薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头及其测试的方法
【专利摘要】本发明公开了一种薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头及其测试的方法，该探头包括支架，支架上设有至少一个试验样品，试验样品一端的上方设有第一盖板，另一端的上方设有第二盖板，下方设有第三盖板，第二盖板上设有发光二极管，发光二极管上设有第四盖板，第三盖板上设有通孔，通孔下方对应设有光电传感器，光电传感器设置在支架的端部，支架一端连接第一盖板，另一端连接第二盖板和第四盖板。该方法包括：进行标定及在线测试，在线测试包括：记录试验样品对应的光电传感器产生的电流，对比电流数据与试验样品在地面开展的标定数据，得到试验样品在轨随温度的线性长度变化情况。本发明可以对星用聚合物薄膜随温度变化产生的形变进行在线测试。
【专利说明】薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头及其测试的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天器材料空间环境效应测试领域，具体涉及一种薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头及其测试的方法。
【背景技术】
[0002]星用材料在轨暴露试验对验证卫星外部材料性能，验证地面模拟试验数据和校准地面模拟试验方法等方面具有不可替代的作用，对航天技术的发展具有重要意义。国内外已经开展了大量材料在轨暴露试验，这些试验大致可分为两类，一类是被动暴露试验，即在空间对材料样品进行暴露，回收后在地面进行性能表征测试等，以获取材料性能变化的数据；一类是主动暴露试验，即在空间对材料样品进行暴露的同时，通过在线测试技术对样品的性能进行原位测试，以获取材料性能随暴露时间变化的趋势。
[0003]星用材料在轨暴露过程中，有些物理量或性能的变化并非永久变化，无法回收后再进行测试，例如星用聚合物薄膜材料随温度变化产生的弹性形变。在地面针对材料物理量和性能进行直接表征测试一般都需要使用专门设备，无法满足在轨测试中简易、可靠、重量轻、低能耗等方面的要求。因此，星用材料在轨暴露试验中的在线测试一般都采用间接测量的方式。
【发明内容】
[0004]在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0005]本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单、可靠、易实现，且能够对在轨暴露的星用聚合物薄膜随温度变化产生的形变进行在线测试的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头。
[0006]本发明还提供利用上述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头进行测试的方法。
[0007]为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是:
[0008]一种薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，包括支架，所述支架上设有薄膜材料在轨暴露试验的至少一个试验样品，所述试验样品一端的上方设有第一盖板，另一端的上方设有第二盖板，下方设有第三盖板，所述第二盖板上设有发光二极管，所述发光二极管上设有第四盖板，所述第三盖板上设有通孔，所述通孔下方对应设有光电传感器，所述光电传感器设置在支架的端部，所述第一盖板与所述支架的一端固定连接，所述支架的另一端固定连接所述第二盖板和所述第四盖板。
[0009]本发明还提供一种使用上述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头进行测试的方法，包括以下步骤:[0010]进行标定:测试探头在正式上星前进行高低温循环试验，记录其在不同温度条件下的电流数据及线性长度变化数据；
[0011]在轨测试:测试探头搭载于航天器外部，记录在轨运行期间每个试验样品对应的光电传感器产生的电流，将在轨运行期间的电流数据与对应的试验样品前期在地面开展的电流数据进行对比，找出在轨运行期间检测的电流数据对应的地面标定的线性长度变化，得到薄膜材料的试验样品在轨随温度的线性长度变化情况。
[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0013]①结构简单，可靠，且易实现；
[0014]②可以对在轨暴露的星用聚合物薄膜随温度变化产生的形变进行在线测试；
[0015]③可随样品数量延长或缩短探头宽度，实现多个样品的同时试验。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为本发明实施例提供的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头的分解示意图。
[0018]附图标记:
[0019]1-支架，11-第一凹槽，14-限位槽；
[0020]2-试验样品，21-第一试验样品，22-第二试验样品；
[0021]3-第一盖板；
[0022]4-第二盖板；
[0023]5~ 第二盖板；
[0024]6-发光二极管，61-第一发光二极管，62-第二发光二极管；
[0025]7-第四盖板；
[0026]8-通孔，81-第一通孔，82-第二通孔；
[0027]9-光电传感器,91-第一光电传感器，92-第二光电传感器；
[0028]10-第五盖板；
[0029]12-第二凹槽；
