一种高压静电电压测量装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种高压静电电压测量装置，包括感应极板、分压电容和测量电路；其中感应极板的输出分成两个支路，其中一支路通过分压电容接地，另一支路与测量电路相连；所述测量电路包括低偏置输入放大器、同相比例放大器、低通滤波器、测量显示模块、等电势屏蔽环、跟随放大器和开关，所述等电势屏蔽环将低偏置输入放大器上的输入管脚包围；其中感应极板的输出支路通过开关依次与低偏置输入放大器、同相比例放大器、低通滤波器相连、测量显示模块相连；低偏置输入放大器的反向输入端与跟随放大器的输入端相连，跟随放大器的输出端与等电势屏蔽环相连。该装置在对高压静电电压测量的过程中，可以很好解决电荷漏电的问题。
【专利说明】-种高压静电电压测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高压静电电压测量装置，用于介质或导体的高压静电电位的测 量。
【背景技术】
[0002] 介质或导体的高压静电电位测量在科研和工程领域应用广泛，尤其在卫星充放电 效应研究中，该技术可W有效测量星用材料的静电高压电位，为卫星的静电防护设计提供 测试、研究手段。
[0003] 目前对高压静电电压的测量，基本都是非接触式的，主要分为两类；一类是采用振 动装置在静电电压形成的电场中振动，形成振幅与电场强度成正比的调制信号，通过对调 制信号进行解调实现静电电压测量；另一类是采用金属极板对静电电位进行感应，通过对 极板感应电位的测量来实现高压静电电压测量。其中后者采用极板感应电荷，并通过电容 分压对高压静电电位进行测量，结构简单，易于实现。但在对感应极板的电位进行测量时， 由于其为静电电荷，极易通过测量电路泄露，从而产生误差，在大分压比的测量系统中，对 应的被测高压误差更大，因此高压静电电压测量电路应着重解决测量中的电荷泄漏问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出了一种高压静电电压测量装置，该装置在对高压静电电压测 量的过程中，可W很好解决电荷漏电的问题。
[0005] 实现本发明的技术方案如下：
[0006] -种高压静电电压测量装置，包括感应极板、分压电容和测量电路；其中感应极板 的输出分成两个支路，其中一支路通过分压电容接地，另一支路与测量电路相连；
[0007] 所述感应极板用于感应被测对象的静电电压；
[0008] 所述分压电容用于对感应极板输出的静电电压进行分压；
[0009] 所述测量电路包括低偏置输入放大器、同相比例放大器、低通滤波器、测量显示模 块、等电势屏蔽环、跟随放大器和开关，所述等电势屏蔽环将低偏置输入放大器上的输入管 脚包围；其中感应极板的输出支路通过开关依次与低偏置输入放大器、同相比例放大器、低 通滤波器相连、测量显示模块相连；低偏置输入放大器的反向输入端与跟随放大器的输入 端相连，跟随放大器的输出端与等电势屏蔽环相连。
[0010] 进一步地，本发明所述分压电容为聚苯己帰电容。
[0011] 进一步地，本发明所述低偏置输入放大器的偏置电流小于60fA。
[0012] 进一步地，本发明所述感应极板包括高压样品、感应电极、接地铅环及铅壳；其中， 高压样品位于接地铅环的上方，感应电极位于接地铅环的下方，所述铅壳将高压样品、感应 电极和接地铅环压紧于铅壳内；铅壳上端留有开口，接地铅环与铅壳内壁接触，且接触电阻 小于0. 5欧姆；
[0013] 所述高压样品包括样品压环、样品巧环和薄膜样品材料，其中所述薄膜样品材料 与被测对象的材料相同；薄膜样品材料的下表面通过环氧胶固连在与其直径相同的样品巧 环上，样品压环压紧薄膜样品材料，并使薄膜样品材料的上表面通过环氧胶固连于样品压 环的凹槽内；
[0014] 所述感应电极包括感应电极压环、感应电极巧环和极板；极板由感应电极压环压 紧于感应电极巧环上。
[0015] 进一步地，本发明所述样品压环和样品巧环的材料为聚醜亚胺，所述感应电极压 环和感应电极巧环为聚醜亚胺。
[0016] 有益效果
[0017] 第一，本发明测量装置采用电容分压结构，由于分压电容上电压与感应极板上的 电压存在一定的比例关系，因此通过测量分压电容的电压，实现了高压静电电压测量，测量 装置结构简单，性能可靠，与传统进行高压电位测量的装置相比，其不需要高压模块，便于 集成到不同的系统内。
[0018] 第二、本发明在测量电路上设置开关，在不同情况下对开关的开闭状态进行控制， 可W消除测量电路上电过程对分压电容进行充电所造成的误差影响。
