非接觸式表面電位探針設(shè)計(jì)與研制概述

程炳鈞，王 斌，周 斌，丁松鶴

（1.中國科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

月球表面積聚著厚重的月塵，其受太陽及宇宙射線等的照射而呈帶電狀態(tài)，很容易被吸附到探月儀器設(shè)備中，對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)功能造成嚴(yán)重影響。如月塵靜電放電可形成瞬時(shí)大電流，并伴隨著強(qiáng)電磁輻射，對(duì)電子設(shè)備造成嚴(yán)重的干擾和損害。因此為保證各種設(shè)備在登月后的安全使用[1-2]，在進(jìn)行登月探測(cè)之前，必須對(duì)月面各種危害因素進(jìn)行論證及月球環(huán)境模擬試驗(yàn)，其中一項(xiàng)較重要的試驗(yàn)項(xiàng)目為月塵表面靜電電位的測(cè)量。

靜電電位測(cè)量的方法[3]主要分為接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量兩種。接觸式測(cè)量需要將被測(cè)帶電體直接與測(cè)量電極相連，測(cè)量結(jié)果易受輸入電容、阻抗的影響。一般情況下，采用接觸式測(cè)量會(huì)影響被測(cè)帶電體的帶電情況，測(cè)量讀數(shù)會(huì)隨時(shí)間呈指數(shù)衰減；當(dāng)被測(cè)靜電電壓超出測(cè)量儀器最大量程時(shí)，采用接觸式測(cè)量還有可能損壞測(cè)量儀器；而且，在空間環(huán)境中其測(cè)量結(jié)果會(huì)受帶電粒子的影響。測(cè)量精度較低。因此，目前普遍采用非接觸式測(cè)量方法進(jìn)行靜電電位的測(cè)量。

非接觸式測(cè)量又可分為感應(yīng)式與振動(dòng)電容式兩種。國外靜電電位測(cè)量系統(tǒng)多采用振動(dòng)電容式，即利用機(jī)械振動(dòng)的方法引起感應(yīng)電極與被測(cè)表面間的電容變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，再通過對(duì)感應(yīng)電流 的測(cè)量計(jì)算得出被測(cè)表面的靜電電位。使用該方法時(shí)，測(cè)量儀器無需與被測(cè)帶電體接觸，工作可靠性提高，且測(cè)量過程中受空間環(huán)境因素影響較小。

國內(nèi)靜電電位測(cè)量系統(tǒng)主要是感應(yīng)式，即利用探頭與帶電體之間的電容直接感應(yīng)，對(duì)產(chǎn)生的感應(yīng)電流進(jìn)行放大及數(shù)據(jù)處理。使用該測(cè)量方法時(shí)，在探測(cè)前須遠(yuǎn)離帶電體對(duì)儀器進(jìn)行清零，且探測(cè)中隨著感應(yīng)電極中電流的變化，輸出結(jié)果將趨近于零，無法實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的探測(cè)，因而不能有效應(yīng)用于空間環(huán)境中的靜電電位測(cè)量。

鑒于以上情況，國內(nèi)目前也已開展振動(dòng)電容式靜電電位測(cè)量裝置的研制，但成熟產(chǎn)品較少，專門針對(duì)空間環(huán)境應(yīng)用的則更為缺乏。本文根據(jù)地面環(huán)境模擬試驗(yàn)的需要，應(yīng)用Kelvin 振動(dòng)電容原理[4]設(shè)計(jì)研制了一種可測(cè)量帶電體表面靜電電位的非接觸式表面電位探針。

1 表面電位探針設(shè)計(jì)原理

表面電位探針主要應(yīng)用振動(dòng)電容法原理[4-6]，如圖1所示。設(shè)置一個(gè)與被測(cè)介質(zhì)表面平行的振動(dòng)電極，并作垂直于被測(cè)表面的正弦振動(dòng)，則振動(dòng)電極與被測(cè)介質(zhì)表面間的距離為

式中：D0為當(dāng)振動(dòng)電極靜止時(shí)與被測(cè)表面間的初始距離，m；D1為振動(dòng)的振幅，m；ω為振動(dòng)的角頻率，rad/s，ω=2πf。

圖1 振動(dòng)電容法原理Fig.1 Principle of the vibration capacitor method當(dāng)振動(dòng)電極（感應(yīng)電極）振動(dòng)時(shí)，它與被測(cè)表面之間形成的電容隨振動(dòng)而變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流

式中：U為待測(cè)表面電位；ε為介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；A為振動(dòng)電極的感應(yīng)面積。

