一种空间大气密度探测器热脱附驱动控制方法与流程

1.本技术涉及空间大气探测技术领域，具体而言，涉及一种空间大气密度探测器热脱附驱动控制方法。


背景技术：

2.地球超低轨道(本技术界定为120～300km)是指大气层以外而又低于一般航天器轨道高度的空间区域。随着空间技术的发展和空间应用的深入，超低轨道飞行技术将成为航天领域的新兴发展方向，在此高度范围内，大气非常稀薄，但相对于外层太空而言，又存在大量气体分子，所以需要研制超低轨道空间大气密度探测器进行气体的探测。
3.大气密度探测的基本原理是通过分子筛吸附膜镀制在石英晶体微天平上，形成传感器，当探测器入轨后，传感器吸附气体分子，当吸附量的增加时，石英晶体微天平振荡频率会随之变化，通过后端电学部分的测量采集可实现大气密度的探测，但是此传感器存在一个弊端就是只能一次性吸附，吸附的气体分子会达到饱和状态。


技术实现要素：

4.本技术提供的空间大气密度探测器热脱附驱动控制方法，通过加热的方式将传感器中吸附的气体脱附掉，进而可以实现循环探测。
5.为了实现上述目的，本技术提供了一种空间大气密度探测器热脱附驱动控制方法，包括如下步骤：步骤1：对空间大气密度探测器进行初始预加热；步骤2：预加热结束后，空间大气密度探测器进入大气吸附过程；步骤3：在大气吸附过程中，将空间大气密度探测器的测量频率信号和参考频率信号的差频值与设定的第一阈值参数进行对比；步骤4：如果差频值≥第一阈值参数，那么空间大气密度探测器继续进行大气吸附过程，如果差频值＜第一阈值参数，那么空间大气密度探测器进入加热脱附过程；步骤5：在加热脱附过程中，将空间大气密度探测器的测量频率信号和参考频率信号的差频值与设定的第二阈值参数进行对比；步骤6：如果差频值≤第二阈值参数，那么空间大气密度探测器返回步骤2，继续进入大气吸附过程，如果差频值＞第二阈值参数，那么在加热脱附过程中，会打开薄膜电加热器；步骤7：空间大气密度探测器打开薄膜电加热器后，会进行实时温度判断，如果实时温度＞170℃，那么空间大气密度探测器会关闭薄膜电加热器，如果实时温度≤170℃，那么继续对实时温度进行判断；步骤8：如果实时温度＞165℃，那么空间大气密度探测器会关闭薄膜电加热器，如果实时温度≤165℃，那么会返回步骤5，重新将差频值与第二阈值参数进行对比。
6.进一步的，空间大气密度探测器包括石英晶体微天平传感器、振荡电路、fpga数字信号运算电路、加热驱动控制电路、温度传感器、温度测量电路和薄膜电加热器，其中：石英晶体微天平传感器包括测量石英晶体微天平传感器和参考石英晶体微天平传感器；振荡电路包括测量振荡电路和参考振荡电路；薄膜电加热器覆盖在石英晶体微天平传感器上；测量石英晶体微天平传感器通过测量振荡电路与fpga数字信号运算电路连接，用于输出测量
频率信号；参考石英晶体微天平传感器通过参考振荡电路与fpga数字信号运算电路连接，用于输出参考频率信号；温度传感器通过温度测量电路与fpga数字信号运算电路连接，用于输出实时温度信号；fpga数字信号运算电路连接通过加热驱动控制电路与薄膜电加热器连接；fpga数字信号运算电路用于将输出的测量频率信号和输出参考频率信号进行耦合变换，并且对两个信号进行作差运算得到差频值，然后将差频值、设定的阈值参数以及实时温度信号进行判断对比，根据对比结果通过加热驱动控制电路控制薄膜电加热器的打开与关闭。
7.进一步的，薄膜电加热器为聚酰亚胺薄膜电加热器，其额定功率为15w，额定温度为230℃，最高加热温度为170℃。
8.进一步的，加热驱动控制电路通过一次母线直接与薄膜电加热器连接，用于控制薄膜电加热器的打开与关闭。
9.进一步的，在步骤1中，对空间大气密度探测器进行初始预加热的加热时间是固定的。
10.进一步的，在步骤3中，差频值为经过fpga数字信号运算电路数字滤波和平滑滤波处理后得到的有效差频值。
11.进一步的，在fpga数字信号运算电路中进行第一阈值参数和第二阈值参数的设置，并且可以通过地面软件上注的方式进行在轨修改。
12.本发明提供的一种空间大气密度探测器热脱附驱动控制方法，具有以下有益效果：
13.本技术具有在轨长寿命工作时自主控制的特性，探测器通过阈值参数自动判断完成大气密度探测器气体分子的吸附和脱附过程，在脱附模式下增加了温度的监测判断，能够防止脱附时间太长导致温度过高而损坏聚酰亚胺薄膜电加热器，并且加热驱动控制电路不通过二次dc/dc电路变换，可以有效的减小探测器的功耗、体积和重量。
附图说明
14.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
