一种在空间等离子体环境中建立探测器参考电位的装置的制作方法

本发明涉及航天领域，具体涉及在空间等离子体环境中建立探测器参考电位的装置及方法。

背景技术：

随着对空间环境探测的开展，越来越多的空间等离子体就位探测器应用在卫星等航天器上。由于空间等离子体探测器的就位探测对象为能量很低的等离子体，因此，要求就位探测器自身的地电位必须近似被测等离子体的电位，才能获得正确的科学探测结果。

空间等离子体探测器是安装在如卫星、空间站等航天器上开展在轨探测。但是，航天器的结构非常复杂并且采用高电压太阳电池阵供电(例如+40v、+100v等)，使得在空间等离子体环境中，航天器可能会处于一个相对于空间等离子体电位很低的负电位(例如为-40v、-100v等)。在此条件下，如果探测器以航天器电位为其地电位，则该电位远远偏离被测等离子体电位，在探测器就位测量时会对被测等离子体环境形成干扰，使得探测器不能有效的获得正确的科学探测结果。

技术实现要素：

本发明的目的在于为等离子体就位探测器设计一个与航天器结构地及一次电源地绝缘，且近似背景等离子体电位的参考电位。

为了实现上述目的，本发明提出了在空间等离子体环境中建立探测器参考电位的装置，所述装置包括一个导体金属板和反馈电路；所述导体金属板绝缘安装在航天器飞行方向的外表面；所述反馈电路用于将导体金属板的电位连接到探测器的地电位上，从而实现探测器与航天器结构地及一次电源地绝缘，建立等同于被测等离子体电位的参考电位。

作为上述装置的一种改进，所述导体金属板为φ100mm的圆形板。

作为上述装置的一种改进，所述反馈电路包括：运算放大器、电阻r和探测器电源模块；

所述运算放大器的反相输入端连接到导体金属板，所述运算放大器的输出端通过电阻r连接到航天器结构地，通过空间等离子体与导体金属板形成电气连接，从而使得运算放大器的同相输入端电压与反相输入端电压相等；在运算放大器的同相输入端建立参考电位；

所述运算放大器的供电端连接到探测器电源模块输出端；所述探测器电源模块用于为运算放大器提供工作电源，所述探测器电源模块的电源地连接到运算放大器的同相输入端。

作为上述装置的一种改进，所述装置还包括参考电位监测电路，用于对建立的参考电位进行监测；所述参考电位监测电路包括：串联的电阻r1、电阻r2和参考电位监测单元；所述电阻用r1连接到运算放大器的同向输入端，所述电阻r2与电阻r连接，在电阻r1和电阻r2之间接入参考电位监测单元。

作为上述装置的一种改进，所述电阻r1和电阻r2为kω量级电阻。

本发明的优势在于：

1、本发明的装置输出的探测器参考电位与空间等离子体电位近似相等，可以保证探测器地电位随着空间等离子体电位变化而一致变化，在其就位测量过程中，不会出现对被测等离子体产生干扰的现象，能够获得正确的科学结果；

2、本发明的装置具有设计简单，功耗很小的优点。

附图说明

图1为本发明的在空间等离子体环境中建立探测器参考电位的装置的示意图；

图2为本发明的参考电位的监测的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，一种在空间等离子体环境中建立探测器参考电位的装置，所述装置包括一个导体金属板和反馈电路。其中，所述导体金属板绝缘安装在航天器飞行方向的外表面，与航天器结构以及航天器一次电源地等所有电气节点均为隔离状态。导体金属板与空间等离子体相互作用，会在其表面形成一个与等离子体电位近似相等的电位。

在轨工作时，该导体金属板与空间等离子体环境相互作用，会在其表面形成一个悬浮电位。在通常等离子体环境下，该悬浮电位与空间等离子体电位略有差别，该差别小于1v。导体金属板的尺寸，需要根据空间等离子体的参数进行设计，在通常等离子体环境下，导体金属板的尺寸可设计为φ100mm。其它形状也可以，但是会存在边缘效应的影响，使得获得的参考电位与空间等离子体电位存在较大差异。圆形是最优设计，可使得差异小于1v。

然后，通过反馈电路将该导体金属板的电位连接到探测器的地电位上，从而实现探测器获得与航天器结构地及一次电源地绝缘，且近似被测等离子体电位的参考地。

所述反馈电路包括：运算放大器、电阻r和探测器电源模块；所述运算放大器的反相输入端连接到导体金属板，其供电端连接到探测器的电源模块输出端。运算放大器的输出端通过一个mω量级的电阻r连接到航天器结构地，通过空间等离子体与导体金属板形成电气连接，从而使得运算放大器的同相输入端电压与反相输入端电压相等。

所述探测器电源模块用于为运算放大器提供工作电源，其电源地连接到运算放大器的同相输入端。由于电路中同相输入端电压与反相输入端电压相等，因此探测器电源模块的电源地与反相输入端电压相等，即与导体金属板的电位相同。

通过上述技术原理分析，在运算放大器的同相输入端建立参考电位，并连接到探测器电源地，使得探测器地电位与导体金属板电位相同。由于探测器电源模块同时为探测器自身提供工作电源，因此建立了探测器近似背景等离子体电位的参考电位。

该技术方案可以通过增加电阻r1、r2，对建立的参考电位进行监测，其技术框图如下图2所示。其中，r1、r2为kω量级电阻。假设参考电位最高为100v，则r1/r2的比值取10，可将参考电位监测的电压范围限制在±10v之间，已便于后续电路的数字化采集。

本发明的创新点为：

1、利用绝缘安装在航天器飞行方向的导体金属板，获得一个与空间等离子体电位近似的电位；

2、将获得的电位连接到由探测器电源模块供电的运算放大器的反相输入端，并在其同相输入端建立参考电位；

3、参考电位连接到等离子体就位探测器电源模块地，为探测器提供一个近似背景等离子体电位的地电位。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种在空间等离子体环境中建立探测器参考电位的装置，其特征在于，所述装置包括一个导体金属板和反馈电路；所述导体金属板绝缘安装在航天器飞行方向的外表面；所述反馈电路用于将导体金属板的电位连接到探测器的地电位上，从而实现探测器与航天器结构地及一次电源地绝缘，建立等同于被测等离子体电位的参考电位。本发明的装置输出的探测器参考电位与空间等离子体电位近似相等，可以保证探测器地电位随着空间等离子体电位变化而一致变化，在其就位测量过程中，不会出现对被测等离子体产生干扰的现象，能够获得正确的科学结果。

技术研发人员：刘超;焦鹏搏;关燚炳;张爱兵;孙越强
受保护的技术使用者：中国科学院国家空间科学中心
技术研发日：2017.11.15
技术公布日：2019.05.24