专利名称：低轨道航天器空间电位探测器校准平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及低轨道航天器空间电位探测技术，特别是一种低轨道航天器空间电位探测器校准平台。
背景技术：
从保证航天器和人员安全的角度，研究可靠的空间电位监测系统和其探测方法是十分必要的，飞船和空间站上都需要装配能探测到这个公共地的监测设备即空间等离子体电位探测器，有效地监测航天器的绝对电位，既能研究航天器的充放电情况，又能为航天器对接前主动电位控制提供依据。绝对电位探测技术的研究始于上世纪六七十年代。目前国际上普遍采用基于Langmuir (朗缪尔)探针技术的航天器空间电位探测器，并应用在国际空间站(ISS)上，监测结果反馈良好。统计表明，在美国宇航局(NASA)的航天器计划中，装有Langmuir探针(空间电位探测器的核心部件)的航天器占12.9%。国际空间站(ISS) 已经在2000年12月开始装备了 FPP(Floating Potential Probe)，只工作了几个月就失效了，它在2001年曾探测到国际空间站的最大充电电压为-23V。国际空间站2005年8月开始装备了浮地电位探测单元(FPMU)，包括宽带Langmuir探针(WLP)、窄带Langmuir探针(NLP)各一个，以及浮地电位探针(FPP)和等离子体阻抗探针(PIP)。它们可测量等离子体空间电位、密度和电子温度，四个电极提供交叉数据，互为参考，互相验证，最终通过联动计算给出可靠的等离子体空间电位数值。其中宽带Langmuir探针(WLP)的测量范围为-80V +20V，不确定度为士2V。国内一些研究机构在电推进研究、等离子体研究等中使用自研的Langmuir探针，该装置的测量准确性依据Langmuir探针收集电流的简化计算模型，推导计算等离子体特征参数，需要的边界条件和假设条件比较多，测量的不确定性和误差比较大，亟需通过比对、校准来提高测量结果的可信性。本发明人认为，随着我国航天事业的蓬勃发展，越来越多的航天器上需要装备空间电位探测器，将来会产生空间电位探测器标定、校准的大量需求。开展空间电位探测器校准技术的预先研究，能够解决空间电位测量的溯源问题，为空间电位探测器提供准确可靠的数据，保证量值传递的准确，保证探测器在型号上的成功应用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种低轨道航天器空间电位探测器校准平台，从而为空间电位探测器提供准确可靠的数据，保证量值传递的准确，保证探测器在型号上的成功应用。本发明的技术方案如下低轨道航天器空间电位探测器校准平台，其特征在于，包括低地球轨道空间等离子体环境模拟舱，所述模拟舱的真空室内设置有三维移动试验平台，所述三维移动试验平台上设置有标准探针组件和待测探针组件，所述标准探针组件连接标准探针测量电路，所述待测探针组件连接待测探针测量电路，所述模拟舱的真空室壳体分别连接等离子体源和真空获取系统，所述待测探针测量电路包括相互连接的计算机数据处理装置和数据采集装置，所述数据采集装置分别连接探针电压检测电路、探针电流检测电路和探针扫描电源电路，所述探针电压检测电路、探针电流检测电路和探针扫描电源电路均连接所述待测探针组件中的探针。所述探针扫描电源电路采用幅度和频率可调的锯齿波电源，所述锯齿波电源给所述探针加上一个周期变化的电压，利用数据采集装置采集探针上的电压和电流值，送到计算机数据处理装置，得到所述探针的悬浮电位和等离子体的空间电位、电子温度和密度的参数。所述计算机数据处理装置选用工控机，所述数据采集装置选用PCI多功能数据采集卡，所述等离子体源选用微波电子回旋共振ECR等离子体源，所述三维移动试验平台采用步进电机驱动丝杠结构，利用计算机控制所述步进电机把探针送到预定探测位置。所述探针电压检测电路、探针电流检测电路和探针扫描电源电路均通过光电隔离电路连接所述PCI多功能数据采集卡，所述光电隔离电路从所述PCI多功能数据采集卡接收控制信号和地址信号，并向所述PCI多功能数据采集卡传输数据信号。所述待测探针组件中的探针选自以下一种或超过一种的组合球形探针，柱形探针，宽带朗缪尔探针，窄带朗缪尔探针，浮地电位探针，等离子体阻抗探针。所述待测探针组件包括固定于所述三维移动试验平台上的探针基座，所述探针基座连接探针撑杆，所述探针撑杆的杆部结合有柱形探针或者所述探针撑杆的顶端连接有柱形探针或球形探针。所述模拟舱的真空室壳体上连接有两个等离子体源，所述等离子体源选用微波电子回旋共振ECR等离子体源，所述两个等离子体源呈同轴相对或异轴斜对交叉。