CN116108666A - 一种惯性传感器光电流模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性传感器光电流模型的构建方法，包括：基于金属表面光电流一般方程和惯性传感器几何结构建立光电流模型；对光电流模型的参数进行分别标定：根据光学特性，得到惯性传感器内表面各划分区域的光电子出射数量；调控各极板电势和检验质量之间电势差使极板和检验质量之间处于饱和态和零点态，并分别测量这两种模式组合下的光电流，根据两种模式组合下的光电流，得到所有极板和检验质量之间的分流概率；测量从负饱和态电势到正饱和态电势之间的检验质量的光电流，从光电流模型方程中反解出惯性传感器光电子迁移几率。本发明能精确地给出惯性传感器中各极板电势对检验质量放电性能的影响，辅助设计电荷管理系统放电策略。

Description

一种惯性传感器光电流模型的构建方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，更具体地，涉及一种惯性传感器光电流模型的构建方法。

背景技术

在精密测量领域，通常需要将敏感单元进行绝缘处理，从而实现电气、热噪声等外部干扰的隔离。例如，欧空局主导的LISA空间引力波探测计划中，惯性传感器的敏感探头由检验质量和周围的极板组成，其中检验质量是一个孤立导体，与周围物体无任何电气连接，空间中自由电荷会附着于检验质量上从而导致电荷的积累。逐渐积累的电荷所产生的静电力会严重干扰仪器的测量结果，因此需要对检验质量上的电荷进行控制。

以LISA Pathfinder中所采用的紫外放电技术为例，其通过紫外光照射惯性传感器内部，激发出检验质量和极板表面光电子，从而实现对检验质量的充放电。而实际工作中每块极板上会施加许多复杂电压，紫外光电子能量最大为eV量级，因此伏级大小的电压会通过改变光电子运动方向从而在宏观上影响检验质量表面充放电速率，故需要每块极板上的电压对检验质量放电速率的具体影响进行研究以往针对放电速率的工作仅研究了与放电轴向相同方向的极板上施加的直流偏压对紫外放电系统性能的影响，但对于检验质量其他轴向极板电势偏压的影响并没有文献给出。

电极和检验质量表面可能由具有不同表面性质的区域(如量子产率、功函数、光照比等)组成，因此需要对检验质量和极板进行空间分割。当其处于太空环境中时，太阳高能粒子和宇宙银河射线会不断穿透航天器给检验质量充电，而充电速率在几十个e/s到1000e/s之间，为了使检验质量在宇宙中能够中和宇宙中粒子的充电效应，需要给出精确的检验质量充放电速率，因此需要建立一个更精确的光电流模型。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种惯性传感器光电流模型的构建方法，能精确地给出惯性传感器中各极板电势对检验质量放电性能的影响。

为实现上述目的，本发明提供了惯性传感器光电流模型的构建方法，包括如下步骤：

(1)基于金属表面光电流一般方程和惯性传感器几何结构建立光电流模型；

(2)对所述光电流模型的三个参数进行分别标定，标定方法为：

(a)根据惯性传感器内表面对紫外光的光学特性，得到惯性传感器中内表面各划分区域的光电子出射数量，所述划分区域根据各极板所在区域进行划分，各划分区域均包括一极板及与该极板表面相对应的检验质量；

(b)在待测极板和其他极板上施加相同直流偏置电压，使待测极板和检验质量之间的电势差大于光电子最大出射动能，从而使待测极板和检验质量处于饱和态，测量饱和态下的检验质量的光电流；改变待测极板的直流偏压与检验质量的直流偏压相同，使待测极板和检验质量处于零点态，测量零点态下的检验质量的光电流；最后根据这两种模式下的光电流计算得到待测极板和检验质量之间的分流概率；

(c)依次将其它极板作为待测极板，重复步骤(b)，得到各极板和检验质量之间的分流概率；

(d)调控各极板和检验质量之间的电势差以相同步长从负饱和态电势变化到正饱和态电势，并测量每个电势差点下从检验质量的光电流，最后根据惯性传感器内表面各划分区域的光电子出射数量及各极板和检验质量之间的分流概率，从光电流模型方程中反解出惯性传感器的光电子迁移几率。

