CN111278204B - 组合式探针 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合式探针，涉及真空羽流参数检测技术领域，本发明提供的组合式探针包括安装座以及均用于与电源连接的第一收集模块和第二收集模块；第一收集模块套设于安装座外部，且第一收集模块具有用于收集流场离子的带状收集面；第二收集模块与安装座连接，且第二收集模块具有用于收集流场离子的发射灯丝；或者第二收集模块至少部分与安装座具有一体式结构，且第二收集模块具有用于收集流场离子的收集端面。上述组合式探针中，第一收集模块保证了收集离子主要为CEX离子，同时可根据第二收集模块提供的空间电势在第一收集模块的伏安特性曲线上寻找对应的电流，实现空间电势高精度诊断及互相校正的功能，提高测量精度。

Description

组合式探针

技术领域

本发明涉及真空羽流参数检测技术领域，尤其是涉及一种组合式探针。

背景技术

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于评估电推力器和航天器性能是至关重要的。电推力器真空羽流是等离子体，电子温度和电子数密度是等离子羽流流场的基本参数，获取电子温度和电子数密度是研究等离子体性质的重要前提。

使用朗缪尔探针是最常用的等离子体诊断方式。该探针结构简单、易于实现，且所提供的信息量丰富，能够提供电子温度和电子数密度等基本参数信息。

等离子体特性的测试也可以采用发射探针。通过发射低于等离子体电位但不高于等离子体电位的电子，这种探针可用于在各种条件下进行测量，且非常适合于从稳态到振荡、从扩散到稠密、从冷到热的电推进等离子体。

现有发射探针及圆柱形朗缪尔探针存在几个突出的问题。

其一，对于朗缪尔圆柱形探针，其尺寸非常小，长度很长，为了避免终端效应，长径比通常为50以上，束流离子不能迅速穿过鞘层，导致圆柱形探针收集的离子中包含大量束流离子和CEX(charge exchange，电荷交换)离子，束流离子对CEX离子诊断造成干扰，因此限制了其使用条件与范围。

此外，如图1和图2所示，图1为朗缪尔探针伏安特性曲线；图2为羽流区第二次试验结果。在图1及图2中可知，由于朗缪尔探针电压越过空间电势后电流曲线继续增长，导致难以确定空间电势对应拐点，使得电子数密度测量和空间电势测量依赖于数据选取，有很大误差，需要通过理论创新和实践创新解决这个问题。

其二，发射探针已成为诊断电力推进装置的重要工具。通过发射低于等离子体电位但不高于等离子体电位的电子，它们可用于在各种条件下进行测量，使它们非常适合于从稳态到振荡、从扩散到稠密、从冷到热的电推进等离子体。必须特别注意空间电荷效应，这使得解释发射探测器数据比最初看起来更复杂。

其三，现有探针往往将探针头和螺母、螺栓、运动电机等连接部件直接连接，存在电接触，使得探针电阻偏大，电阻分压使得探针电压测量不精确，影响了测量精度；

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。

发明内容

根据上述的缺点和不足，本公开内容的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个。

本发明提供一种组合式探针，包括安装座以及均用于与电源连接的第一收集模块和第二收集模块；

所述第一收集模块套设于所述安装座外部，且所述第一收集模块具有用于收集流场离子的带状收集面；

所述第二收集模块与所述安装座连接，且所述第二收集模块具有用于收集流场离子的发射灯丝；

或者所述第二收集模块至少部分与所述安装座具有一体式结构，且所述第二收集模块具有用于收集流场离子的收集端面。

进一步地，所述第一收集模块包括均具有所述带状收集面以及均与所述电源连接的第一收集极、第二收集极和第三收集极；

所述第二收集极夹设于所述第一收集极与所述第三收集极之间，所述第一收集极和所述第三收集极分别与所述第二收集极之间设有绝缘层。

进一步地，所述安装座包括固定筒和限位组件，所述第一收集极、所述第二收集极和所述第三收集极均套设于所述固定筒外部，所述限位组件与所述固定筒连接，以将所述第一收集极、所述第二收集极和所述第三收集极压紧在所述固定筒上。

进一步地，所述限位组件与所述固定筒螺纹连接。

进一步地，所述固定筒具有第一轴阶、第二轴阶和第三轴阶，所述第一轴阶、所述第二轴阶和所述第三轴阶分别与所述第一收集极、所述第二收集极和所述第三收集极相抵，以限定所述第一收集极、所述第二收集极和所述第三收集极相对于所述安装座的位置。