15.图1是根据本技术实施例提供的空间大气密度探测器热脱附驱动控制方法的流程示意图；
16.图2是根据本技术实施例提供的空间大气密度探测器的结构示意图；
17.图3是根据本技术实施例提供的加热驱动控制电路的示意图。
具体实施方式
18.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
19.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
20.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
21.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
22.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
24.如图1所示，本技术提供了一种空间大气密度探测器热脱附驱动控制方法，包括如下步骤：步骤1：对空间大气密度探测器进行初始预加热；步骤2：预加热结束后，空间大气密度探测器进入大气吸附过程；步骤3：在大气吸附过程中，将空间大气密度探测器的测量频率信号和参考频率信号的差频值δf与设定的第一阈值参数fl进行对比；步骤4：如果差频值δf≥第一阈值参数f
l
，那么空间大气密度探测器继续进行大气吸附过程，如果差频值δf＜第一阈值参数f
l
，那么空间大气密度探测器进入加热脱附过程；步骤5：在加热脱附过程中，将空间大气密度探测器的测量频率信号和参考频率信号的差频值δf与设定的第二阈值参数fh进行对比；步骤6：如果差频值δf≤第二阈值参数fh，那么空间大气密度探测器返回步骤2，继续进入大气吸附过程，如果差频值δf＞第二阈值参数fh，那么在加热脱附过程中，会打开薄膜电加热器；步骤7：空间大气密度探测器打开薄膜电加热器后，会进行实时温度判断，如果实时温度t
t
＞170℃，那么空间大气密度探测器会关闭薄膜电加热器，如果实时温度t
t
≤170℃，那么继续对实时温度进行判断；步骤8：如果实时温度t
t
＞165℃，那么空间大气密度探测器会关闭薄膜电加热器，如果实时温度t
t
≤165℃，那么会返回步骤5，重新将差频值与第二阈值参数进行对比。
25.具体的，本技术实施例提供的空间大气密度探测器热脱附驱动控制方法，具有在轨长寿命工作时自主控制的特性，主要采用光电耦合器将一次母线电源和加热驱动控制电路的二次电源隔离，实现了聚酰亚胺薄膜电加热器的稳定加热控制，整体采用频率和温度双重阈值自动控制方法实现大气密度探测器在轨气体分子的吸附和脱附，有效地解决了空间大气密度探测器长寿命期探测，提升了大气密度吸附和脱附效率，降低了系统功耗。在本技术实施例中，主要利用空间大气密度探测器的测量频率信号和参考频率信号的差频值与预设的阈值参数以及实时采集的温度值和薄膜电加热器设定的温度范围进行对比判断，根据对比结果输出加热控制指令时序，时序信号经过加热驱动电路的信号放大、隔离变换控制mosfet的栅极，实现薄膜电加热器回路通或断，整个过程为开环控制过程。本技术实施例
加热控制逻辑方法的本质是频率阈值比较法，不过在加热脱附过程中增加了温度的监测判断，主要为了防止脱附时间太长导致温度过高，从而使薄膜电加热器损坏。
26.进一步的，如图2所示，空间大气密度探测器包括石英晶体微天平(qcm)传感器、振荡电路、fpga数字信号运算电路、加热驱动控制电路、温度传感器、温度测量电路和薄膜电加热器，其中：石英晶体微天平(qcm)传感器包括测量石英晶体微天平传感器和参考石英晶体微天平传感器；振荡电路包括测量振荡电路和参考振荡电路；薄膜电加热器覆盖在石英晶体微天平传感器上；测量石英晶体微天平传感器通过测量振荡电路与fpga数字信号运算电路连接，用于输出测量频率信号fm；参考石英晶体微天平传感器通过参考振荡电路与fpga数字信号运算电路连接，用于输出参考频率信号fr；温度传感器通过温度测量电路与fpga数字信号运算电路连接，用于输出实时温度信号；fpga数字信号运算电路连接通过加热驱动控制电路与薄膜电加热器连接；fpga数字信号运算电路用于将输出的测量频率信号和输出参考频率信号进行耦合变换，并且对两个信号进行作差运算得到差频值，然后将差频值、设定的阈值参数以及实时温度信号进行判断对比，根据对比结果通过加热驱动控制电路控制薄膜电加热器的打开与关闭。在现有空间大气密度探测器的基础上，本技术实施例通过fpga数字信号运算电路采集测量振荡电路输出的频率信号fm，参考振荡电路输出的频率信号fr，经过差频运算和滤波处理后得到有效差频数据δf＝f
