CN116754789A - 一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式tof探针系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电推力器等离子体羽流诊断技术领域，涉及一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，是针对脉冲等离子体推力器产生的脉冲羽流的一种诊断技术。该TOF探针系统可以实现几种不同工作模式，能够对脉冲等离子体羽流的不同成分进行速度测量。探针回路电流信号采用间接测量技术实现，可以避免直接测量电流技术中的静电悬浮、隔离问题。
Description
技术领域
本发明属于电推力器等离子体羽流诊断技术领域，涉及一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，更具体地，是针对脉冲等离子体推力器产生的脉冲羽流的一种诊断技术。
背景技术
近年来，脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster，PPT)在微小型卫星太空任务中有着广泛的应用。对PPT放电产生的脉冲等离子体羽流的测量表征对提高PPT关键性能有重要意义。其中，脉冲等离子体羽流的速度是衡量PPT基本性能的重要指标。脉冲等离子体羽流速度的大小决定PPT比冲高低，从而成为评价PPT推进剂利用效率的决定性参数，同时脉冲等离子体羽流速度的稳定性也是PPT性能稳定性的直接体现。
脉冲等离子体羽流包含电子，离子和中性粒子等成分。中性粒子的喷出速度是热膨胀动力学过程的结果：推进剂经高温电弧烧蚀，形成高温高压气体脉冲团，经热膨胀形成脉冲羽流向外喷出。而其中的电子，离子还会受到安培力作用，喷出速度是热膨胀及安培力加速共同作用的结果，由于电子质量远远小于离子质量，电子具有更大的喷出速度。因此，脉冲等离子体羽流中电子，离子和中性粒子的速度会有所不同。
现有脉冲等离子体羽流速度测量方法多是针对重粒子测速，测量电子速度的成熟方法较少，区分脉冲等离子体羽流中不同成分的速度对探索PPT推力产生机制，改进PPT性能非常关键。
多普勒效应是测量飞行物体或微观粒子速度的常用原理。例如，专利CN106018878B，通过激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence，LIF)测量流动气体中示踪粒子荧光谱线的多普勒频移，可以得到示踪粒子的速度空间分布，进而得到流场分布。作为一种非接触、高灵敏度、高选择性测速技术，LIF的仪器构成复杂，且价格昂贵，对应用环境要求苛刻。
飞行时间法(TOF)同样是测量飞行物体或微观粒子速度的重要方法，该方法通过测量待测物体飞越已知距离的飞行时间，从而计算速度。飞行时间法可以用于等离子体速度的测量，而测量飞行时间则可以利用等离子体的发光或电学特性实现。
专利CN108008144A，通过对等离子体射流的发光形貌进行快速成像，测量两次成像间隔内等离子体射流的移动距离，计算等离子体射流流速。具体是：通过高速相机连续拍摄流场的光强波动图像，采用快速傅立叶变换处理各空间序列点光强的时间序列，将提取频率与相邻空间序列点上光强波动的相位差相比，得到两者的时间差，最终可以得到各帧图像的等离子体射流速度分布。
专利CN111060714A，基于飞行时间法，利用等离子体静电特性对脉冲等离子体羽流中离子的飞行时间进行测量，进而获得其中离子的飞行速度。具体是：同时对同心圆栅网和圆形平板施加负偏压收集初级离子电流和次级离子电流，将离子电流峰值时刻作为脉冲等离子体羽流中离子团的到达时刻，获得离子的飞行时间，进而计算脉冲等离子体推力器羽流中离子的速度。类似的，专利CN109521224A，利用等离子体的导电特性使用由金属栅网构成的双探针来收集离子电流，并通过变压器将收集到的离子电流信号进行放大，得到离子电流峰值时刻。利用三组双探针实现离子的飞行时间测量，最终计算脉冲等离子体羽流中离子的速度。