所述标准探针组件和待测探针组件在所述三维移动试验平台上呈并列设置。本发明的技术效果如下本发明低轨道航天器空间电位探测器校准平台基本工作过程是真空获取系统使真空室达到预先设定的真空度，利用微波ECR等离子体源，产生稳定、均勻的等离子体环境，例如，等离子体密度范围为IO6 108/Cm3，等离子体温度为1 10eV，利用计算机控制步进电机把探针送到预定探测位置。用幅度和频率可调的锯齿波电源给球形探针加上一个周期变化的电压，利用数据采集模块采集探针上的电压和电流值，送到计算机进行数据处理， 得到探针的悬浮电位和等离子体的空间电位、电子温度和密度的参数。标准探针组件的探针和被测探针组件的探针同时测量并比对，从而对被测探针组件的探针实现校准。标准探针组件的探针选用高精度探针，例如，从国外引进标准探针组件及其标准探针测量电路。
图1是实施本发明低轨道航天器空间电位探测器校准平台的结构原理示意图。图2是待测探针测量电路结构示意图。附图标记列示如下10-低地球轨道空间等离子体环境模拟舱；11-真空室； 12-扩散等离子体；13-等离子体源；14-三维移动试验平台；15-待测探针组件；16-锯齿波电源；17-探针电压；18-数据采集装置；19-计算机数据处理装置；20-探针电流；21-探针撑杆；101-探针；102-探针扫描电源电路；103-探针电流检测电路；104-探针电压检测电路；105-光电隔离电路；106-控制信号；107-地址信号；108-数据信号；109-PCI多功能数据采集卡；110-工控机。
具体实施例方式下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。图1是实施本发明低轨道航天器空间电位探测器校准平台的结构原理示意图。图 2是待测探针测量电路结构示意图。如图1和图2所示，低轨道航天器空间电位探测器校准平台，包括低地球轨道空间等离子体环境模拟舱10，所述模拟舱10的真空室11内设置有三维移动试验平台14，所述三维移动试验平台14上设置有标准探针组件和待测探针组件15， 所述标准探针组件连接标准探针测量电路，所述待测探针组件15连接待测探针测量电路， 所述模拟舱10的真空室壳体分别连接等离子体源13和真空获取系统，所述待测探针测量电路包括相互连接的计算机数据处理装置19和数据采集装置18，所述数据采集装置18分别连接探针电压检测电路104、探针电流检测电路103和探针扫描电源电路102，所述探针电压检测电路104、探针电流检测电路103和探针扫描电源电路102均连接所述待测探针组件15中的探针。所述探针扫描电源电路102采用幅度和频率可调的锯齿波电源16，所述锯齿波电源16给所述探针加上一个周期变化的电压，利用数据采集装置18采集探针上的电压和电流值，送到计算机数据处理装置19，得到所述探针的悬浮电位和等离子体的空间电位、电子温度和密度的参数。所述计算机数据处理装置19选用工控机110，所述数据采集装置选用PCI多功能数据采集卡109，所述等离子体源13选用微波电子回旋共振ECR等离子体源，所述三维移动试验平台14采用步进电机驱动丝杠结构，利用计算机控制所述步进电机把探针送到预定探测位置。所述探针电压检测电路104、探针电流检测电路103和探针扫描电源电路102均通过光电隔离电路105连接所述PCI多功能数据采集卡109，所述光电隔离电路105从所述PCI多功能数据采集卡109接收控制信号106和地址信号107，并向所述 PCI多功能数据采集卡109传输数据信号108。所述待测探针组件15中的探针选自以下一种或超过一种的组合球形探针，柱形探针，宽带朗缪尔探针，窄带朗缪尔探针，浮地电位探针，等离子体阻抗探针。所述待测探针组件15包括固定于所述三维移动试验平台14上的探针基座，所述探针基座连接探针撑杆21，所述探针撑杆21的杆部结合有柱形探针或者所述探针撑杆的顶端连接有柱形探针或球形探针。所述模拟舱10的真空室壳体上连接有两个等离子体源，所述等离子体源选用微波电子回旋共振ECR等离子体源，所述两个等离子体源呈同轴相对或异轴斜对交叉。所述标准探针组件和待测探针组件15在所述三维移动试验平台14上呈并列设置。低地球轨道(LEO)空间等离子体的温度一般在IeV左右，密度为IO9 1013/m3，而且在空间尺度上很均勻。为了模拟空间等离子体环境，首选必须选择合适的等离子体源。等离子体源按照放电类型来分类可以分为热阴极、冷阴极、高频和微波源。这里采用微波ECR 等离子体源。