进一步地，所述第二收集极和所述第三收集极靠近所述固定筒的表面均具有环形限位槽，所述第二轴阶和所述第三轴阶分别伸入所述第二收集极和所述第三收集极的限位槽内。

进一步地，当所述第二收集极具有所述发射灯丝时，所述发射灯丝贯穿所述安装座，且所述发射灯丝弯折设置，所述发射灯丝的弯折端伸出所述安装座用于收集流场离子，所述发射灯丝的末端伸出所述安装座用于与电源连接。

进一步地，所述发射灯丝与所述安装座过盈配合。

进一步地，当所述第二收集模块具有所述收集端面时，所述第二收集模块包括均用于与所述电源连接的平面探针和保护环；

所述保护环套设于所述平面探针的外部，且所述保护环形成用于容纳所述平面探针端部的凹腔；

所述平面探针与所述安装座具有一体式结构，且沿着所述保护环的径向，所述平面探针的端部与所述保护环之间具有空隙；

沿着所述保护环的轴向，所述保护环与所述平面探针之间夹设有第一隔离件。

进一步地，所述安装座与所述保护环之间通过锁紧件连接。

本发明提供的组合式探针能产生如下有益效果：

在上述组合式探针工作时，电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；第一收集模块和第二收集模块与电源连接，第一收集模块的带状收集面与第二收集模块上的发射灯丝或者收集端面收集流场离子，经采集系统采集第一收集模块和第二收集模块的电流和电压后，形成两组伏安特性曲线；最后根据第一收集模块和第二收集模块分别测得的伏安特性曲线，得到两组电子数密度和电子温度，相互校正后得到电子数密度和电子温度的精确值。

本发明提供的组合式探针采用两种类型探针的组合结构，其中，第一收集模块能够使束流离子快速通过鞘层，保证其收集离子主要为CEX离子，实现了束流区CEX离子诊断，拓展了探针的应用范围；第二收集模块提供了空间电势，根据这一空间电势在第一收集模块的伏安特性曲线上寻找对应的电流，实现空间电势高精度诊断及互相校正的功能。相对于现有技术来说，上述组合式探针综合两类探针的优点，实现了高精度测量。

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为朗缪尔探针伏安特性曲线；

图2为羽流区第二次试验结果；

图3为本发明实施例一提供的组合式探针的三维结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的组合式探针的正视图；

图5为图4的A－A截面图；

图6为本发明实施例二提供的组合式探针的三维结构示意图；

图7为本发明实施例二提供的组合式探针的正视图；

图8为图7的B－B截面图。

图标：1－安装座；11－固定筒；111－第一轴阶；112－第二轴阶；113－第三轴阶；12－限位组件；121－端盖；122－连接件；123－隔离层；124－盖体；125－紧固件；2－第一收集模块；21－第一收集极；22－第二收集极；23－第三收集极；24－绝缘层；3－第二收集模块；31－发射灯丝；32－平面探针；33－保护环；34－第一隔离件；4－锁紧件。

具体实施方式

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。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，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。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本实施例在于提供一种组合式探针，如图3至图8所示，包括安装座1以及均用于与电源连接的第一收集模块2和第二收集模块3；第一收集模块2套设于安装座1外部，且第一收集模块2具有用于收集流场离子的带状收集面；第二收集模块3与安装座1连接，且第二收集模块3具有用于收集流场离子的发射灯丝31；或者第二收集模块3至少部分与安装座1具有一体式结构，且第二收集模块3具有用于收集流场离子的收集端面。

在上述组合式探针工作时，电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；第一收集模块2和第二收集模块3与电源连接，第一收集模块2的带状收集面与第二收集模块3上的发射灯丝31或者收集端面收集流场离子，经采集系统采集第一收集模块2和第二收集模块3的电流和电压后，形成两组伏安特性曲线；最后根据第一收集模块2和第二收集模块3分别测得的伏安特性曲线，得到两组电子数密度和电子温度，相互校正后得到电子数密度和电子温度的精确值。

进一步地，如图3和图6所示，第一收集模块2包括均具有带状收集面以及均与电源连接的第一收集极21、第二收集极22和第三收集极23；第二收集极22夹设于第一收集极21与第三收集极23之间，第一收集极21和第三收集极23分别与第二收集极22之间设有绝缘层24，绝缘层24用于将第一收集极21、第二收集极22和第三收集极23相分隔。

在使用时，第一收集极21、第二收集极22和第三收集极23共同收集流场离子，第一收集极21和第三收集极23能够消除第二收集极22的终端效应，保证第二收集极22的收集面积不变，确保所得数据准确。