本发明提供的惯性传感器光电流模型的构建方法，具有如下效果：(1)能够对惯性传感器中的每块极板电势对检验质量放电性能的影响进行标定。由于极板上具有复杂的调制电场，而对于这些电场对检验质量放电性能的影响并没有进一步给出，因此研究每块极板上电势对检验质量放电性能的影响能够辅助设计电荷管理系统；(2)本方法考虑了光电子出射角度呈余弦分布的影响，对模型的描述更精确。

在其中一个实施例中，所述光电流模型的方程为：

式中，i和j表示惯性传感器内表面划分区域的标号；

从惯性传感器内任意i表面出发到达与之相对的任意j表面的光电流；b_i表示单位时间内从惯性传感器内任意i表面出射的总光电子数；a_i→j表示从惯性传感器内任意i表面产生的总光电子迁移到相对的j表面的分流概率；f_i→j(V)表示从惯性传感器内任意i表面产生的光电子克服i表面与相对的j表面之间电势差迁移到j表面的概率。

在其中一个实施例中，步骤(a)中，所述光学特性包括惯性传感器内表面各划分区域对紫外光的吸收率和反射率、及反射紫外光部分漫反射和镜面反射的比率。

在其中一个实施例中，步骤(a)中，惯性传感器内表面各划分区域的光电子出射数量：

式中，i表示惯性传感器内表面划分区域的标号；b_i表示惯性传感器内表面区域i出射的光电子出射数量；P代表紫外LED灯照射惯性传感器内部的入射光功率；ρ(θ)表示惯性传感器内表面紫外光光照吸收比率；QY_int表示量子产率，定义为入射单个紫外光子能够产生的光电子数。

在其中一个实施例中，步骤(b)中，在紫外光照射下，光电子最大出射动能在eV量级。

在其中一个实施例中，检验质量的总光电流等于从极板流向检验质量的光电流减去从检验质量流向极板的光电流，计算公式为：

式中，n表示惯性传感器中极板的总数；b_i ^TM表示单位时间内从检验质量i表面出射的总光电子数，b_i ^EH表示单位时间内从极板i表面出射的总光电子数；

表示单位时间内从检验质量i表面出射的总光电子数分流到相对的极板j表面的概率，

表示单位时间内从极板i表面出射的总光电子数分流到相对的检验质量j表面的概率；f^TM(V_i)表示从检验质量i表面产生的光电子能够克服检验质量i表面与相对的极板j表面之间电势差V_i迁移到j表面的概率，f^EH(V_i)表示从极板i表面产生的光电子能够克服极板i表面与相对的检验质量j表面之间电势差V_i迁移到j表面的概率。

在其中一个实施例中，步骤(b)中，当惯性传感器处于正饱和态时，f^TM(V_i)全部为1，f^EH(V_i)全部为0；当惯性传感器处于零点态时，f^TM(V_i)全部为1，待测极板i的光电子迁移几率f^EH(V_i)为1，其它极板的光电子迁移几率为0。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的惯性传感器光电流模型的构建方法的流程图；

图2是本发明一实施例提供的惯性传感器光电流模型参数标定的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明一实施例提供的惯性传感器光电流模型的构建方法的流程图，如图1所示，本发明提供的光电流模型的构建方法包括惯性传感器光电流模型的建立步骤和光电流模型的参数标定步骤。

其中，惯性传感器光电流模型基于极板和检验质量的空间分割。原因是极板和检验质量表面可能由具有不同表面性质的区域(如量子产率、功函数、光照比等)组成，因此需要对特定电极进行精细分割。由于金属表面产生的光电子在出射角度为余弦角度，导致从同一块极板(或检验质量)出射的光电子不仅会流向与之相对的检验质量(或极板)，有一部分还会流向相邻区域的检验质量。