[0019] 第H、本发明在测量电路输入端的低偏置输入放大器上设置等电势屏蔽环，使得 分压电容上的电荷不会通过测量电路的印制电路板泄露，因此在设计上实现了极低的漏电 流，保证了静电电位测量的准确性。
[0020] 第四、本发明将高压样品与感应电极分开，使其通过非接触式静电感应来测量表 示被测对象上电位情况的高压样品电位，同时将薄膜样品材料的漏电通过接地铅环导向铅 壳，因此可W防止薄膜样品材料漏电至感应电极的问题；该感应极板结构简单，稳定性高， 进行空间搭载的环境适应性强。
[0021] 第五、本发明薄膜样品材料与所需测量航天器表面的材料相同，因此在需要对不 同类型的航天器进行测量时，只需更换与被测航天器表面材料相同的样品薄膜材料，因此 其具有很强的适用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明高压静电电压测量装置组成示意图。
[0023] 图2为本发明测量电路原理框图。
[0024] 图3为本发明测量电路的电路板防漏电设计示意图。
[00巧]其中，管脚1同相输入端，管脚2无连接管脚，管脚7无连接管脚，管脚8反相输入 玉山 乂而。
[0026] 图4为感应极板的结构示意图。
[0027] 1-样品压环，2-样品巧环，3-样品材料，4-接地铅环，5-极板6-感应电极压环， 7-感应电极巧环，8-铅壳。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明
[0029] 如图1所示，本发明高压静电电压测量装置，包括感应极板、分压电容和测量电 路；其中感应极板的输出分成两个支路，其中一支路通过分压电容接地，另一支路与测量电 路相连；
[0030] 所述感应极板用于感应被测对象的静电电压；
[0031] 所述分压电容用于对感应极板输出的静电电压进行分压；
[0032] 所述测量电路包括低偏置输入放大器、同相比例放大器、低通滤波器、测量显示模 块、等电势屏蔽环、跟随放大器和开关，所述等电势屏蔽将低偏置输入放大器上的输入管脚 包围；其中感应极板的输出支路通过开关依次与低偏置输入放大器、同相比例放大器、低通 滤波器、测量显示模块相连；低偏置输入放大器的反向输入端与跟随放大器的输入端相连， 跟随放大器的输出端与等电势屏蔽环相连。
[0033] 本发明感应极板对被测对象的电位进行静电感应，由于感应极板与被测对象所形 成的电容与分压电容串联，且前者远小于后者，因此感应极板的电位同被测对象电位成正 比，且为被测电位的几百分之一到千分之一，因此通过测量分压电容的电位即可测量被测 对象的电位。
[0034] 本发明在测量支路上设置开关，当测量电路上电前，开关处于断开状态，该样可W 消除上电过程对分压电容进行充电所造成的误差，当测量电路上电后，需要对被测对象进 行测量时，此时开关闭合；当测量电路测量结束关电前，此时断开所述开关，该样保证了分 压电容极低的漏电流。
[00巧]本发明测量电路原理框图如图2所示。第一级为低偏置输入放大器，其小于60fA 的偏置电流，保证了分压电容上通过测量电路泄放的电荷在很低的水平，同时采用了漏电 流极小的聚苯己帰电容作为分压电容，也保证了对感应极板长时间测量的准确度。第二级 为同相比例放大器，第H级为低通滤波器，由于所测静电电位信号为低频信号，通过低通滤 波，滤除高频噪声，保证了测量电路对静电电压测量的分辨率；测量显示模块用于测量低通 滤波器输出的信号并显示。
[0036] 本发明测量电路的输入级等电势屏蔽设计如图3所示。静电电压信号由同相输入 端输入低偏置输入放大器，保证了输入级的低偏置电流；同时在电路板设计中，采用等电势 屏蔽，图3中等电势屏蔽作为环形的走线将低偏置放大器的输入管脚包围，建立一块与同 相输入端电位相等的区域，该样分压电容上的电荷不会通过测量电路的印制电路板泄漏。 其中等电势屏蔽由低偏置放大器反相输入端引出电位，经跟随放大器隔离缓冲后输出给等 电势屏蔽环，由于反相输入端与同相端输入信号电位相等，因此保证了等电势屏蔽区域的 电位与输入信号电位相等。
[0037] 如图4所示，本发明感应极板包括高压样品、感应电极、接地铅环4及铅壳8;其 中，所述高压样品位于接地铅环4的上方，感应电极位于接地铅环4的下方，所述铅壳8将 高压样品、感应电极和接地铅环4压紧于铅壳8内；铅壳8上端留有开口，接地铅环4与铅 壳8内壁接触，且接触电阻小于0.5欧姆。