因此，當(dāng)振動(dòng)電極的初始距離、感應(yīng)面積等相關(guān)參數(shù)確定后，通過對(duì)感應(yīng)電流信號(hào)的測(cè)量，即可計(jì)算得到被測(cè)表面的電位。

根據(jù)儀器設(shè)計(jì)，電極的振動(dòng)頻率為30 Hz，當(dāng)測(cè)量電壓為4 000 V 時(shí)，對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流約為32 nA，這對(duì)微弱電流的放大處理及噪聲屏蔽提出了較高的要求。

2 表面電位探針總體設(shè)計(jì)方案

2.1 傳感器設(shè)計(jì)

選用壓電陶瓷片作為振動(dòng)電容法測(cè)量靜電電位的振動(dòng)機(jī)構(gòu)，并在陶瓷片末端粘貼金屬材料形成感應(yīng)電極。壓電陶瓷的形變量與振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓成正比，因此在對(duì)壓電陶瓷片進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓來控制振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振幅，以滿足測(cè)量的需求。壓電陶瓷振動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.2 Sketch of the piezoelectric ceramic flake

壓電陶瓷片的優(yōu)點(diǎn)是易驅(qū)動(dòng)、振幅大、低頻驅(qū) 動(dòng)、振動(dòng)噪聲小且壽命長；缺點(diǎn)是振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓貫穿在整個(gè)陶瓷片上，會(huì)在感應(yīng)電極上產(chǎn)生附加感應(yīng)電流，影響測(cè)量結(jié)果。具體說來，振動(dòng)端工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓作用在整個(gè)陶瓷貼片上，如將感應(yīng)電極直接粘貼在陶瓷片上，則感應(yīng)電極與陶瓷片之間也會(huì)形成一個(gè)電容，并隨驅(qū)動(dòng)電壓的正弦變化在感應(yīng)電極內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，影響測(cè)量結(jié)果。

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)中對(duì)陶瓷貼片整體進(jìn)行絕緣處理，并在絕緣層外加覆導(dǎo)電涂層接地，形成屏蔽層對(duì)整個(gè)陶瓷振動(dòng)片進(jìn)行屏蔽，可極大削弱驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電流對(duì)外界的輻射。感應(yīng)電極通過另外一層絕緣層隔離后固定在振動(dòng)片上。振動(dòng)機(jī)構(gòu)中壓電陶瓷感應(yīng)電極的剖面如圖3所示。

圖3 感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 The cross section of the induction electrode

屏蔽效果可通過試驗(yàn)來驗(yàn)證。采用示波器對(duì)經(jīng)過一級(jí)放大后的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，取30 Hz 頻率點(diǎn)的信號(hào)值進(jìn)行分析，則感應(yīng)電極在屏蔽前與屏蔽后對(duì)同一被測(cè)電壓的感應(yīng)信號(hào)對(duì)比如圖4所示。

圖4 感應(yīng)電極屏蔽效果對(duì)比Fig.4 Effect of shield for the induction electrode

試驗(yàn)中被測(cè)電壓設(shè)定為100 V，理論計(jì)算經(jīng)一級(jí)放大后30 Hz 點(diǎn)頻譜分析結(jié)果應(yīng)為6 mV 左右。屏蔽前30 Hz 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)幅度約為328 mV（見圖4(a)）；經(jīng)過屏蔽處理后，由于濾除了陶瓷片驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)感應(yīng)電極的影響，30 Hz 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)幅度減小為7.48 mV 左右（見圖4(b)），接近理論計(jì)算值。試驗(yàn)證明經(jīng)過屏蔽設(shè)計(jì)的感應(yīng)電極可極大減小驅(qū)動(dòng)電源對(duì)測(cè)量結(jié)果的噪聲干擾。

傳感器探頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，由鋁合金材料做成封閉式探頭機(jī)箱，以減少外部環(huán)境對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，并在振動(dòng)陶瓷片的自由振動(dòng)端處開設(shè)一探測(cè)窗。振動(dòng)陶瓷片壓緊端通過壓緊機(jī)構(gòu)與探頭機(jī)箱固定，保證維持自由振動(dòng)端的初始高度不變。在探頭機(jī)箱四角設(shè)計(jì)絕緣墊腳安裝孔，可保證探頭結(jié)構(gòu)與被測(cè)平面之間絕緣，且可通過調(diào)節(jié)絕緣墊腳高度來改變傳感器與被測(cè)平面間的初始距離，以滿足不同探測(cè)項(xiàng)目的需求。

圖5 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Overall structure of the noncontact surface potential probe

2.2 電子學(xué)箱設(shè)計(jì)

電子學(xué)箱主要實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換供電、為振動(dòng)機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)電壓以及感應(yīng)電流的信號(hào)處理與通信控制功能，因此按供電模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理與通信控制模塊共3 個(gè)功能模塊分別設(shè)計(jì)。