金属表面的一般光电流方程为：

式中，

表示金属表面光电流；P表示照射金属的LED的入射光功率；ρ(θ)表示金属表面紫外光光照吸收比率；QY_int表示量子产率，定义为入射单个光子能够产生的光电子数；f(V)表示光电子迁移几率，定义为在金属导体对之间，光电子在一定条件下从一导体表面流向并到达另一导体表面的光电子数占总出射电子数的比例。

因此，单位时间从惯性传感器内任意i表面出发到达与之相对的任意j表面的光电流

的表达式为：

式中，b_i表示单位时间内从惯性传感器内任意i表面出射的总光电子数，

a_i→j表示从惯性传感器内任意i表面产生的总光电子迁移到j表面的分流概率；f_i→j(V)表示从惯性传感器内任意i表面产生的光电子能够克服i表面与相对的j表面之间电势差迁移到j表面的概率。

由此可见，基于惯性传感器的光电流模型的重要影响参数被分为三个：第一个因素为区域i光电子数量b_i，紫外光被每个表面反射和吸收后各个表面光照吸收率决定了在极板和检验质量各区域产生的光电子数量分布；第二个因素为分流概率a_i→j，由于金属表面产生的光电子出射角度呈余弦分布，导致从极板(或检验质量)出射的光电子不仅会流向与之相对的检验质量(或极板)，有一部分还会流向相邻区域的检验质量(或极板)；第三个因素为光电子迁移几率f_i→j(V)，当光电子从极板或检验质量表面出射之后会受到极板和检验质量之间电势差的作用，当电势差对电子的运动为阻碍作用时，只有部分电子能够到达相对表面，这部分对充电有贡献的电子与从出射表面出射总电子数之比为光电子迁移几率。

因此，光电子最终能够到达的位置受到分流概率和光电子迁移几率两者共同作用，而光电子最终停留的位置决定了宏观上检验质量是处于充电状态还是放电状态。

由于光电子迁移几率f_i→j(V_i)只与电势差V_i有关，即当i表面分别与j表面和k(k≠j)表面电势差相同时，从i表面出发到j表面的光电子迁移几率与从i表面出发到k表面的光电子迁移几率相同，f_i→j(V_i)＝f_i→k(V_i)，因此f_i→j(V_i)可以简化为f(V_i)。

基于以上参数，检验质量表面总放电速率(总光电流)等于从极板流向检验质量的光电流减去从检验质量流向极板的光电流，表达式如下：

式中，n表示惯性传感器中极板的总数，检验质量表面被分割n块与极板一一对应的表面；b_i ^TM表示单位时间内从检验质量i表面出射的总光电子数，b_i ^EH表示单位时间内从极板i表面出射的总光电子数；

表示单位时间内从检验质量i表面出射的总光电子数分流到相对的极板j表面的概率，

表示单位时间内从极板i表面出射的总光电子数分流到相对的检验质量j表面的概率；f^TM(V_i)表示从检验质量i表面产生的光电子能够克服检验质量i表面与相对的极板j表面之间电势差V_i迁移到j表面的概率，f^EH(V_i)表示从极板i表面产生的光电子能够克服极板i表面与相对的检验质量j表面之间电势差V_i迁移到j表面的概率。

通过联立各特征态方程实现对检验质量光电流模型的参数标定。

此方法具体包括如下步骤：

步骤1：首先可以通过有限元仿真软件射线光学接口设置惯性传感器内各极板和检验质量表面对紫外光的光学特性，仿真得到惯性传感器内部各区域i光电子出射数量b_i。

在步骤1中，光学特性指紫外光照射惯性传感器内部时，内部检验质量划分区域和各极板对紫外光的吸收率和反射率，以及反射紫外光部分漫反射和镜面反射的比率。

步骤2：用直流偏置稳压源在待测极板和其他极板上施加相同直流偏置电压，并使得待测极板和检验质量直流偏压大于光电子最大出射动能。此时待测极板和检验质量之间的电场对极板或检验质量表面出射的光电子起阻碍作用，导致f_i→j(V)＝0或1，此时充电或者放电光电流为零，此时待测极板和检验质量之间充放电状态被定义为饱和态。其中正饱和态表示只有从极板流向检验质量的光电流，负饱和态则相反。调整待测极板电势与检验质量电势相同，其他极板电势保持不变此时待测极板和检验质量之间增加一束与之前方向相反的光电流，检验质量和待测极板之间电势差为零，此时待测极板和检验质量之间的充放电状态被定义为零点态。

