一种惯性传感器光电流模型的构建方法

本发明属于精密测量，更具体地，涉及一种惯性传感器光电流模型的构建方法。

背景技术：

1、在精密测量领域，通常需要将敏感单元进行绝缘处理，从而实现电气、热噪声等外部干扰的隔离。例如，欧空局主导的lisa空间引力波探测计划中，惯性传感器的敏感探头由检验质量和周围的极板组成，其中检验质量是一个孤立导体，与周围物体无任何电气连接，空间中自由电荷会附着于检验质量上从而导致电荷的积累。逐渐积累的电荷所产生的静电力会严重干扰仪器的测量结果，因此需要对检验质量上的电荷进行控制。

2、以lisa pathfinder中所采用的紫外放电技术为例，其通过紫外光照射惯性传感器内部，激发出检验质量和极板表面光电子，从而实现对检验质量的充放电。而实际工作中每块极板上会施加许多复杂电压，紫外光电子能量最大为ev量级，因此伏级大小的电压会通过改变光电子运动方向从而在宏观上影响检验质量表面充放电速率，故需要每块极板上的电压对检验质量放电速率的具体影响进行研究以往针对放电速率的工作仅研究了与放电轴向相同方向的极板上施加的直流偏压对紫外放电系统性能的影响，但对于检验质量其他轴向极板电势偏压的影响并没有文献给出。

3、电极和检验质量表面可能由具有不同表面性质的区域(如量子产率、功函数、光照比等)组成，因此需要对检验质量和极板进行空间分割。当其处于太空环境中时，太阳高能粒子和宇宙银河射线会不断穿透航天器给检验质量充电，而充电速率在几十个e/s到1000e/s之间，为了使检验质量在宇宙中能够中和宇宙中粒子的充电效应，需要给出精确的检验质量充放电速率，因此需要建立一个更精确的光电流模型。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种惯性传感器光电流模型的构建方法，能精确地给出惯性传感器中各极板电势对检验质量放电性能的影响。

2、为实现上述目的，本发明提供了惯性传感器光电流模型的构建方法，包括如下步骤：

3、(1)基于金属表面光电流一般方程和惯性传感器几何结构建立光电流模型；

4、(2)对所述光电流模型的三个参数进行分别标定，标定方法为：

5、(a)根据惯性传感器内表面对紫外光的光学特性，得到惯性传感器中内表面各划分区域的光电子出射数量，所述划分区域根据各极板所在区域进行划分，各划分区域均包括一极板及与该极板表面相对应的检验质量；

6、(b)在待测极板和其他极板上施加相同直流偏置电压，使待测极板和检验质量之间的电势差大于光电子最大出射动能，从而使待测极板和检验质量处于饱和态，测量饱和态下的检验质量的光电流；改变待测极板的直流偏压与检验质量的直流偏压相同，使待测极板和检验质量处于零点态，测量零点态下的检验质量的光电流；最后根据这两种模式下的光电流计算得到待测极板和检验质量之间的分流概率；

7、(c)依次将其它极板作为待测极板，重复步骤(b)，得到各极板和检验质量之间的分流概率；

8、(d)调控各极板和检验质量之间的电势差以相同步长从负饱和态电势变化到正饱和态电势，并测量每个电势差点下从检验质量的光电流，最后根据惯性传感器内表面各划分区域的光电子出射数量及各极板和检验质量之间的分流概率，从光电流模型方程中反解出惯性传感器的光电子迁移几率。

9、本发明提供的惯性传感器光电流模型的构建方法，具有如下效果：(1)能够对惯性传感器中的每块极板电势对检验质量放电性能的影响进行标定。由于极板上具有复杂的调制电场，而对于这些电场对检验质量放电性能的影响并没有进一步给出，因此研究每块极板上电势对检验质量放电性能的影响能够辅助设计电荷管理系统；(2)本方法考虑了光电子出射角度呈余弦分布的影响，对模型的描述更精确。