1）供電模塊

供電模塊須實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電源的DC/DC 轉(zhuǎn)換及為儀器內(nèi)部供電功能。試驗(yàn)中，月球模擬艙可為探頭提供+28 V 直流電源，而電子學(xué)線路的工作電壓通常為±12 V 與+5 V。因此須對(duì)輸入電源進(jìn)行二次電源轉(zhuǎn)換，以滿足電子學(xué)線路的工作需求。

2）驅(qū)動(dòng)模塊

探頭中的振動(dòng)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)須由驅(qū)動(dòng)模塊提供正弦交變的驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)模塊先對(duì)直流電壓進(jìn)行DC/AC 轉(zhuǎn)換，輸出頻率為30 Hz 的交流信號(hào)；再由放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制后，將此交流信號(hào)通過電纜輸送至振動(dòng)機(jī)構(gòu)；振動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由振動(dòng)端在驅(qū)動(dòng)電壓作用下產(chǎn)生頻率為30 Hz 的振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電壓的大小確定振動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大振幅。

3）信號(hào)處理與通信控制模塊

信號(hào)處理與通信控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電 流信號(hào)的放大處理、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換以及與下位機(jī)之間的通信控制功能。信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)框圖如 圖6所示。

圖6 電子學(xué)箱信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Signal processing model of the electrical box

由兩級(jí)運(yùn)算放大電路組成前置放大電路，對(duì)由振動(dòng)電極感應(yīng)到的微小信號(hào)進(jìn)行前置放大處理。一級(jí)放大電路將微弱的電流信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)二級(jí)放大電路的濾波和再放大后輸出正負(fù)交變電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)的一級(jí)放大電路采用OPA128 運(yùn)算放大器，其偏置電流與漏電流均處于fA 量級(jí)，可滿足對(duì)微小電流信號(hào)放大的要求。

A/D 采樣模塊將經(jīng)過濾波放大后的交變電壓信號(hào)進(jìn)行12 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換，由數(shù)據(jù)運(yùn)算控制單元的單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和反演后得到被測(cè)介質(zhì)表面的電位值。本設(shè)計(jì)中的采樣頻率為180 Hz，是被采樣頻率的6 倍，滿足香農(nóng)采樣定理的要求，可保證數(shù)據(jù)采樣及運(yùn)算結(jié)果的可靠。

數(shù)據(jù)指令總線接口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)布以及對(duì)下位機(jī)指令的接收，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子學(xué)箱工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 對(duì)比標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為對(duì)根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案研制的電位探針進(jìn)行標(biāo)定，開展了一系列的對(duì)比標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。對(duì)比標(biāo)定平臺(tái)如圖7所示，將探針的探頭放置于導(dǎo)電極板上，用計(jì)量標(biāo)定過的高壓電源對(duì)導(dǎo)電極板加高壓，由電位探針測(cè)量導(dǎo)電極板的電位值，將探針測(cè)量值與高壓電源的實(shí)際輸出值進(jìn)行對(duì)比，得到電位探針的測(cè)量范圍、線性度及精度等技術(shù)指標(biāo)。

圖7 電位測(cè)量對(duì)比標(biāo)定平臺(tái)示意圖Fig.7 The surface potential calibration system

經(jīng)對(duì)比標(biāo)定，本電位探針的實(shí)際技術(shù)指標(biāo)如下。

1）測(cè)試電壓范圍：0～4000 V；

2）測(cè)量精度：全量程范圍內(nèi)不大于5%，1000 V以上優(yōu)于2%；

3）數(shù)據(jù)輸出速率：1 Hz；

4）工作真空度要求：優(yōu)于10-3Pa；

5）工作溫度范圍：-100～+100 ℃。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)研制的非接觸式表面電位探針利用Kelvin 振動(dòng)電容法原理，將靜電電位的測(cè)量轉(zhuǎn)化為電流的測(cè)量。目前已完成樣機(jī)的研制，通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)比標(biāo)定測(cè)試表明，其工作穩(wěn)定，全量程范圍內(nèi)具有良好的線性度。

該非接觸式表面電位探針除應(yīng)用于空間環(huán)境仿真試驗(yàn)平臺(tái)的靜電探測(cè)外，還可應(yīng)用于衛(wèi)星平臺(tái)的表面充電電位監(jiān)測(cè)[7]，對(duì)高水平充電進(jìn)行預(yù)警，以便及時(shí)啟動(dòng)主被動(dòng)防護(hù)措施，避免衛(wèi)星在軌發(fā)生充放電故障。

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