发光特性同样可以用于脉冲等离子体羽流速度测量，但由于脉冲等离子体羽流具有持续时间短，发光强度衰减快等特点，在羽流路径的不同空间位置发光强度差别很大，尤其在羽流远场区的发光很弱，信号收集信噪比低，因此速度空间分布的可测范围有限。
目前，利用等离子体静电特性以及导电特性对脉冲等离子体羽流速度进行测量的方案都存在着一定不足：
(1)存在干扰离子电流收集的因素。如：通过对栅网结构施加负电压来收集脉冲等离子体羽流中的离子，但是无法完全排除栅网结构对收集羽流中的电子，使得测量所得的离子电流与真实的离子电流有偏差，影响离子到达时刻的判断。
(2)负偏置的栅网对离子有加速作用。由于整个栅网结构都需要加负偏压来吸引离子，排斥电子，会加速脉冲等离子体羽流中的离子成分，使得测量得到的离子速度偏大。
(3)空间分辨率较低。无论是利用羽流的导电特性还是静电特性，采集装置收集的电流都很小，为了提高测量精度，不得不使用表面积足够大的栅网，导致其空间分辨率低，通常用于测量PPT脉冲等离子体羽流速度在轴向上的分布，对PPT径向的羽流速度分布测量难以实现，无法对PPT羽流速度的完全空间分布进行准确表征。
(4)无法测量脉冲等离子体羽流中中性粒子的速度。等离子体的导电是其带电成分的功能，没有中性粒子参与，因此得到的脉冲等离子体羽流速度无法反映中性粒子速度。
发明内容
针对PPT羽流的脉冲特性以及各成分速度的差异性，本发明基于飞行时间原理提出了一种实现多模式测速的飞行时间探针(TOF探针)方案，主要发明内容包括：(1)该TOF探针方案可以实现几种不同工作模式，能够对脉冲等离子体羽流的不同成分进行速度测量。(2)探针回路电流信号采用间接测量技术实现，可以避免直接测量电流技术中的静电悬浮、隔离问题。本发明基于飞行时间测量(Time of Flight，TOF)原理，提出了多种工作模式并存的技术方案，可对脉冲等离子体羽流的不同成分进行速度测量。
本发明的技术方案如下：
一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，包括TOF探针组件、探针组件三维定位装置、驱动电路和数据采集装置。
所述TOF探针组件由两组双探针组件构成。
所述探针组件三维定位装置包括探针底座、竖直调节机构和水平定位装置；探针底座为绝缘材料圆盘，圆盘上均匀分布多个圆孔，双探针组件插在圆孔上，根据不同的位置改变两组双探针组件间的飞行距离；探针底座固定在竖直调节机的顶端；水平定位装置上均匀分布多个圆孔，竖直调节机构的底端插在圆孔上；竖直调节机构用于改变TOF探针组件在脉冲等离子体羽流中的竖直位置，水平定位装置用于改变TOF探针组件在脉冲等离子体羽流中的水平平面位置，即在脉冲等离子体羽流中的径向、轴向位置。
所述驱动电路包括电压可调直流电源、缓存电容和充电限流电阻；其中，缓存电容的一极与电压可调直流电源相连，另一极接地，缓存电容与电压可调直流电源之间均串联充电限流电阻用于限制充电电流峰值与充电时间，电压可调直流电源用于缓存电容充电；缓存电容并联于所述TOF探针组件中双探针组件的两端为TOF探针提供驱动电压，不同驱动电压使TOF探针组件进入不同工作模式。
所述数据采集装置的两个通道与缓存电容正极相连用于采集记录工作状态下TOF探针组件的电信号，并将信号传输至电脑中进行计算获得脉冲等离子体羽流速度。
通过调节竖直调节机构的高度以及在水平定位装置上的安装位置、TOF探针组件在探针底座上的安装位置，使两组双探针组件分别置于脉冲等离子体羽流路径的不同位置，测量脉冲等离子体羽流速度的三维分布。当脉冲羽流穿过双探针组件，羽流等离子体使双探针组件导通，在驱动电压作用下，探针间会产生电流，通过所述数据采集装置测量记录电流脉冲，得到脉冲等离子体羽流到达双探针的时刻，计算羽流到达两组双探针的时间差，即为脉冲等离子体羽流的飞行时间。
进一步地，所述TOF探针组件中两组双探针结构尺寸完全相同。
进一步地，所述TOF探针组件中每组双探针组件包括两根探针、双孔陶瓷管、单孔氧化铝陶瓷管和屏蔽信号线，双孔陶瓷管套的下部插在单孔氧化铝陶瓷管中，两根探针的下部插在双孔陶瓷管套的两个孔中，探针的顶端位于双孔陶瓷管套外部，探针的底端位于双孔陶瓷管套外部且位于单孔氧化铝陶瓷管的内部，探针的底端与屏蔽信号线连接；氧化铝单孔陶瓷管与双孔陶瓷管实现探针的固定支撑，同时屏蔽外界信号带来的电磁干扰；通过调节探针露出双孔陶瓷管的长度调节TOF探针组件的外露长度；通过改变双控陶瓷馆双孔间距可以调节探针间隙。
