实现准直流的静电场测量。

本发明的利用场效应管的静电场测量电路，包括探头、电容分压电路、场效应管、输出调理电路和屏蔽系统；其中，探头用于感应静电场电压；电容分压电路由两个串联的电容组成；探头的电压经分压电容分压后，接场效应管的栅极；场效应管的源极接地，漏极接输出调理电路；输出调理电路对场效应管的输出电压进行幅度和带宽处理；屏蔽系统对分压电容、场效应管及其连接路线进行电磁屏蔽。

较优的，还包括开关K，所述开关K的一端接分压电容的输出点，另一端接地。

本发明基于上述测量电路，还提供了一种静电场测量仪，包括外壳以及安装在外壳内的探头、分压电路、场效应管、输出调理电路、屏蔽系统、电缆、插接件、印制板、支撑板和结构支撑板；其中，支撑板、印制板、结构支撑板依次设置在外壳内的上下三层；探头安装在支撑板上，通过屏蔽电缆和印制板连接；印制板上安装有分压电路、场效应管和输出调理电路；场效应管的栅极接分压电路的输出，源极接地，漏极接输出调理电路；输出调理电路的输出通过电缆和插接件连接。

较优的，外壳为筒型结构，采用铝质材料制成。

较优的，筒型结构的外壳高为5cm,直径为3cm，筒壁厚3mm。

有益效果：

本发明电路及装置，频带下限低，体积小，质量轻，功耗低，灵敏度高，计量准确。可广泛应用于各类空间飞行器相关静电测量场合，进行飞行器静电累积在线实时测量。

附图说明

图1为本发明利用场效应管的静电测量原理图。

图2为实现装置原理。

其中，1-探头，2－电容分压，3－场效应管，4－输出调理电路，5－屏蔽系统；6-电缆，7-插接件，8-印制板，9-支撑板，10-结构支撑板，11-外壳。

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。

本发明提供了一种利用场效应管的静电场测量电路，利用MOSFET栅极的静电场感应机理，提供了一种精密静电感应式的静电场测量电路。由于是静电场感应式的测量模式，后续电路对测量对象不形成任何干扰。由于MOSFET的隔离电阻高达10¹⁵Ω以上，加上栅极信号输入环节的屏蔽措施，可以有效减小泄露因素导致的对前端静电场的干扰，可以将测量带宽下限延伸至1.57×10^-7Hz，达到准直流状态。

如图1所示，本发明利用场效应管的静电场测量电路包括探头1、串联的分压电容2、场效应管3、输出调理电路4和屏蔽系统5；其中，探头1用于感应静电场电压；探头的电压通过串联的2个分压电容C1、C2接地；场效应管3的栅极经电阻R接在两个串联的电容的中间点；中间点经开关K接地；场效应管3的源极接地，漏极接输出调理电路4；所述输出调理电路4对场效应管3输出的电压进行幅度和带宽的处理，以满足后续处理电路的接口需求；屏蔽系统5对分压电容C1、C2、电阻R及场效应管进行屏蔽。

本发明的工作原理为：探头1靠近需要测量的有关装置的静电场，感应静电场的电压；探头感应到的电压通过电容分压2进行幅度衰减，场效应管3对电容分压输出信号进行隔离放大后提供给后续的输出调理电路4，输出调理电路4对场效应管的输出信号进行合理的幅度频带等调整，以满足后续电路的处理要求。屏蔽系统5对输入端的电场干扰进行屏蔽，并抑制外部及自身干扰，提高测量的准确性。同时屏蔽系统5也可防止静电在场效应管栅极的积累。某些特殊需求，也增加静电泄放开关K。由于使用了场效应管3，使电路的测量频带下限延伸至1.57×10^-7Hz，达到准直流测量的目的。同时，测量精度也获得提高。

图2是根据本发明测量电路实现的装置说明。图2所示的探头1安装在支撑板9上，通过屏蔽电缆5和印制板8连接，在印制板8上安装有分压电容2、场效应管3和输出调理电路4及相关配件。通过电缆6将输出及供电和插接件7连接。印制板8安装在结构支撑板10上。上述的结构都安装在铝质材料的筒型结构的外壳11内。筒型结构11高为5cm，直径为3cm，筒壁厚3mm。

本发明可对关注对象的特定位置的静电场进行精确计量，并可进行长期不间断监测。

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)

1.一种利用场效应管的静电场测量电路，其特征在于，包括探头(1)、串联的分压电容(2)、MOSFET管(3)、开关K、输出调理电路(4)和屏蔽系统(5)；其中，探头(1)用于感应静电场电压；探头的电压经分压电容分压后，接MOSFET管(3)的栅极，MOSFET管(3)的栅极与分压电容之间串联有电阻R；MOSFET管(3)的源极接地，漏极接输出调理电路(4)；开关K的一端接分压电容的输出点，另一端接地；输出调理电路(4)对MOSFET管(3)的输出电压进行幅度和带宽处理；屏蔽系统(5)对分压电容、MOSFET管及其连接路线进行电磁屏蔽。

2.一种静电场测量仪，其特征在于，包括外壳(11)以及安装在外壳(11)内的探头(1)、分压电路、MOSFET管(3)、输出调理电路(4)、屏蔽系统(5)、电缆(6)、插接件(7)、印制板(8)、支撑板(9)和结构支撑板(10)；其中，支撑板、印制板、结构支撑板依次设置在外壳(11)内的上下三层；探头(1)安装在支撑板(9)上，通过屏蔽电缆(5)和印制板(8)连接；印制板(8)上安装有分压电路、MOSFET管(3)和输出调理电路(4)；MOSFET管(3)的栅极串联电阻R后接分压电路的输出，源极接地，漏极接输出调理电路(4)；输出调理电路(4)的输出通过电缆(6)和插接件(7)连接。

3.如权利要求2所述静电场测量仪，其特征在于，外壳为筒型结构，采用铝质材料制成。

4.如权利要求3所述静电场测量仪，其特征在于，筒型结构的外壳高为5cm,直径为3cm，筒壁厚3mm。

Images