[0030]13-第三凹槽。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]参见图1，一种薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，包括支架1，支架I上设有薄膜材料在轨暴露试验的至少一个试验样品2，试验样品2 —端的上方设有第一盖板3，另一端的上方设有第二盖板4，下方设有第三盖板5，第二盖板4上设有发光二极管6，发光二极管6上设有第四盖板7，第三盖板5上设有通孔8，通孔8下方对应设有光电传感器9，光电传感器9设置在支架I的端部，第一盖板3与支架I的一端固定连接，支架I的另一端固定连接第二盖板4和第四盖板7。
[0033]采用本发明的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头可以对在轨暴露的星用聚合物薄膜随温度变化产生的形变进行在线测试，具有结构简单、可靠与易实现的优点。
[0034]进一步,还包括第五盖板10,第五盖板10设置在试验样品2上方,并位于第一盖板3和第二盖板4之间。
[0035]采用第五盖板将试验样品进行进一步固定。
[0036]优选的，第五盖板10为长条形盖板,试验样品2的两侧上方分别设有一个第五盖板10。
[0037]当试验样品为两个时，可以在两个试验样品的领近边上方设置一长条形盖板，同时固定两个试验样品。
[0038]本实施例中，第五盖板10 —端位于第一盖板3下方,第一盖板3上设有容纳第五盖板10端部的第三凹槽13。
[0039]将第五盖板一端设置在第一盖板的凹槽上，起到相互配合，固定牢靠的作用。
[0040]本实施例中，支架I的端部设有第一凹槽11，光电传感器9设置在第一凹槽11内。
[0041]采用第一凹槽来固定光电传感器，结构简单，设计合理。
[0042]本实施例中，支架I的一端及第一盖板3上设有与试验样品2端部相配合的限位槽14。
[0043]设置限位槽，用于对试验样品进行限位，防止移动。
[0044]本实施例中，支架I上设有至少一个第二凹槽12，第二凹槽12内设有试验样品2。
[0045]第二凹槽将试验样品的中部进行固定，防止移动。
[0046]本实施例中，所述试验样品为聚合物薄膜,具体的,所述试验样品为ITO/Kapton/Al复合薄膜或渗碳聚酰亚胺薄膜。
[0047]本发明的聚合物薄膜一般指卫星表面所采用的热控材料。如ITO/Kapton/Al复合薄膜或渗碳聚酰亚胺薄膜等。此类材料使用在卫星表面具有很高的反射率，可以用来控制卫星内部温度变化范围。但此类材料本身由于暴露在空间环境中，会经受比较严苛的空间环境考验，包括高低温循环、带电粒子辐照、紫外线辐照等。经过长时间的空间暴露，聚合物材料的机械性能会发生变化，此时有可能导致其在温度循环过程中发生开裂、破损等现象。
[0048]参见图1，本发明的优选实施例，至少一个试验样品2包括第一试验样品21和第二试验样品22 ;支架I 一端设有两个第一凹槽11，一个第一凹槽11内设有第一光电传感器91,另一个第一凹槽11内设有第二光电传感器92,支架I上设有第一试验样品21和第二试验样品22,第一试验样品21和第二试验样品22的一端均位于第一盖板3和支架I之间,第三盖板5上设有第一通孔81和第二通孔82，第一通孔81上方对应设有第一试验样品21，第一通孔81下方设有第一光电传感器91,第二通孔82上方对应设有第二试验样品22,第二通孔82下方设有第二光电传感器92，第二盖板4上设有第一发光二极管61和第二发光二极管62，第一发光二极管61下方对应设有第一试验样品21，第二发光二极管62下方对应设有第二试验样品22。
[0049]采用上述测试探头，可以同时检测两个试验样品，结构简单，可靠，还可随样品数量延长或缩短探头的支架宽度，放置多个样品，从而实现多个样品的同时试验。
[0050]本发明还提供一种利用上述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头进行测试的方法，包括以下步骤:
[0051]进行标定:测试探头在正式上星前进行高低温循环试验，记录其在不同温度条件下的电流数据及线性长度变化数据；
[0052]在轨测试:测试探头搭载于航天器外部，记录在轨运行期间每个试验样品对应的光电传感器产生的电流，将在轨运行期间的电流数据与对应的试验样品前期在地面开展的电流数据进行对比，找出在轨运行期间检测的电流数据对应的地面标定的线性长度变化，得到薄膜材料的试验样品在轨随温度的线性长度变化情况。
[0053]本发明的标定是指测试探头研制完成后，在正式上星前进行高低温循环试验，记录其在不同温度条件下的电流变化情况。探头中的试验样品在轨运行期间得到的电流数据与该试验样品前期在地面标定数据对比，得出不同材料样品在轨运行期间的弹性形变情况。实现了在线测试在轨暴露的星用聚合物薄膜随温度变化产生的形变。
[0054]本发明利用光电传感器电流变化，间接反映聚合物薄膜弹性形变的原理，设计本发明的薄膜材料在轨暴 露试验形变在线测试探头。具体原理如下:
[0055]试验样品安装于支架与盖板中，试验样品一端被支架和第一盖板固定，试验样品边缘卡在支架和第一盖板组合的限位槽中，防止试验样品在微重力条件下移动，试验样品另一端为自由端，位于发光二极管和光电传感器之间，部分遮盖了发光二极管的受光面积。本发明的试验探头搭载于航天器外部，在轨运行期间将经历100°c左右的温差变化，随着温度变化，试验样品会发生形变，导致光电传感器受光面积发生变化，进而引起光电传感器产生电流的变化，通过监测和记录光电传感器产生电流的变化，对比该试验样品前期在地面开展的标定结果，可以得出不同材料样品在轨运行期间的弹性形变情况。此处标定结果指试验样品底面进行热循环试验的结果，如IOcm长的ITO/Kapton/Al复合薄膜在地面时，在-20~80°C条件下形变，引起遮挡面积变化，进而引起的电流变化在20 μ A左右，该电流变化值与选用的发光二极管和光电传感器性能有关，电流变化在20 μ A左右时，ITO/Kapton/Al复合薄膜对应的线性长度变化在5.5 μ m，进而推出其线伸缩率为5.5 X IO^cm/Cm0C，ITO/Kapton/Al复合薄膜在轨运行期间，当检测的在轨运行期间的电流变化在20 μ A左右时，根据前期地面的标定结果，可知在轨运行期间的ITO/Kapton/Al复合薄膜线性长度变化在5.5 μ m，线伸缩率为5.5 X 10_7cm/cm°C。