[0038] 高压样品包括样品压环1、样品巧环2和薄膜样品材料3,其中所述薄膜样品材料 3与被测对象的材料相同；薄膜样品材料3的下表面通过环氧胶固连在与其直径相同的样 品巧环2上，样品压环1压紧薄膜样品材料3,并使薄膜样品材料3的上表面通过环氧胶固 连于样品压环1的凹槽内。感应电极包括感应电极压环6、感应电极巧环7和极板5 ;极板 5由感应电极压环压6紧于感应电极巧环7上。
[0039] 本发明感应极板执行在轨测量时，由于铅壳8上端设有开口，因此高压样品直接 暴露于空间等离子体和带电粒子的环境中，与航天器表面一同经历充电；感应电极与外部 绝缘，并呈电中性，利用极板5与薄膜样品材料3之间的非接触式的静电感应，正负电荷分 离，与薄膜样品材料3所带电荷成正比的极板5上的电荷最后被传输至外部的分压电容和 静电电压测量电路。高压样品和感应电极两部分结构通过上下压紧共同构成感应极板的主 体部分，接地铅环除了支撑感应极板主体部分的结构外，由于其与铅壳接触，且接触电阻小 于0. 5欧姆，因此接地铅环还可进行漏电流消除。
[0040] 本发明样品压环1和样品巧环2由具有高电阻率的聚醜亚胺构成，两者通过胶粘 将薄膜样品材料3固定在它们中间，由于样品压环1和样品巧环2的高电阻率，因此可W防 止薄膜样品材料3漏电的情况。同时，由于样品压环1为周向凸起的结构，该结构相较于简 单的等直径压叠结构，既保证了薄膜样品材料3与铅壳8之间的绝缘性，又使样品压环1与 样品巧环2的配合稳定。
[0041] 本法明为了使接地铅环4与铅壳8之间的接触电阻小于0. 5欧姆，在安装时采用 热胀冷缩的热套配合的方式。
[0042] 下面具体给出本发明提出的探头的原理。
[0043] 样品压环1和样品巧环2通过胶粘将薄膜样品材料固定在它们中间；当薄膜样品 材料3 (主要是星用聚合物薄膜）表面有电荷累积时，呈电中性的极板5,通过非接触式的 静电感应，正负电荷分离；从而极板5上与样品所带电荷成正比的电荷将被导线传输至分 压电容形成电压，并采用测量电路进行测量。极板5通过由聚醜亚胺构成的压环6和巧环 7与周围实现电气隔离，防止电荷泄漏。接地铅环4的作用除了支撑感应极板主体的结构 夕F，还可W消除漏电流，薄膜样品材料3在充电电位很高的情况下，产生的漏电流通过该接 地铅环4流向地，而不会流向电位较低的极板5,该样就解决了介质的漏电流问题。
[0044] 高压静电电压测量装置指标
[0045]
【权利要求】
1. 一种高压静电电压测量装置，其特征在于，包括感应极板、分压电容和测量电路；其 中感应极板的输出分成两个支路，其中一支路通过分压电容接地，另一支路与测量电路相 连； 所述感应极板用于感应被测对象的静电电压； 所述分压电容用于对感应极板输出的静电电压进行分压； 所述测量电路包括低偏置输入放大器、同相比例放大器、低通滤波器、测量显示模块、 等电势屏蔽环、跟随放大器和开关，所述等电势屏蔽环将低偏置输入放大器上的输入管脚 包围；其中感应极板的输出支路通过开关依次与低偏置输入放大器、同相比例放大器、低通 滤波器相连、测量显示模块相连；低偏置输入放大器的反向输入端与跟随放大器的输入端 相连，跟随放大器的输出端与等电势屏蔽环相连。
2. 根据权利要求1所述高压静电电压测量装置，其特征在于，所述分压电容为聚苯乙 烯电容。
3. 根据权利要求1所述高压静电电压测量装置，其特征在于，所述低偏置输入放大器 的偏置电流小于60fA。
4. 根据权利要求1所述高压静电电压测量装置，其特征在于，所述感应极板包括高压 样品、感应电极、接地铝环及铝壳；其中，高压样品位于接地铝环的上方，感应电极位于接地 铝环的下方，所述铝壳将高压样品、感应电极和接地铝环压紧于铝壳内；铝壳上端留有开 口，接地铝环与铝壳内壁接触，且接触电阻小于0. 5欧姆； 所述高压样品包括样品压环、样品托环和薄膜样品材料，其中所述薄膜样品材料与被 测对象的材料相同；薄膜样品材料的下表面通过环氧胶固连在与其直径相同的样品托环 上，样品压环压紧薄膜样品材料，并使薄膜样品材料的上表面通过环氧胶固连于样品压环 的凹槽内； 所述感应电极包括感应电极压环、感应电极托环和极板；极板由感应电极压环压紧于 感应电极托环上。
5. 根据权利要求4所述高压静电电压测量装置，其特征在于，所述样品压环和样品托 环的材料为聚酰亚胺，所述感应电极压环和感应电极托环为聚酰亚胺。
【文档编号】G01R19/00GK104237605SQ201410448528
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】周朝阳, 王鹢, 杨生胜, 田恺, 薛玉雄, 苗育君, 李存惠 申请人:兰州空间技术物理研究所