具体地，第一收集极21、第二收集极22和第三收集极23的材料为钨；绝缘层24的材料为陶瓷。

进一步地，为了使得安装座1的结构更加的简单，如图5和图8所示，安装座1包括固定筒11和限位组件12，第一收集极21、第二收集极22和第三收集极23均套设于固定筒11外部，限位组件12与固定筒11连接，以将第一收集极21、第二收集极22和第三收集极23压紧在固定筒11上。

第一收集极21、第二收集极22、第三收集极23和两个绝缘层24均套设于固定筒11的外部，沿着固定筒11的径向，实现三个收集极以及两个绝缘层24的定位；限位组件12将三个收集极以及两个绝缘层24压紧在固定筒11上，能够沿着固定筒11的轴向，实现三个收集极以及两个绝缘层24的定位，保证三个收集极以及两个绝缘层24稳定的安装在安装座1上。

具体地，沿着固定筒11的轴向，第一收集极21、第二收集极22和第三收集极23依次分布。以图5为例进行具体说明，面向图5的方向，第三收集极23位于第二收集极22的上方，第二收集极22位于第一收集极21的上方，三个收集极分别位于固定筒11的不同高度上。

其中，限位组件12可以采用多种方式与固定筒11连接，具体可以为螺纹连接、卡接、销接，等等。

在至少一个实施例中，限位组件12与固定筒11螺纹连接。

在一些实施例中，如图5所示，固定筒11具有第一轴阶111、第二轴阶112和第三轴阶113，第一轴阶111、第二轴阶112和第三轴阶113分别与第一收集极21、第二收集极22和第三收集极23相抵，以限定第一收集极21、第二收集极22和第三收集极23相对于安装座1的位置。

第一轴阶111、第二轴阶112和第三轴阶113能够对三个收集极的位置进行限定，从而使得三个收集极相对于固定筒11的位置更加的准确，也便于三个收集极的安装。

具体地，第一轴阶111的周向尺寸大于第二轴阶112的周向尺寸，第二轴阶112的周向尺寸大于第三轴阶113的周向尺寸。

在上述实施例的基础上，可选地，第二收集极22和第三收集极23靠近固定筒11的表面均具有环形限位槽，第二轴阶112和第三轴阶113分别伸入第二收集极22和第三收集极23的限位槽内。

环形限位槽的设置增加了第二收集极22和第三收集极23与轴阶之间的接触面积，令第二收集极22和第三收集极23更稳定的设于固定筒11上。

根据第二收集极22的结构类型不同，可以分为以下两种实施例：

实施例一：

在本实施例一中，第二收集极22具有发射灯丝31。如图3至图5所示，发射灯丝31贯穿安装座1，且发射灯丝31弯折设置，发射灯丝31的弯折端伸出安装座1用于收集流场离子，发射灯丝31的末端伸出安装座1用于与电源连接。

其中，发射灯丝31可以为一段连续的钨丝，自安装座1的第一端部伸入安装座1，自安装座1的第二端部伸出弯折后再自安装座1的第一端部伸出。其弯折端暴露在羽流内，收集等离子体，其伸出第一端部的末端与电源连接。上述设置使得发射灯丝31能够直接与测量电路连接，连接稳固牢靠，不易松脱。

在本实施例一中，如图3所示，限位组件12包括端盖121和连接件122，端盖121套设于固定筒11的外部，且端盖121盖设于第三收集极23上，连接件122贯穿端盖121与固定筒11螺纹连接，以将端盖121压紧在第三收集极23上。

在本实施例一中，如图5所示，安装座1上具有用于发射灯丝31穿过的通孔，安装座1穿过通孔与安装座1过盈配合，便于发射灯丝31的安装。

实施例二：

在本实施例二中，第二收集模块3具有收集端面。如图6至图8所示，第二收集模块3包括均用于与电源连接的平面探针32和保护环33；保护环33套设于平面探针32的外部，且保护环33形成用于容纳平面探针32端部的凹腔；平面探针32与安装座1具有一体式结构，且沿着保护环33的径向，平面探针32的端部与保护环33之间具有空隙；沿着保护环33的轴向，保护环33与平面探针32之间夹设有第一隔离件34。

在使用时，平面探针32与保护环33共同收集流场离子，且保护环33与平面探针32端部之间具有一定的空隙，使得保护环33能够减小平面探针32的边缘效应，令所测数据更加的准确。

其中，平面探针32的端部与保护环33之间的距离为0.8mm－1.2mm。具体地，平面探针32的端部与保护环33之间的距离可以为0.8mm、1.0mm、1.2mm。

在本实施例一中，如图8所示，限位组件12包括隔离层123、盖体124以及紧固件125，隔离层123套设于固定筒11的外部，且隔离层123盖设于第三收集极23上，盖体124位于隔离层123的上方，紧固件125贯穿盖体124和隔离层123与固定筒11螺纹连接，以通过盖体124将隔离层123压紧在第三收集极23上。

