CN113326608B - 一种振动电容式电位检测传感器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及空间载荷技术领域，具体而言，涉及一种振动电容式电位检测传感器设计方法，包括如下步骤：S1：建立仿真几何模型；S2：确定被测对象与感应电极之间距离L；S3：确定补偿电极开孔直径D；S4：确定补偿电压上限VB；S5：确定传递函数，补偿电压上限VB与测量量程VR的比值即为电位检测传感器的传递函数，也即传感器的标度因数，从而完成整体电位检测传感器的设计。本发明采用电荷感应理论结合静电场仿真的方法建立感应电流与被测电位之间对应关系，简化了卫星表面电位检测传感器设计过程，降低了计算难度，提高了设计效率，能够精确计算出电位检测传感器的传递函数，便于优化设计参数，便于后期直观进行电位检测传感器灵敏度影响因素的分析。

Description

一种振动电容式电位检测传感器设计方法
技术领域
本申请涉及空间载荷技术领域，具体而言，涉及一种振动电容式电位检测传感器设计方法。
背景技术
高轨卫星在轨运行期间，会沉浸在空间等离子体中，等离子体与卫星表面材料相互作用，会使卫星表面产生净电荷积累，当电位升高到一定量值后，将会发生静电放电，或通过卫星结构、接地系统注入到卫星电子系统中，对星上电子系统造成影响，甚至威胁卫星安全。因此，在卫星设计中，都会进行卫星表面电位检测，控制等工作。
卫星表面电位检测多采用振动电容式原理的传感器测量。振动电容式电位检测传感器具体又分为直接测量型和反馈输出型。直接测量型电位检测传感器组成简单，设计制造相对容易，但其应用于大量程测量时，测量精度不高；反馈输出型电位检测传感器较直接测量型增加了补偿电极板，通过补偿电极上施加的反向电压作为传感器输出，测量精度高，但其传递函数不易通过理论公式描述，传感器设计时较难精确控制设计参数。
传统振动电容式电位检测传感器设计方法是基于电容充放电理论，建立系统传递函数，此方法应用于模型较为复杂的反馈输出型电位检测传感器时计算较为复杂，不易直接得到系统传递函数。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种振动电容式电位检测传感器设计方法，采用电荷感应理论结合静电场仿真的方式建立感应电流与被测电位之间对应关系，以检测量程和精度为约束条件，确定电位检测传感器的参数和反向补偿电压，最终确定系统传递函数。
为了实现上述目的，本申请提供了一种振动电容式电位检测传感器设计方法，包括如下步骤：S1：建立仿真几何模型，根据振动电容式电位检测传感器工作原理建立仿真几何模型，其中补偿电极开孔直径D、被测对象与感应电极之间距离L以及补偿电压上限VB为待确定参数，其余边界参数根据空间约束设定；S2：确定被测对象与感应电极之间距离L，根据电位检测传感器整体包络尺寸，在仿真模型中初步设定待确定参数，进行一次仿真计算，将感应电极设置在电场强度随感应距离变化最大位置，即曲线斜率最大位置，从而确定被测对象与感应电极之间距离L；S3：确定补偿电极开孔直径D，根据电位检测传感器设计指标要求，将被测对象设置为测量精度VA，补偿电压设置为0，调整补偿电极开孔直径D，使感应电极上感应电流IS大于电流检测阈值IP，确定补偿电极开孔直径D；S4：确定补偿电压上限VB，根据电位检测传感器设计指标要求，将被测对象设置为测量量程VR，调整补偿电压Vb，使感应电极上感应电流IS小于电流检测阈值IP，确定补偿电压上限VB；S5：确定传递函数，补偿电压上限VB与测量量程VR的比值即为电位检测传感器的传递函数，也即传感器的标度因数，从而完成整体电位检测传感器的设计。
进一步的，在步骤S3确定感应电流IS过程中，感应电极上产生的感应电荷通过如下公式进行计算：
Q＝EAε
其中，Q为感应电极上产生的感应电荷，E为感应电极处的电场强度，A为感应电极的面积，ε为介电常数。
进一步的，在步骤S3确定感应电流IS过程中，将感应电极振动时上下两个极限位置作为研究对象，对感应电极在振幅上下限分别设定两次仿真计算，并求得感应电极面积上电场强度积分，得到这两个位置感应电极上的感应电荷，分别为Q1和Q2。
进一步的，步骤S3中感应电流IS通过如下公式进行计算：
Is＝(Q1-Q2)f
其中，f为感应电极振动频率。
本发明提供的一种振动电容式电位检测传感器设计方法，具有以下有益效果：
本发明采用电荷感应理论结合静电场仿真的方法建立感应电流与被测电位之间对应关系，以检测量程和精度为约束条件，确定传感器参数和反向补偿电压，最终确定系统传递函数，简化了卫星表面电位检测传感器设计过程，降低了计算难度，提高了设计效率，能够精确计算出电位检测传感器的传递函数，便于优化设计参数，便于后期直观进行电位检测传感器灵敏度影响因素的分析。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的一种振动电容式电位检测传感器设计方法的步骤流程图；
图2是根据本申请实施例提供的一种振动电容式电位检测传感器设计方法的仿真几何模型图；
图3是根据本申请实施例提供的一种振动电容式电位检测传感器设计方法的电场强度随被测对象与感应电极之间距离变化曲线图；
图中：1-仿真模型对称轴、2-补偿电极、3-感应电极、4-结构地、5-输入电极、6-被测对象。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本申请实施例提供了一种振动电容式电位检测传感器设计方法，适用于直接测量型电位检测传感器以及反馈输出型电位检测传感器的设计，以电位检测传感器设计指标测量量程VR为-2000V～0V，测量精度VA为20V为例，具体设计步骤如下所述：
