CN113179574B - 用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统 - Google Patents

用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，包括：多个朗缪尔探针、多通道电流采集电路和处理器，各个朗缪尔探针的探测端设置在待测区域的不同位置，朗缪尔探针与电流采集电路连接，处理器与电流采集电路连接；处理器根据接收到的各个朗缪尔探针的电流信号得到等离子体参数，根据得到的等离子体参数以及各个朗缪尔探针的位置信息得到区域等离子体分布；多个并行通道的设计可以获得真正的等离子体实时分布，弥补了现有技术通过通道切换来实现多路采集的缺点，同时通过对多路数据的并行处理，得到了更准确的等离子体分布结果。

Description

用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统
技术领域
本公开涉及等离子体检测技术领域，特别涉及一种用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
等离子体是宇宙中的一种常见物质，广泛存在于恒星、行星际空间以及地球周围的电离层中，是星际间物质存在的主要形式，常被看作是除气态、液态、固态三种物质存在状态之外的物质的第四态。
在等离子体诊断领域，朗缪尔探针由于具有结构简单，结果可靠等优点，已成为一种应用广泛的有效诊断技术。朗缪尔探针诊断方法是将一个金属电极浸入到等离子体中，然后利用控制电路在电极上施加一个扫描电压，同时采集探针上的微电流信号，得到I-V曲线，进而结合诊断理论得出等离子的物理参量。无论是在太空环境还是实验室的模拟环境中，朗缪尔探针均可以就位测量等离子体的电子密度(Ne)、电子温度(Te)等特性参量。
发明人发现，在进行等离子体诊断实验时，大多数情况下使用真空舱来创造低压放电环境。真空舱中的等离子体需要人工激发，大多数采用辉光放电的方式产生等离子体，但由于等离子体源多安放在真空舱的一端，舱内等离子体在空间上表现出不均匀性，而且据实验表明，等离子体分布的不均匀性在某些情况下会影响诊断实验的开展，影响实验结果数据的可信度。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，多个并行通道的设计可以获得真正的等离子体实时分布，弥补了现有技术通过通道切换来实现多路采集的缺点，同时通过对多路数据的并行处理，得到了更准确的等离子体分布结果。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统。
一种用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，包括：多个朗缪尔探针、多通道电流采集电路和处理器，各个朗缪尔探针的探测端设置在待测区域的不同位置，朗缪尔探针与电流采集电路连接，处理器与电流采集电路连接；
处理器根据接收到的各个朗缪尔探针的电流信号，结合预设诊断策略得到等离子体参数，根据得到的等离子体参数以及各个朗缪尔探针的位置信息得到区域等离子体分布。
进一步的，电流采集电路采用反馈式电流测量电路，包括第一运算放大器和第一电阻，第一运算放大器的负输入端通过第一电阻与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的负输入端与朗缪尔探针连接，第一运算放大器的正输入端与扫描偏置电压连接。
进一步的，电流采集电路的输出为朗缪尔探针探测电流与第一电阻的乘积再与偏置电压的加和。
进一步的，将通过电流采集电路得到的输出信号输入到变增益差分放大电路的输入端，消除施加在电流电压转换电路上的扫描偏置电压。
更进一步的，变增益差分放大电路包括第二运算放大器，电流采集电路得到的输出信号通过第二电阻输入到第二运算放大器的正输入端，扫描偏置电压通过第三电阻输入到第二运算放大器的负输入端；
第二运算放大器的正输入端与连接有不同阻值电阻的多个通路连接，其中一条通路与第一选通开关的第一端连接，第一选通开关的第二端接地；
第二运算放大器的负输入端与第二选通开关连接，第二运算放大器的输出端与连接有不同阻值电阻的多个通路连接，第二选通开关与一条通路连接。
更进一步的，变增益差分放大电路的输出为第四电阻与第三电阻的比值再与朗缪尔探针探测电流、第一电阻的乘积。
更进一步的，变增益差分放大电路的输出信号输入到四阶Bessel滤波器中以提高采集到的探针信号信噪比。
更进一步的，四阶Bessel滤波器包括第三运算放大器和第四运算放大器，变增益差分放大电路的输出信号通过串联的第五电阻和第六电阻与第三运算放大器的正输入端连接；
第五电阻和第六电阻之间的连线通过第二电容与第三运算放大器输出端连接，第三运算放大器的正极端通过第一电容接地，第三运算放大器的负输入端与输出端连接；
第三运算放大器的输出端通过串联的第七电阻和第八电阻与第四运算放大器的正输入端连接；
第七电阻和第八电阻之间的连线通过第四电容与第四运算放大器输出端连接，第四运算放大器的正极端通过第三电容接地，第四运算放大器的负输入端与输出端连接。
进一步的，利用处理器的一个模拟输出通道输出-10V～10V的扫描电压，对多个探针施加同步扫描。