[0056]本发明通过监测和记录光电传感器感应电流的变化，可以反映出试验样品的形变情况，实现星用聚合物薄膜在轨暴露试验形变在线测试功能。本发明提出的测试探头结构简单、可靠、易实现，可以对在轨暴露的星用聚合物薄膜随温度变化产生的形变进行在线测试，还可随样品数量延长或缩短探头的支架宽度，实现多个样品的同时试验。
[0057]在本发明上述各实施例中，实施例的序号仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0058]本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括:只读存储器(Read-Only Memory,简称 ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,简称 RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0059]在本发明的装置和方法等实施例中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
[0060]应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
[0061]最后应说明的是:虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
【权利要求】
1.一种薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，其特征在于，包括支架，所述支架上设有薄膜材料在轨暴露试验的至少一个试验样品，所述试验样品一端的上方设有第一盖板，另一端的上方设有第二盖板，下方设有第三盖板，所述第二盖板上设有发光二极管，所述发光二极管上设有第四盖板，所述第三盖板上设有通孔，所述通孔下方对应设有光电传感器，所述光电传感器设置在支架的端部，所述第一盖板与所述支架的一端固定连接，所述支架的另一端固定连接所述第二盖板和所述第四盖板。
2.根据权利要求1所述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，其特征在于，还包括第五盖板，所述第五盖板设置在所述试验样品上方，并位于第一盖板和第二盖板之间。
3.根据权利要求2所述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，其特征在于，所述第五盖板为长条形盖板，所述试验样品的两侧上方分别设有一个所述第五盖板。
4.根据权利要求3所述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，其特征在于，所述第五盖板一端位于所述第一盖板下方，所述第一盖板上设有容纳所述第五盖板端部的第三凹槽。
5.根据权利要求1所述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，其特征在于，所述支架的端部设有第一凹槽，所述光电传感器设置在第一凹槽内。
6.根据权利要求1所述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，其特征在于，所述支架的一端及所述第一盖板上设有与所述试验样品端部相配合的限位槽。
7.根据权利要求1所述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，其特征在于，所述支架上设有至少一个第二凹槽，所述第二凹槽内设有试验样品。
8.根据权利要求1-7任一项所述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，其特征在于，所述试验样品为ITO/Kapton/Al复合薄膜或渗碳聚酰亚胺薄膜。
9.根据权利要求1-7任一项所述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头，其特征在于，所述至少一个试验样品包括第一试验样品和第二试验样品；所述支架一端设有两个第一凹槽，一个所述第一凹槽内设有第一光电传感器，另一个所述第一凹槽内设有第二光电传感器，所述支架上设有第一试验样品和第二试验样品，所述第一试验样品、第二试验样品的一端均位于所述第一盖板和支架之间，所述第三盖板上设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔上方对应设有第一试验样品，所述第一通孔下方设有所述第一光电传感器，所述第二通孔上方对应设有第二试验样品，所述第二通孔下方设有所述第二光电传感器，所述第二盖板上设有第一发光二极管和第二发光二极管，所述第一发光二极管下方对应设有第一试验样品，所述第二发光二极管下方对应设有第二试验样品。
10.使用权利要求1-9任一项所述的薄膜材料在轨暴露试验形变在线测试探头进行测试的方法，包括以下步骤: 进行标定:测试探头在正式上星前进行高低温循环试验，记录其在不同温度条件下的电流数据及线性长度变化数据； 在轨测试:测试探头搭载于航天器外部，记录在轨运行期间每个试验样品对应的光电传感器产生的电流，将在轨运行期间的电流数据与对应的试验样品前期在地面开展的电流数据进行对比，找出在轨运行期间检测的电流数据对应的地面标定的线性长度变化，得到薄膜材料的试验样品在轨随温度的线性长度变化情况。
【文档编号】G01N17/00GK103792179SQ201310695323
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】史亮, 全小平, 李存惠, 王鹢 申请人:兰州空间技术物理研究所