进一步地，所述竖直调节机构两端附有螺纹，用于与探针底座和水平定位装置连接。
进一步地，所述TOF探针组件的探针针尖的末端镀铜，便于焊接屏蔽信号线；并使用绝缘层封装焊接区，防止焊点裸露。
基于飞行时间法计算脉冲等离子体羽流速度v的方法如下公式：
其中，ΔL为所述TOF探针组件中两组双探针间的直线距离，即飞行距离。通过记录脉冲等离子体羽流到达两组双探针组件的时刻t1和t2，可以计算飞行时间为t2-t1，根据公式(1)即可计算脉冲等离子体羽流的速度。
脉冲等离子体羽流到达时刻t1和t2的测量方法如下：
利用脉冲等离子体羽流电学特性测量到达时刻是通过直接测量探针间隙内的电流脉冲实现的，将电流脉冲的峰值时刻作为羽流的到达时刻。一般的直接测量电流方案中均要求测量端悬浮，因而与后续数字采集电路之间存在复杂的接口设计难题。本发明采用测量缓存电容放电电压波形进而计算得到放电电流的方法：由于缓存电容一个电极可以接地，数据采集装置可以直接与缓存电容相连测量记录其放电电压波形，再通过数值计算得到放电电流波形，使得电流测量部分可以与数据采集装置共地，而测量电路部分与数据采集装置的共地，便于整个探针系统的集成化、自动化、仪器化。
具体地，当羽流脉冲到达双探针时，根据探针驱动电压的不同，探针间隙会以不同的模式实现导通，使得充电的缓存电容放电，形成放电电流。通过数据采集装置记录缓存电容的放电电压波形，再利用公式(2)进行微分运算，可以得到放电电流波形，该放电电流波形峰值时刻表征脉冲等离子体羽流主体到达双探针的时刻，将此视为脉冲等离子体羽流飞行的起始和终止时刻。
缓存电容的放电公式由方程(2)得出：
其中，V为缓存电容电压，C为电容值。
缓存电容施加于TOF探针的初始电压称为TOF探针的驱动电压。不同的TOF探针驱动电压可以使TOF探针工作于不同模式，TOF探针的工作模式包括：击穿模式和导通模式，其中，击穿模式包括正击穿模式和负击穿模式。工作原理如下：
(1)正击穿模式。当TOF探针施加足够高的正驱动电压时，探针间隙发生击穿导电，此即正击穿模式。此时，探针间为正电位，会吸引脉冲等离子体羽流中的电子而排斥离子，探针间隙的击穿是靠吸引富集的电子引发雪崩电离实现的。缓存电容放电电流的峰值时刻表征脉冲等离子体羽流中电子团到达双探针的时刻，由此计算的飞行时间为脉冲等离子体羽流中电子团的飞行时间。
(2)负击穿模式。当TOF探针施加足够高的负驱动电压时，探针间隙也可以发生击穿导电，此即负击穿模式。此时，探针间为负电位，会吸引脉冲等离子体羽流中的离子而排斥电子，探针间隙的击穿是靠富集的离子作为种子电荷实现的：通过对探针表面进行轰击，发生二次电子发射，再与中性粒子碰撞发生雪崩电离，进而诱导探针间隙击穿。缓存电容放电电流的峰值时刻表征脉冲等离子体羽流中离子团到达双探针的时刻，由此计算的飞行时间为脉冲等离子体羽流中离子团的飞行时间。
本发明通过负击穿模式还可以对脉冲等离子体羽流中的中性粒子速度进行评估。正击穿模式下，探针间隙内富集的电子只需要少量中性粒子就可以实现雪崩电离。但在负击穿模式下，需要离子轰击TOF探针电极表面使其发生二次电子发射，产生少量的种子电子，再进行电子的雪崩电离，最后才能引发探针间隙的击穿。由于二次电子发射产生的电子密度低，探针间隙需要有足够密度的中性粒子才能引发雪崩电离诱导击穿。因此，负击穿模式下，需要中性气团与离子团同步到达探针间隙。缓存电容放电电流峰值所对应的时刻也表征中性气团主体的到达时刻，由此计算得到的速度体现了脉冲等离子体羽流中中性粒子的速度。
(3)导通模式。当TOF探针驱动电压较小时，无论正负，此时，TOF探针工作于导通模式。此时，探针间隙不发生电离，只通过脉冲等离子体羽流中的带电粒子使得探针间隙导通，所以探针间隙的导电能力较弱，缓存电容放电缓慢，持续时间更长。由于脉冲等离子体羽流中电子与离子的双极扩散效应，两者一般会以相近的速度到达探针间隙，此便是对两种带电粒子平均速度的测量，与脉冲等离子体羽流中中性粒子无关。导通模式下，TOF探针驱动电压较小，对脉冲等离子体羽流的飞行速度几乎没有影响，所得速度更反映羽流中带电成分的速度。