在步骤2中，根据文献调研紫外光照射金表面出射的光电子最大动能在eV量级，或通过实验确定出射的光电子动能，eg入射紫外光时，设置偏置电压源设置极板和检验质量之间电势差，测量静电计测量两者之间电流的绝对值，测得电流最大值处，表示从极板流向检验质量或从检验质量流向极板的光电子此时完全被抑制不能出射，用此时极板和检验质量施加的电势能即为光电子最大出射动能。

步骤3：通过静电计分别测量稳定后检验质量的饱和态光电流

和零点态光电流

步骤4：零点态光电流比饱和态光电流包含的信息中多一项流向相反方向的光电流，因此通过这两个态可以得到待测极板和检验质量之间的分流概率a_i→j，通过该方法求出所有极板和检验质量之间所有的分流概率a_i→j参数。

步骤5：确定取样间隔ΔV，然后测量检验质量从负饱和态电势到正饱和态电势之间的光电流，最终从光电流模型方程中反解出光电子迁移几率f_i→j(V₀)。

以下结合具体实施例进行详细说明：

如图2所示，在检验质量周围放置八块平行极板，八块极板和检验质量保持平行，从Z轴方向开始顺时针将八块极板分别标号为1，…，8。

在待测极板1与其余极板上施加相同直流偏置电压V_EH,1，检验质量施加直流偏置电压V_TM，使待测极板1和检验质量之间电势差V₁＝V_EH,1-V_TM大于光电子最大出射动能E_k＝1eV，此时惯性传感器处于正饱和态，用静电计测量检验质量光电流

当待测极板和检验质量充放电状态处于正饱和态时，从检验质量i表面出射的全部光电子都可以克服检验质量和极板之间电场的作用到达极板j表面，对应光电子迁移几率f^TM(V_i)全部为1。而从极板j表面出射的全部光电子都无法克服极板和检验质量之间电场的作用到达检验质量i表面，对应光电子迁移几率f^EH(V_i)全部为0。因此根据(3)式正饱和态下检验质量光电流

的表达式为：

改变待测极板1电压与检验质量电压V_TM相同，此时待测极板1上的直流偏置电压与检验质量电势差为零，其他极板上的直流偏置电压仍为V_EH,1，此时待测极板和检验质量充放电状态处于零点态，用静电计测量此时检验质量光电流

当待测极板和检验质量充放电状态处于零点态时，从检验质量i表面出射的全部光电子都可以克服检验质量和极板之间电场的作用到达极板j表面，对应光电子迁移几率f^TM(V_i)全部为1。而对于极板只有极板1表面出射的全部光电子能克服极板和检验质量之间电场的作用到达检验质量1表面，对应光电子迁移几率f^EH(V_i)在i＝1的时为1，在i≠1时为0。因此零点态下检验质量光电流

的表达式为：

根据饱和态和零点态下检验质量光电流的表达式可知，零点态光电流比饱和态光电流包含的信息中多一项流向相反方向的光电流

因此可通过联立上述公式(4)和(5)，求出得到待测极板和检验质量之间的分流概率参数

然后改变待测极板为i，依次测量所有极板和检验质量之间零点态和饱和态光电流，得到所有极板和检验质量之间分流概率a_i→j。

而对于求解第三个参数光电子迁移几率f_i→j(V)，首先设置所有极板电压相同，测量极板电压从负饱和态电势点变化到正饱和态电势点时检验质量光电流，取样间隔为ΔV，将已知参数a_i→j和b_i代入方程(5)中，反解出光电子迁移几率f_i→j(V)。