另外，平面探针32与紧固件125具有一体式结构，即平面探针32的一端具有用于收集流场离子的端面，另一端与固定筒11螺纹连接。

为了便于上述第二收集模块3的装配，盖体124和固定筒11之间还设有螺母。将盖体124、保护环33以及第一隔离件34套设于平面探针32上后，可以通过螺母将盖体124、保护环33以及第一隔离件34压紧在平面探针32的端部，实现第二收集模块3的装配。

在本实施例二中，如图8所示，安装座1与保护环33之间通过锁紧件4连接，令保护环33相对于安装座1的位置更加的稳定。

为了保证平面探针32与固定筒11螺纹连接时，隔离层123不会对锁紧件4造成阻碍，隔离层123内表面与固定筒11之间具有一定的距离，以为锁紧件4提供转动空间。

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 (9)

1.一种组合式探针，其特征在于，包括安装座(1)以及均用于与电源连接的第一收集模块(2)和第二收集模块(3)；

所述第一收集模块(2)套设于所述安装座(1)外部，且所述第一收集模块(2)具有用于收集流场离子的带状收集面；

所述第二收集模块(3)与所述安装座(1)连接，且所述第二收集模块(3)具有用于收集流场离子的发射灯丝(31)；

或者所述第二收集模块(3)至少部分与所述安装座(1)具有一体式结构，且所述第二收集模块(3)具有用于收集流场离子的收集端面；

所述第一收集模块(2)包括均具有所述带状收集面以及均与所述电源连接的第一收集极(21)、第二收集极(22)和第三收集极(23)；

所述第二收集极(22)夹设于所述第一收集极(21)与所述第三收集极(23)之间，所述第一收集极(21)和所述第三收集极(23)分别与所述第二收集极(22)之间设有绝缘层(24)。

2.根据权利要求1所述的组合式探针，其特征在于，所述安装座(1)包括固定筒(11)和限位组件(12)，所述第一收集极(21)、所述第二收集极(22)和所述第三收集极(23)均套设于所述固定筒(11)外部，所述限位组件(12)与所述固定筒(11)连接，以将所述第一收集极(21)、所述第二收集极(22)和所述第三收集极(23)压紧在所述固定筒(11)上。

3.根据权利要求2所述的组合式探针，其特征在于，所述限位组件(12)与所述固定筒(11)螺纹连接。

4.根据权利要求2所述的组合式探针，其特征在于，所述固定筒(11)具有第一轴阶(111)、第二轴阶(112)和第三轴阶(113)，所述第一轴阶(111)、所述第二轴阶(112)和所述第三轴阶(113)分别与所述第一收集极(21)、所述第二收集极(22)和所述第三收集极(23)相抵，以限定所述第一收集极(21)、所述第二收集极(22)和所述第三收集极(23)相对于所述安装座(1)的位置。

5.根据权利要求4所述的组合式探针，其特征在于，所述第二收集极(22)和所述第三收集极(23)靠近所述固定筒(11)的表面均具有环形限位槽，所述第二轴阶(112)和所述第三轴阶(113)分别伸入所述第二收集极(22)和所述第三收集极(23)的限位槽内。

6.根据权利要求2所述的组合式探针，其特征在于，当所述第二收集极(22)具有所述发射灯丝(31)时，所述发射灯丝(31)贯穿所述安装座(1)，且所述发射灯丝(31)弯折设置，所述发射灯丝(31)的弯折端伸出所述安装座(1)用于收集流场离子，所述发射灯丝(31)的末端伸出所述安装座(1)用于与电源连接。

7.根据权利要求6所述的组合式探针，其特征在于，所述发射灯丝(31)与所述安装座(1)过盈配合。

8.根据权利要求1所述的组合式探针，其特征在于，当所述第二收集模块(3)具有所述收集端面时，所述第二收集模块(3)包括均用于与所述电源连接的平面探针(32)和保护环(33)；

所述保护环(33)套设于所述平面探针(32)的外部，且所述保护环(33)形成用于容纳所述平面探针(32)端部的凹腔；

所述平面探针(32)与所述安装座(1)具有一体式结构，且沿着所述保护环(33)的径向，所述平面探针(32)的端部与所述保护环(33)之间具有空隙；

沿着所述保护环(33)的轴向，所述保护环(33)与所述平面探针(32)之间夹设有第一隔离件(34)。

9.根据权利要求8所述的组合式探针，其特征在于，所述安装座(1)与所述保护环(33)之间通过锁紧件(4)连接。

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