通过上述分析，利用不同工作模式可以对脉冲等离子体羽流中不同成分的飞行时间及速度进行区分。其中，正击穿模式可以测量脉冲羽流中电子团的速度；负击穿模式可以测量脉冲羽流中离子团的速度；导通模式可以测量脉冲羽流中带电粒子的平均速度；通过负击穿模式还可以对脉冲等离子体羽流中的中性粒子速度进行评估。
本发明的有益效果：
1.本发明改进了电流测量方法，为间接测量电流方案。除了解决了直接测量电流方案需要测量端悬浮，与采集电路之间存在复杂的接口设计的问题。还可以避免使用常用直接测量电流方案需要用到的电流传感器，避免电流传感器对测量结果带来的误差；
2.其次，本发明的TOF探针击穿模式下灵敏度高，信噪比高，在探针体积较小时，即可以实现较高的空间分辨率。
3.本发明使用数字采集模块代替示波器进行数据采集，相比于示波器，更便于系统集成和小型化。同时，该模块可以将数据采集，数据处理形成集成化软件，便于自动化，有利于TOF探针的商业化开发。
附图说明
图1为TOF探针组件和探针组件三维定位装置连接示意图；
图2(a)和图2(b)分别为本发明TOF探针组件中一组双探针组件的内部示意图和整体示意图；
图3为TOF探针组件及其驱动电路结构与测量方法示意图；
图4为本发明具体实施例的测量示意图；
图5(a)为实施例中正击穿模式下得到的缓存电容放电电压波形，图5(b)为实施例中正击穿模式下得到的缓存电容放电电流波形；
图6(a)为实施例中负击穿模式下得到的缓存电容放电电压波形，图6(b)为实施例中负击穿模式下得到的缓存电容放电电流波形；
图7(a)为实施例中导通模式下得到的缓存电容放电电压波形，图7(b)为实施例中导通模式下得到的缓存电容放电电流波形；
其中，1-双探针组件、1a-两根探针、1b-双孔陶瓷管、1c-绝缘层、1d-单孔氧化铝陶瓷管、1f-屏蔽信号线、2-探针底座、3-竖直调节机构、4-水平定位装置、5-驱动电路、6-数据采集模块、7-计算机集成软件系统、8-真空舱、9-外置直流电源、10-脉冲等离子体推力器、11-脉冲等离子体羽流。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：
如图4，为本发明具体实施例的测量示意图。
本实施例的测量对象是由平行板结构脉冲等离子体推力器10放电产生的脉冲等离子体羽流11，外置直流电源9输出范围为0-2000V，羽流的持续时间为微秒量级，最大放电电流可达上万安培，PPT最大注入能量为6J，最远可在羽流路径250mm处测到可信信号。脉冲等离子体羽流11的主要成分是具有不同速度的电子、离子以及中性粒子。
本实施例的装置系统包括TOF探针组件、探针组件三维定位装置、驱动电路5和数据采集装置6，计算机集成软件系统7。其中，探针组件三维定位装置包括探针底座2、竖直调节机构3和水平定位装置4。
如图1，为TOF探针组件中一组双探针组件1、探针底座2、竖直调节机构3和水平定位装置4连接关系示意图。
双探针组件1的双探针组件结构如图2(a)和图2(b)所示，其中，探针1a为两根圆柱形钨针，针直径为0.3mm，通过焊接与屏蔽信号线1f相连。并使用绝缘层1c封装焊点，防止焊点裸露。探针尺寸选择需避免探针收集电流过大引发电弧放电损坏探针，也要避免探针收集电流过小，影响信号信噪比。本实施例通过调节探针1a露出双孔陶瓷管1b的长度及双孔间距设置探针外露长度为5mm，探针间隙为1mm，实现较高的空间分辨率。针对本实施例提及的脉冲等离子体羽流11，击穿模式下，探针电流峰值约为30A。根据探针尺寸，计算表面积约为5mm2，探针电流密度峰值约为6A/mm2。双孔陶瓷管1b通过环氧树脂胶与内径为2mm、外径为3mm、长为20mm的单孔氧化铝陶瓷管1d连接以固定支撑。