本公开第二方面提供了一种用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断方法，利用本公开第一方面所述的诊断系统，包括以下过程：
获取探针电流信号；
结合扫描电压信号得到I-V曲线；
根据I-V曲线计算出电流对电压的一阶导数，电流的对数和平方的数据，并绘制图像；
根据得到的一阶导数、半对数和平方数据，得到电子密度、温度，离子密度、等离子电位和悬浮电位；
根据得到的等离子体参数以及各个朗缪尔探针的位置信息得到区域等离子体分布。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的诊断系统，多个并行通道的设计可以获得真正的等离子体实时分布，弥补了现有技术通过通道切换来实现多路采集的缺点，同时通过对多路数据的并行处理，得到了更准确的等离子体分布结果。
2、本公开所述的诊断系统，通过差分放大电路消除了施加在电流电压转换电路上的扫描偏置电压，确保输出的电压信号只有探针检测到的电流经过跨阻转换得来，提高了数据采集的准确性。
3、本公开所述的诊断系统，设计了由两个运放搭配阻容器件构成的四阶Bessel滤波器，可以大大提高采集到的探针信号信噪比。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的电流电压转换电路原理图。
图2为本公开实施例1提供的变增益差分放大电路原理图。
图3为本公开实施例1提供的四阶Bessel低通滤波器原理图。
图4为本公开实施例1提供的用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统的功能框图。
图5为本公开实施例1提供的实验真空舱的电子密度二维分布图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本公开实施例1提供了一种用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，包括：多个朗缪尔探针、多通道电流采集电路和处理器，各个朗缪尔探针的探测端设置在待测区域的不同位置，朗缪尔探针与电流采集电路连接，处理器与电流采集电路连接；
处理器根据接收到的各个朗缪尔探针的电流信号，结合预设诊断策略得到等离子体参数，根据得到的等离子体参数以及各个朗缪尔探针的位置信息得到区域等离子体分布。
如图4所示，本实施例所述的处理器采用的是NI USB-6211数据采集卡，NI USB-6211是一款总线供电USB M系列多功能DAQ模块，在高采样率下能保持高精度采集。该模块提供了16路模拟输入、2路模拟输出、4路数字输入、4路数字输出线，具有250kS/s的单通道采样率。16个独立的模拟输入通道可以对至多16个探针信号进行采集。利用1个模拟输出通道输出-10-10V的扫描电压，对多个探针施加同步扫描。两路DO输出通道控制模拟开关的切换，根据采集到的探针信号动态调整增益。
等离子体参数诊断程序采用Labview2018编程而成。程序软件的主要功能是对采集卡上传的量化信号反演出探针电流信号，结合扫描电压信号绘制出I-V曲线，进行数据可视化，然后根据I-V曲线得出电流对电压的一阶导数，电流的对数和平方数据，并绘制图像，以得到电子密度、温度、离子密度、等离子电位、悬浮电位等等离子体参数，然后根据多探针数据及安放位置信息得到区域等离子体分布。利用此装置得出实验真空舱的密度二维分布图如图5所示。其中等离子体源在右侧中心部分。可以看出，在轴向700mm的真空舱内部，等离子体源附近的电子密度约是最远端的5倍。
如图1所示，本实施例中，电流采集电路采用反馈式电流测量电路，包括第一运算放大器和第一电阻R1，第一运算放大器的负输入端通过第一电阻R1与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的负输入端与朗缪尔探针连接，第一运算放大器的正输入端与扫描偏置电压连接。
当系统正常工作时，根据探针上施加电压的大小，探针对应采集电子电流和离子电流，假定其参考方向为流向探针，经过电流电压转换电路，产生的电压U1会高于偏置电压VR，关系如公式(1)所示：
U1＝ITZ×R1+VR (1)
本实施例中，将通过电流采集电路得到的输出信号输入到变增益差分放大电路的输入端，消除施加在电流电压转换电路上的扫描偏置电压。
如图2所示，变增益差分放大电路包括第二运算放大器，电流采集电路得到的输出信号通过第二电阻R2输入到第二运算放大器的正输入端，扫描偏置电压通过第三电阻R2输入到第二运算放大器的负输入端；
第二运算放大器的正输入端与连接有不同阻值电阻R3的多个通路连接，其中一条通路与第一选通开关的第一端连接，第一选通开关的第二端接地；
第二运算放大器的负输入端与第二选通开关连接，第二运算放大器的输出端与连接有不同阻值电阻R3的多个通路连接，第二选通开关与一条通路连接。
差分放大电路的作用是消除施加在电流电压转换电路上的扫描偏置电压VR，确保输出的电压信号只有探针检测到的电流经过跨阻转换得来。除此之外，该电路还可以将电压信号进行放大，放大倍数由反馈回路放大电阻决定，通过采集卡的DO通道发出选通信号来控制模拟开关地切换，控制接入电路的电阻大小，差分放大电路的输出电压UOUT1如公式(2)所示。
Figure BDA0003035259330000081