S1：根据振动电容式电位检测传感器工作原理建立仿真几何模型，如图2所示；
S2：根据电位检测传感器整体包络尺寸，在仿真模型中初步设定待确定参数，感应电极3直径为20mm，被测对象6与感应电极3之间距离26mm，补偿电极2开孔直径为5mm，被测电位为-2000V，感应电极3振幅150μm，频率为500Hz；进行一次仿真计算，如图3所示，确定被测对象6与感应电极3之间距离L为曲线斜率最大位置，为28.3mm；
S3：根据电位检测传感器设计指标要求，将被测对象6设置为测量精度20V，补偿电压设置为0，调整补偿电极2开孔直径D，直到开孔直径D为4.02mm时，感应电极3上感应电流Is为1.9pA，大于电流检测阈值Ip1pA，确定补偿电极2开孔直径D为4.02mm；
S4：根据电位检测传感器设计指标要求，将被测对象6设置为测量量程-2000V，调整补偿电压Vb，当补偿电压Vb为17.9V时，感应电极3上感应电流Is为0.49pA，小于电流检测阈值IplpA，确定补偿电压上限VB为17.9V；
S5：补偿电压上限VB与测量量程VR的比值即为传感器传递函数，为0.00895，也即传感器的标度因数，从而完成整体电位检测传感器的设计。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种振动电容式电位检测传感器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:建立仿真几何模型，根据振动电容式电位检测传感器工作原理建立仿真几何模型，其中补偿电极开孔直径D、被测对象与感应电极之间距离L以及补偿电压上限VB为待确定参数，其余边界参数根据空间约束设定；
S2:确定被测对象与感应电极之间距离L，根据电位检测传感器整体包络尺寸，在仿真模型中初步设定待确定参数，进行一次仿真计算，将感应电极设置在电场强度随感应距离变化最大位置，即曲线斜率最大位置，从而确定被测对象与感应电极之间距离L；
S3:确定补偿电极开孔直径D，根据电位检测传感器设计指标要求，将被测对象设置为测量精度VA，补偿电压设置为0，调整补偿电极开孔直径D，使感应电极上感应电流IS大于电流检测阈值IP，确定补偿电极开孔直径D；
确定感应电流IS过程中，感应电极上产生的感应电荷通过如下公式进行计算：
Q＝EAε
其中，Q为感应电极上产生的感应电荷，E为感应电极处的电场强度，A为感应电极的面积，ε为介电常数；
确定感应电流IS过程中，将感应电极振动时上下两个极限位置作为研究对象，对感应电极在振幅上下限分别设定两次仿真计算，并求得感应电极面积上电场强度积分，得到这两个位置感应电极上的感应电荷，分别为Q1和Q2；
感应电流IS通过如下公式进行计算：
Is＝(Q1-Q2)f
其中，f为感应电极振动频率；
S4:确定补偿电压上限VB，根据电位检测传感器设计指标要求，将被测对象设置为测量量程VR，调整补偿电压Vb，使感应电极上感应电流IS小于电流检测阈值IP，确定补偿电压上限VB；
S5:确定传递函数，补偿电压上限VB与测量量程VR的比值即为电位检测传感器的传递函数，也即传感器的标度因数，从而完成整体电位检测传感器的设计。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8289094B2 (en) * 2008-06-26 2012-10-16 Freescale Semiconductor, Inc. Voltage controlled oscillator (VCO) circuit with integrated compensation of thermally caused frequency drift
JP5454099B2 (ja) * 2009-11-20 2014-03-26 株式会社リコー 静電潜像の評価方法
CN103018518B (zh) * 2012-11-27 2015-06-10 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 一种监测航天器表面电位振动电容式传感器的布置与优化方法
US9601997B2 (en) * 2013-03-29 2017-03-21 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. V^2 power converter control with capacitor current ramp compensation
DE102013208688A1 (de) * 2013-05-13 2014-11-13 Robert Bosch Gmbh Sensiereinrichtung für eine mikromechanische Sensorvorrichtung
CN103760402B (zh) * 2014-01-22 2016-04-13 重庆大学 基于D_dot原理的三相电压互感器及三相影响电压补偿方法
WO2016157117A1 (en) * 2015-03-31 2016-10-06 Rg Smart Pte. Ltd. Nanoelectronic sensor pixel
EP3608624B1 (de) * 2018-08-06 2022-06-29 Hexagon Technology Center GmbH Kapazitiver distanzsensor
CN110514893A (zh) * 2019-08-14 2019-11-29 北京卫星环境工程研究所 微机械电场传感器测量航天器局部表面带电电压的方法

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