双探针组件1通过单孔氧化铝陶瓷管1d固定在探针底座2上并通过竖直调节机构3连接在水平定位装置4上。同时双探针组件1通过屏蔽信号线1f连接到真空舱8外部驱动电路5。探针底座2附有多个圆孔，可进行双探针组件1中两组双探针相对位置的调节，进而改变脉冲等离子体羽流11的飞行距离ΔL。竖直调节机构3直径为6mm，长40mm，并在底部20mm设有螺纹用于调节双探针组件1的纵向高度，即改变双探针组件1在脉冲等离子体羽流11中竖直位置；水平定位装置4用于改变双探针组件1水平位置，即在脉冲等离子体羽流11的径向，轴向位置；通过调节竖直调节机构3及水平定位装置4可以使探针遍历一定范围的脉冲等离子体羽流空间。
水平定位装置4厚度为15mm，直径为340mm，内附多个直径为6mm的螺纹孔，螺纹孔间距为20mm，用于固定双探针组件1实现空间分辨，最远可以测量脉冲等离子体羽流11出极板后250mm处的羽流速度。
本实施例选择一个测量点验证TOF探针的基本功能，通过调节TOF探针组件1位置，设置羽流的飞行距离ΔL为30mm，测量脉冲等离子体推力器10下游100mm处脉冲等离子体羽流11的速度。
如图3，为TOF探针组件及其驱动电路结构与测量方法示意图，驱动电路5包括：电压可调直流电源，缓存电容，充电限流电阻。将两组双探针组件1中的四根静电探针分别标记为P1，P2，P3，P4。探针P1和探针P4分别与电压可调直流电源正极相连，探针P2和探针P3分别接地，TOF探针组件两组双探针两端分别并联缓存电容，用于驱动TOF探针组件间的电流脉冲，标记为C1，C2。本实施例选择缓存电容值为57nF，经试验，击穿模式下，当脉冲等离子体羽流11主体经过两组双探针，缓存电容可以迅速放电，放电脉冲半高宽小于1微秒，远远小于脉冲等离子体羽流11的持续时间，可以实现较高的时间分辨及高灵敏度。缓存电容与电压可调直流电源正极之间均串联充电限流电阻用于限制缓存电容的充电电流与充电时间；标记为R1，R2，其阻值均为1MΩ。
本实施例选取Digilent Inc公司的Analog Discovery 2模块作为数据采集装置6，用于记录缓存电容放电电压波形。测量方法如图3所示，Analog Discovery 2为USB多功能模块，使用其示波器功能将缓存电容C1，C2正极连接至Analog Discovery 2的两个通道。Analog Discovery 2通过USB连接至电脑，并利用模块的驱动软件显示存储缓存电容的放电电压波形。
将数据采集装置6采集到的缓存电容放电电压数据导入origin软件。根据(2)式进行运算，结合缓存电容值57nF，即可得到缓存电容放电电流波形。缓存电容放电电流的峰值时刻来表征脉冲等离子体羽流11到达双探针的时刻，以PPT样机10储能电容击穿时刻作为时间零点，分别标记为t1,t2。
针对实施例中的探针尺寸，当设置探针驱动电压大于200V时，探TOF探针可以工作于正击穿模式。本实施例中，设置探针驱动电压为370V。如图5(a)所示为正击穿模式下，数据采集装置6采集到的缓存电容放电电压波形。缓存电容放电电流波形如图5(b)所示，缓存电容放电电流脉冲半高宽约为0.4μs，远远小于脉冲等离子体羽流的持续时间，同时电流脉冲的峰值约为30A远大于噪音信号幅值。击穿模式下，TOF探针具有较高的时间灵敏度，在探针体积较小时，测量信号即具有较高信噪比。
由图5(b)可得t1＝2.54μs，t2＝3.35μs，计算可得脉冲等离子体羽流11电子团的飞行时间为：
t2-t1＝0.81μs
两组双探针间的直线距离ΔL为30mm，根据公式(1)最终得到脉冲等离子体羽流中电子团的速度
当设置探针驱动电压大于-300V时，探针间隙也可以发生击穿导电，此即TOF探针的负击穿模式。本实施例中，设置探针驱动电压为-370V。如图6(a)所示为负击穿模式下，数据采集装置6采集到的缓存电容放电电压波形。缓存电容放电电流波形如图6(b)所示。
由图6(b)可得t1＝2.90μs，t2＝3.89μs，计算可得脉冲等离子体羽流11离子的飞行时间为：
t2-t1＝0.99μs
根据公式(1)最终得到脉冲等离子体羽流中离子团的速度：
同时，在负击穿模式下，需要中性气团与离子团同步到达才能诱导探针间隙的击穿。缓存电容放电电流峰值所对应的时刻也表征中性气团主体的到达时刻，因此计算得到的速度体现了脉冲等离子体羽流中中性粒子的速度。