微波ECR等离子体源其原理是将频率为2. 45GHz的微波经石英玻璃窗注入到等离子体谐振腔(等离子体放电腔)内，放电腔内气体中的自由电子在微波电磁场的加速下撞击气体分子，使其电离产生新的电子，这些电子也加入到与气体分子的碰撞电离中，如此循环往复最终发生雪崩放电。当放电腔的电离与复合达到动态平衡后将会在放电腔内产生密度稳定的等离子体，特别是采用微波电子回旋共振技术ECR后，产生的等离子体固有频率与输入的微波频率相等，这时等离子体对微波能的吸收会出现一个峰值等离子体密度及稳定性都会大大提高。等离子体沿着磁力线扩散漂移至真空室中，按照双极扩散的规律充满真空室，形成所需要的等离子体环境。 在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
权利要求
1.低轨道航天器空间电位探测器校准平台，其特征在于，包括低地球轨道空间等离子体环境模拟舱，所述模拟舱的真空室内设置有三维移动试验平台，所述三维移动试验平台上设置有标准探针组件和待测探针组件，所述标准探针组件连接标准探针测量电路，所述待测探针组件连接待测探针测量电路，所述模拟舱的真空室壳体分别连接等离子体源和真空获取系统，所述待测探针测量电路包括相互连接的计算机数据处理装置和数据采集装置，所述数据采集装置分别连接探针电压检测电路、探针电流检测电路和探针扫描电源电路，所述探针电压检测电路、探针电流检测电路和探针扫描电源电路均连接所述待测探针组件中的探针。
2.根据权利要求1所述的低轨道航天器空间电位探测器校准平台，其特征在于，所述探针扫描电源电路采用幅度和频率可调的锯齿波电源，所述锯齿波电源给所述探针加上一个周期变化的电压，利用数据采集装置采集探针上的电压和电流值，送到计算机数据处理装置，得到所述探针的悬浮电位和等离子体的空间电位、电子温度和密度的参数。
3.根据权利要求1所述的低轨道航天器空间电位探测器校准平台，其特征在于，所述计算机数据处理装置选用工控机，所述数据采集装置选用PCI多功能数据采集卡，所述等离子体源选用微波电子回旋共振ECR等离子体源，所述三维移动试验平台采用步进电机驱动丝杠结构，利用计算机控制所述步进电机把探针送到预定探测位置。
4.根据权利要求3所述的低轨道航天器空间电位探测器校准平台，其特征在于，所述探针电压检测电路、探针电流检测电路和探针扫描电源电路均通过光电隔离电路连接所述 PCI多功能数据采集卡，所述光电隔离电路从所述PCI多功能数据采集卡接收控制信号和地址信号，并向所述PCI多功能数据采集卡传输数据信号。
5.根据权利要求1所述的低轨道航天器空间电位探测器校准平台，其特征在于，所述待测探针组件中的探针选自以下一种或超过一种的组合球形探针，柱形探针，宽带朗缪尔探针，窄带朗缪尔探针，浮地电位探针，等离子体阻抗探针。
6.根据权利要求1所述的低轨道航天器空间电位探测器校准平台，其特征在于，所述待测探针组件包括固定于所述三维移动试验平台上的探针基座，所述探针基座连接探针撑杆，所述探针撑杆的杆部结合有柱形探针或者所述探针撑杆的顶端连接有柱形探针或球形探针。
7.根据权利要求1所述的低轨道航天器空间电位探测器校准平台，其特征在于，所述模拟舱的真空室壳体上连接有两个等离子体源，所述等离子体源选用微波电子回旋共振 ECR等离子体源，所述两个等离子体源呈同轴相对或异轴斜对交叉。
8.根据权利要求1所述的低轨道航天器空间电位探测器校准平台，其特征在于，所述标准探针组件和待测探针组件在所述三维移动试验平台上呈并列设置。
全文摘要
低轨道航天器空间电位探测器校准平台，从而为空间电位探测器提供准确可靠的数据，保证量值传递的准确，保证探测器在型号上的成功应用，包括低地球轨道空间等离子体环境模拟舱，模拟舱的真空室内设置有三维移动试验平台，三维移动试验平台上设置有标准探针组件和待测探针组件，标准探针组件连接标准探针测量电路，所述待测探针组件连接待测探针测量电路，所述模拟舱的真空室壳体分别连接等离子体源和真空获取系统，所述待测探针测量电路包括相互连接的计算机数据处理装置和数据采集装置，所述数据采集装置分别连接探针电压检测电路、探针电流检测电路和探针扫描电源电路，探针电压检测电路、探针电流检测电路和探针扫描电源电路均连接探针。
文档编号G01R35/00GK102540127SQ20121000173
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月5日 优先权日2012年1月5日
发明者宋瑞海, 张书锋, 贾军伟 申请人:北京东方计量测试研究所