r-fm，然后将有效差频数据δf与设定第一阈值参数f
l
和第二阈值参数fh进行对比判断，根据上述对比判断的逻辑，可以使空间大气密度探测器进入大气吸附模式或者加热脱附模式，并且在加热脱附模式下，通过实时温度的判断，可以控制薄膜电加热器的打开与关闭，实现空间大气密度探测器加热脱附的开环控制，将传感器中吸附的气体通过加热的方式及时脱附掉，进而实现探测器的循环探测。
27.进一步的，薄膜电加热器为聚酰亚胺薄膜电加热器，其额定功率为15w，额定温度为230℃，最高加热温度为170℃。聚酰亚胺薄膜电加热器柔韧性好，可包裹在圆柱形传感器一周，加热温度也足够，根据实际应用情况，空间大气密度探测器的吸附膜传感器一般需要加热温度大于150℃才能更高效地脱掉吸附的气体分子，聚酰亚胺薄膜电加热器的额定温度为230
°
，但是真空中温度快速加热会产生过冲现象，并且真空中经过试验验证实际加热温度也无法达到230℃高温，因此，在本技术实施例中，按照74％的功率降额设计，聚酰亚胺薄膜电加热器的最高加热温度应控制在170℃左右，在进行温度判断时，优选165℃和170℃这两个作为温度参考节点，主要为了保护聚酰亚胺电加热器和提升脱附的效率，当然也可以根据实际情况，在温度范围内选择其他温度作为温度参考节点。
28.进一步的，如图3所示，加热驱动控制电路通过一次母线直接与薄膜电加热器连接，用于控制薄膜电加热器的打开与关闭。本技术实施例的加热驱动控制电路采用一次母线直接向薄膜加热片供电，不通过二次dc/dc电路变换，这样设计能够减小功耗、体积和重量，由于fpga输出的加热指令信号是相对于二次地，而加热片是串接在一次母线回路，所以在电路中增加一个光电耦合器u1将一次地和二次地隔离，可有效驱动加热过程的执行，在电路中电阻r
11
用于加热反馈状态检测，当mosfet t1导通时，r
11
的电压降经过信号放大后反馈给fpga，作为一个在轨监测参数，由于r
11
一端接一次母线地，所以r
11
的电压经过三极管反相放大后也采用光电耦合器u2隔离，最终向fpga输入的加热监测状态信号不会受到一次地的串扰。fpga一个加热控制指令信号的高电平可使加热片开始加热，监测状态为高电
平；低电平使得加热片停止加热，同样监测状态为低电平。
29.更具体的，如图3所示，在本技术实施中，加热驱动控制电路连接方式为电阻r1和r2串联分压得到v
mid
，但由于印制电路板和其他阻抗的影响，实际r1和r2分别为43kω和1mω，v
mid
＝6.75v，fpga输出的加热指令信号经过三极管(q1)反相放大后输入到光电耦合器(u1)的第1端口，u1的第2端口接一个10kω的电阻到地，u1的第5端口通过150kω的电阻上拉到v
mid
，u1的第4端口接一次母线地；光电耦合器u1的输出信号经过电阻r9后输入到n沟道场效应管t1的栅极，t1的漏极与薄膜加热片的一端连接，薄膜加热片的另一端与一组并联的熔断管连接，熔断管左侧接一次母线+42v；t1的源极与地之间串接一个0.5ω的功率电阻r
11
，r
11
的电压降串接电阻r
12
后输入到三极管t2的基极，t2的漏极输出电压输入到后级的光电耦合器u2，u2的第2端口与一次母线地之间串接r
15
电阻10kω，u2的第5端口通过200kω的电阻r
16
后上拉到二次电源vcc5，u2的第4端口接二次数字地，c2、c3为滤波电容。
30.进一步的，在步骤1中，对空间大气密度探测器进行初始预加热的加热时间是固定的。由于探测器在轨上电初始化时，吸附膜已经在吸附饱和或近于饱和状态，固定时间就是为了能保证气体分子完全脱出来，初始预加热的时间优选为5-10分钟。
31.进一步的，在步骤3中，差频值为经过fpga数字信号运算电路数字滤波和平滑滤波处理后得到的有效差频值。差频值经过滤波处理，主要是为了滤除工作时出现的野值
32.进一步的，在fpga数字信号运算电路中进行第一阈值参数和第二阈值参数的设置，并且可以通过地面软件上注的方式进行在轨修改。在轨长寿命期工作时，由于石英晶体微天平(qcm)传感器性能会发生疲劳损耗，大气吸附和脱附性能也会随之下降，阈值参数值fh和f
l
可通过地面软件(参数)上注的方式进行在轨修改。第一阈值参数f
l
和第二阈值参数fh是通过地面标定设备标定而得，先在fpga中设定两个阈值参数值，然后在探测过程中，根据实际探测情况，在地面通过软件再对设定值进行修改。而在轨软件上注修改只作为载荷寿命后期传感器出现疲劳退化时进行修改，并不需要频繁修改。
33.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。