当设置探针驱动电压绝对值低于120V时，无论正负，TOF探针都会工作于导通模式。本实施例中，设置探针驱动电压约为100V。如图7(a)所示为导通模式下，数据采集装置6采集到的缓存电容放电电压波形。以脉冲等离子体流推力器10储能电容击穿时刻作为时间零点。
由图7(b)可得t1＝2.50μs，t2＝3.73μs，计算可得脉冲等离子体羽流11带电粒子整体的飞行时间为：
t2-t1＝1.23μs，
两组双探针间的直线距离ΔL为30mm，根据公式(2)最终得到脉冲等离子体羽流中电子和离子的平均速度：
Claims (8)
1.一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，其特征在于，所述的用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统包括TOF探针组件、探针组件三维定位装置、驱动电路和数据采集装置；
所述TOF探针组件由两组双探针组件构成；
所述探针组件三维定位装置包括探针底座、竖直调节机构和水平定位装置；探针底座为绝缘材料圆盘，圆盘上均匀分布多个圆孔，双探针组件插在圆孔上，根据不同的位置改变两组双探针组件间的飞行距离；探针底座固定在竖直调节机的顶端；水平定位装置上均匀分布多个圆孔，竖直调节机构的底端插在圆孔上；竖直调节机构用于改变TOF探针组件在脉冲等离子体羽流中的竖直位置，水平定位装置用于改变TOF探针组件在脉冲等离子体羽流中的水平平面位置，即在脉冲等离子体羽流中的径向、轴向位置；
所述驱动电路包括电压可调直流电源、缓存电容和充电限流电阻；其中，缓存电容的一极与电压可调直流电源相连，另一极接地，缓存电容与电压可调直流电源之间均串联充电限流电阻用于限制充电电流峰值与充电时间，电压可调直流电源用于缓存电容充电；缓存电容并联于所述TOF探针组件中双探针组件的两端为TOF探针提供驱动电压，不同驱动电压使TOF探针组件进入不同工作模式；
所述数据采集装置的两个通道与缓存电容正极相连用于采集记录工作状态下TOF探针组件的电信号，并将信号传输至电脑中进行计算获得脉冲等离子体羽流速度；
通过调节竖直调节机构的高度以及在水平定位装置上的安装位置、TOF探针组件在探针底座上的安装位置，使两组双探针组件分别置于脉冲等离子体羽流路径的不同位置，测量脉冲等离子体羽流速度的三维分布；当脉冲羽流穿过双探针组件，羽流等离子体使双探针组件导通，在驱动电压作用下，探针间会产生电流，通过所述数据采集装置测量记录电流脉冲，得到脉冲等离子体羽流到达双探针的时刻，计算羽流到达两组双探针的时间差，即为脉冲等离子体羽流的飞行时间；
其中，基于飞行时间法计算脉冲等离子体羽流速度v的方法如下公式：
其中，ΔL为所述TOF探针组件中两组双探针间的直线距离，即飞行距离；通过记录脉冲等离子体羽流到达两组双探针组件的时刻t1和t2，计算飞行时间为t2-t1，根据公式(1)计算脉冲等离子体羽流的速度；
脉冲等离子体羽流到达时刻t1和t2的测量方法如下：
利用脉冲等离子体羽流电学特性测量到达时刻是通过直接测量探针间隙内的电流脉冲实现的，将电流脉冲的峰值时刻作为羽流的到达时刻；采用测量缓存电容放电电压波形进而计算得到放电电流的方法，即数据采集装置直接与缓存电容相连测量记录其放电电压波形，再通过数值计算得到放电电流波形；具体如下：
当羽流脉冲到达双探针时，根据探针驱动电压的不同，探针间隙会以不同的模式实现导通，使得充电的缓存电容放电，形成放电电流；通过数据采集装置记录缓存电容的放电电压波形，再利用公式(2)进行微分运算，得到放电电流波形，该放电电流波形峰值时刻表征脉冲等离子体羽流主体到达双探针的时刻，将此视为脉冲等离子体羽流飞行的起始和终止时刻；
缓存电容的放电公式由方程(2)得出：
其中，V为缓存电容电压，C为电容值。