10、在其中一个实施例中，所述光电流模型的方程为：

11、

12、式中，i和j表示惯性传感器内表面划分区域的标号；从惯性传感器内任意i表面出发到达与之相对的任意j表面的光电流；bi表示单位时间内从惯性传感器内任意i表面出射的总光电子数；ai→j表示从惯性传感器内任意i表面产生的总光电子迁移到相对的j表面的分流概率；fi→j(v)表示从惯性传感器内任意i表面产生的光电子克服i表面与相对的j表面之间电势差迁移到j表面的概率。

13、在其中一个实施例中，步骤(a)中，所述光学特性包括惯性传感器内表面各划分区域对紫外光的吸收率和反射率、及反射紫外光部分漫反射和镜面反射的比率。

14、在其中一个实施例中，步骤(a)中，惯性传感器内表面各划分区域的光电子出射数量：

15、

16、式中，i表示惯性传感器内表面划分区域的标号；bi表示惯性传感器内表面区域i出射的光电子出射数量；p代表紫外led灯照射惯性传感器内部的入射光功率；ρ(θ)表示惯性传感器内表面紫外光光照吸收比率；qyint表示量子产率，定义为入射单个紫外光子能够产生的光电子数。

17、在其中一个实施例中，步骤(b)中，在紫外光照射下，光电子最大出射动能在ev量级。

18、在其中一个实施例中，检验质量的总光电流等于从极板流向检验质量的光电流减去从检验质量流向极板的光电流，计算公式为：

19、

20、式中，n表示惯性传感器中极板的总数；bitm表示单位时间内从检验质量i表面出射的总光电子数，bieh表示单位时间内从极板i表面出射的总光电子数；表示单位时间内从检验质量i表面出射的总光电子数分流到相对的极板j表面的概率，表示单位时间内从极板i表面出射的总光电子数分流到相对的检验质量j表面的概率；ftm(vi)表示从检验质量i表面产生的光电子能够克服检验质量i表面与相对的极板j表面之间电势差vi迁移到j表面的概率，feh(vi)表示从极板i表面产生的光电子能够克服极板i表面与相对的检验质量j表面之间电势差vi迁移到j表面的概率。

21、在其中一个实施例中，步骤(b)中，当惯性传感器处于正饱和态时，ftm(vi)全部为1，feh(vi)全部为0；当惯性传感器处于零点态时，ftm(vi)全部为1，待测极板i的光电子迁移几率feh(vi)为1，其它极板的光电子迁移几率为0。

技术特征：

1.一种惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，所述光电流模型的方程为：

3.根据权利要求2所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，步骤(a)中，所述光学特性包括惯性传感器内表面各划分区域对紫外光的吸收率和反射率、及反射紫外光部分漫反射和镜面反射的比率。

4.根据权利要求2所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，步骤(a)中，惯性传感器内表面各划分区域的光电子出射数量：

5.根据权利要求2所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，步骤(b)中，在紫外光照射下，光电子最大出射动能在ev量级。

6.根据权利要求2所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，检验质量的总光电流等于从极板流向检验质量的光电流减去从检验质量流向极板的光电流，计算公式为：

7.根据权利要求5所述的惯性传感器光电流模型的构建方法，其特征在于，步骤(b)中，当惯性传感器处于正饱和态时，ftm(vi)全部为1，feh(vi)全部为0；当惯性传感器处于零点态时，ftm(vi)全部为1，待测极板i的光电子迁移几率feh(vi)为1，其它极板的光电子迁移几率为0。

技术总结
本发明公开了一种惯性传感器光电流模型的构建方法，包括：基于金属表面光电流一般方程和惯性传感器几何结构建立光电流模型；对光电流模型的参数进行分别标定：根据光学特性，得到惯性传感器内表面各划分区域的光电子出射数量；调控各极板电势和检验质量之间电势差使极板和检验质量之间处于饱和态和零点态，并分别测量这两种模式组合下的光电流，根据两种模式组合下的光电流，得到所有极板和检验质量之间的分流概率；测量从负饱和态电势到正饱和态电势之间的检验质量的光电流，从光电流模型方程中反解出惯性传感器光电子迁移几率。本发明能精确地给出惯性传感器中各极板电势对检验质量放电性能的影响，辅助设计电荷管理系统放电策略。

技术研发人员：洪葳,李青青,白彦峥,李泓钢,陈冰雪,褚良宇,张灯,赵梦浩,周泽兵
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12