采集到的微电流信号不可避免的存在高频噪声。三阶以上的低通滤波电路可以很好的衰减掉叠加在探针信号上的高频噪声，本实施例设计了由两个运放搭配阻容器件构成的四阶Bessel滤波器，如图3所示，可以大大提高采集到的探针信号信噪比。
四阶Bessel滤波器包括第三运算放大器和第四运算放大器，变增益差分放大电路的输出信号通过串联的第五电阻R4和第六电阻R5与第三运算放大器的正输入端连接；
第五电阻R4和第六电阻R5之间的连线通过第二电容C2与第三运算放大器输出端连接，第三运算放大器的正极端通过第一电容C1接地，第三运算放大器的负输入端与输出端连接；
第三运算放大器的输出端通过串联的第七电阻R6和第八电阻R7与第四运算放大器的正输入端连接；
第七电阻和第八电阻之间的连线通过第四电容C4与第四运算放大器输出端连接，第四运算放大器的正极端通过第三电容C3接地，第四运算放大器的负输入端与输出端连接。
本实施例中，信号处理电路采用简单的设计和小型化的封装保证了采集电路体积不至于太大，高性能采集卡将采集的探针信号通过高速USB接口实时上传到上位机等离子体诊断软件进行数据处理，得出更加准确的等离子体物理参量。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，其特征在于：
包括：多个朗缪尔探针、多通道电流采集电路和处理器，各个朗缪尔探针的探测端设置在待测区域的不同位置，朗缪尔探针与电流采集电路连接，处理器与电流采集电路连接；
处理器根据接收到的各个朗缪尔探针的电流信号，结合预设诊断策略得到等离子体参数，根据得到的等离子体参数以及各个朗缪尔探针的位置信息得到区域等离子体分布；
将通过电流采集电路得到的输出信号输入到变增益差分放大电路的输入端，消除施加在电流电压转换电路上的扫描偏置电压；
变增益差分放大电路的输出信号输入到四阶Bessel滤波器中以提高采集到的探针信号信噪比；
利用处理器的一个模拟输出通道输出-10V～10V的扫描电压，对多个探针施加同步扫描。
2.如权利要求1所述的用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，其特征在于：
电流采集电路采用反馈式电流测量电路，包括第一运算放大器和第一电阻，第一运算放大器的负输入端通过第一电阻与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的负输入端与朗缪尔探针连接，第一运算放大器的正输入端与扫描偏置电压连接。
3.如权利要求1所述的用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，其特征在于：
电流采集电路的输出为朗缪尔探针探测电流与第一电阻的乘积再与偏置电压的加和。
4.如权利要求1所述的用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，其特征在于：
变增益差分放大电路包括第二运算放大器，电流采集电路得到的输出信号通过第二电阻输入到第二运算放大器的正输入端，扫描偏置电压通过第三电阻输入到第二运算放大器的负输入端；
第二运算放大器的正输入端与连接有不同阻值电阻的多个通路连接，其中一条通路与第一选通开关的第一端连接，第一选通开关的第二端接地；
第二运算放大器的负输入端与第二选通开关连接，第二运算放大器的输出端与连接有不同阻值电阻的多个通路连接，第二选通开关与一条通路连接。
5.如权利要求4所述的用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，其特征在于：
变增益差分放大电路的输出为第四电阻与第三电阻的比值再与朗缪尔探针探测电流、第一电阻的乘积。
6.如权利要求1所述的用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断系统，其特征在于：
四阶Bessel滤波器包括第三运算放大器和第四运算放大器，变增益差分放大电路的输出信号通过串联的第五电阻和第六电阻与第三运算放大器的正输入端连接；
第五电阻和第六电阻之间的连线通过第二电容与第三运算放大器输出端连接，第三运算放大器的正极端通过第一电容接地，第三运算放大器的负输入端与输出端连接；
第三运算放大器的输出端通过串联的第七电阻和第八电阻与第四运算放大器的正输入端连接；
第七电阻和第八电阻之间的连线通过第四电容与第四运算放大器输出端连接，第四运算放大器的正极端通过第三电容接地，第四运算放大器的负输入端与输出端连接。
7.一种用于标定区域等离子体分布的多通道朗缪尔探针诊断方法，其特征在于：利用权利要求1-6任一项所述的诊断系统，包括以下过程：
获取探针电流信号；
结合扫描电压信号得到I-V曲线；
根据I-V曲线计算出电流对电压的一阶导数，电流的对数和平方的数据，并绘制图像；
根据得到的一阶导数、半对数和平方数据，得到电子密度、温度，离子密度、等离子电位和悬浮电位；
根据得到的等离子体参数以及各个朗缪尔探针的位置信息得到区域等离子体分布；
将通过电流采集电路得到的输出信号输入到变增益差分放大电路的输入端，消除施加在电流电压转换电路上的扫描偏置电压；
变增益差分放大电路的输出信号输入到四阶Bessel滤波器中以提高采集到的探针信号信噪比；
利用处理器的一个模拟输出通道输出-10V～10V的扫描电压，对多个探针施加同步扫描。
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