2.根据权利要求1所述的一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，其特征在于，所述TOF探针组件中两组双探针结构尺寸完全相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，其特征在于，所述TOF探针组件中每组双探针组件包括两根探针、双孔陶瓷管、单孔氧化铝陶瓷管和屏蔽信号线，双孔陶瓷管套的下部插在单孔氧化铝陶瓷管中，两根探针的下部插在双孔陶瓷管套的两个孔中，探针的顶端位于双孔陶瓷管套外部，探针的底端位于双孔陶瓷管套外部且位于单孔氧化铝陶瓷管的内部，探针的底端与屏蔽信号线连接；氧化铝单孔陶瓷管与双孔陶瓷管实现探针的固定支撑，同时屏蔽外界信号带来的电磁干扰；通过调节探针露出双孔陶瓷管的长度调节TOF探针组件的外露长度；通过改变双控陶瓷馆双孔间距可以调节探针间隙。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，其特征在于，所述竖直调节机构两端附有螺纹，用于与探针底座和水平定位装置连接。
5.根据权利要求3所述的一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，其特征在于，所述竖直调节机构两端附有螺纹，用于与探针底座和水平定位装置连接。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，其特征在于，所述TOF探针组件的探针针尖的末端镀铜，便于焊接屏蔽信号线；并使用绝缘层封装焊接区，防止焊点裸露。
7.根据权利要求3所述的一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，其特征在于，所述TOF探针组件的探针针尖的末端镀铜，便于焊接屏蔽信号线；并使用绝缘层封装焊接区，防止焊点裸露。
8.根据权利要求4所述的一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式TOF探针系统，其特征在于，所述TOF探针组件的探针针尖的末端镀铜，便于焊接屏蔽信号线；并使用绝缘层封装焊接区，防止焊点裸露。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310686912.8A CN116754789A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式tof探针系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310686912.8A CN116754789A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式tof探针系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116754789A true CN116754789A (zh) | 2023-09-15 |
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ID=87954642
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310686912.8A Pending CN116754789A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 一种用于电推力器脉冲羽流速度测量的多模式tof探针系统 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN116754789A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117590140A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-02-23 | 国科大杭州高等研究院 | 适用于电推力器响应时间测量的测量方法及可读存储介质 |
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2023
- 2023-06-12 CN CN202310686912.8A patent/CN116754789A/zh active Pending
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