本实施例提供的惯性传感器光电流模型的构建方法，具有如下效果：(1)能够对惯性传感器中的每块极板电势对检验质量放电性能的影响进行标定。由于极板上具有复杂的调制电场，而对于这些电场对检验质量放电性能的影响并没有进一步给出，因此研究每块极板上电势对检验质量放电性能的影响能够辅助设计电荷管理系统；(2)本方法考虑了光电子出射角度呈余弦分布的影响，对模型的描述更精确。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基于金属表面光电流一般方程和惯性传感器几何结构建立光电流模型；

(2)对所述光电流模型的三个参数进行分别标定，标定方法为：

(a)根据惯性传感器内表面对紫外光的光学特性，得到惯性传感器中内表面各划分区域的光电子出射数量，所述划分区域根据各极板所在区域进行划分，各划分区域均包括一极板及与该极板表面相对应的检验质量；

(b)在待测极板和其他极板上施加相同直流偏置电压，使待测极板和检验质量之间的电势差大于光电子最大出射动能，从而使待测极板和检验质量处于饱和态，测量饱和态下的检验质量的光电流；改变待测极板的直流偏压与检验质量的直流偏压相同，使待测极板和检验质量处于零点态，测量零点态下的检验质量的光电流；最后根据这两种模式下的光电流计算得到待测极板和检验质量之间的分流概率；

(c)依次将其它极板作为待测极板，重复步骤(b)，得到各极板和检验质量之间的分流概率；

(d)调控各极板和检验质量之间的电势差以相同步长从负饱和态电势变化到正饱和态电势，并测量每个电势差点下从检验质量的光电流，最后根据惯性传感器内表面各划分区域的光电子出射数量及各极板和检验质量之间的分流概率，从光电流模型方程中反解出惯性传感器的光电子迁移几率。

2.根据权利要求1所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，所述光电流模型的方程为：

式中，i和j表示惯性传感器内表面划分区域的标号；

从惯性传感器内任意i表面出发到达与之相对的任意j表面的光电流；b_i表示单位时间内从惯性传感器内任意i表面出射的总光电子数；a_i→j表示从惯性传感器内任意i表面产生的总光电子迁移到相对的j表面的分流概率；f_i→j(V)表示从惯性传感器内任意i表面产生的光电子克服i表面与相对的j表面之间电势差迁移到j表面的概率。

3.根据权利要求2所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，步骤(a)中，所述光学特性包括惯性传感器内表面各划分区域对紫外光的吸收率和反射率、及反射紫外光部分漫反射和镜面反射的比率。

4.根据权利要求2所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，步骤(a)中，惯性传感器内表面各划分区域的光电子出射数量：

式中，i表示惯性传感器内表面划分区域的标号；b_i表示惯性传感器内表面区域i出射的光电子出射数量；P代表紫外LED灯照射惯性传感器内部的入射光功率；ρ(θ)表示惯性传感器内表面紫外光光照吸收比率；QY_int表示量子产率，定义为入射单个紫外光子能够产生的光电子数。

5.根据权利要求2所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，步骤(b)中，在紫外光照射下，光电子最大出射动能在eV量级。

6.根据权利要求2所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，检验质量的总光电流等于从极板流向检验质量的光电流减去从检验质量流向极板的光电流，计算公式为：

式中，n表示惯性传感器中极板的总数；b_i ^TM表示单位时间内从检验质量i表面出射的总光电子数，b_i ^EH表示单位时间内从极板i表面出射的总光电子数；

表示单位时间内从检验质量i表面出射的总光电子数分流到相对的极板j表面的概率，

表示单位时间内从极板i表面出射的总光电子数分流到相对的检验质量j表面的概率；f^TM(V_i)表示从检验质量i表面产生的光电子能够克服检验质量i表面与相对的极板j表面之间电势差V_i迁移到j表面的概率，f^EH(V_i)表示从极板i表面产生的光电子能够克服极板i表面与相对的检验质量j表面之间电势差V_i迁移到j表面的概率。

7.根据权利要求5所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，步骤(b)中，当惯性传感器处于正饱和态时，f^TM(V_i)全部为1，f^EH(V_i)全部为0；当惯性传感器处于零点态时，f^TM(V_i)全部为1，待测极板i的光电子迁移几率f^EH(V_i)为1，其它极板的光电子迁移几率为0。

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