專利名稱：一種測量高速微粒速度和直徑的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量高速微粒速度和直徑的方法及裝置。
背景技術(shù)：
在涉及高速微粒的應(yīng)用中，往往需要精確地測量高速微粒的速度，此處所說的 高速是指速度為千米/秒(km/s)量級及該量級以上。
現(xiàn)有技術(shù)中，用于測量高速微粒速度的技術(shù)，比如公開號為CN2812008的專利 "一種前向散射激光測速裝置"中公開的技術(shù)，該技術(shù)中通過收集微粒高速飛過位 于特定距離處的照明激光產(chǎn)生散射激光來測量微粒的達到時間，從而推算出微粒的 速度。但是，該文獻公開的技術(shù)存在的不足在于散射激光的信號微弱，對信號處 理的要求高，使得儀器組成相對復(fù)雜，從而使儀器的成本高、可靠性較差。壓電測 速是另外一種常使用的測量高速微粒速度的方法，該方法通過收集高速微粒撞擊位 于特定距離處的鋼性物體時產(chǎn)生的沖擊波信號得到微粒的到達時間，然后推算出微 粒的速度，而微粒撞擊到柔性物體或液體時就無法收集到?jīng)_擊波信號，也就無法測 量微粒的到達時間和推算微粒的速度。同時，微粒撞擊壓電材料產(chǎn)生的信號具有較 長的振蕩周期，從而使得壓電測速很難分辨到達時間相離很近的撞擊信號，分辨率 較低
發(fā)明內(nèi)容
"
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服壓電測速技術(shù)中存在的分辨率較低以及無法測 量高速微粒撞擊到柔性或液體物質(zhì)時的微粒速度和散射激光測速裝置中儀器復(fù)雜、 可靠性低、成本高的不足，提供一種簡單易行，測量精度高，信噪比高，抗電磁干 擾能力強，可靠性高的用于地面實驗室和空間航天器測量高速微粒速度的裝置，并 且通過該裝置能夠在線測量和推導(dǎo)出微粒的直徑大小。
為了達到上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案-
一種測量高速微粒速度的方法，包括如下步驟
(1) 確定微粒的發(fā)出時刻和初始位置；
(2) 記錄微粒撞擊穿過位于第二位置的對電極板時產(chǎn)生的等離子體在信號檢測 裝置中產(chǎn)生脈沖信號；
(3) 確定脈沖信號產(chǎn)生的時刻為微粒運動到達第二位置的時刻；
(4) 通過初始位置、第二位置、微粒發(fā)出時刻和到達第二位置的時刻來確定微 粒的平均速度。
在上述技術(shù)方案中，進一步地，所述步驟(2)中的所述對電極板是由兩片相對
的金屬膜構(gòu)成。
在上述技術(shù)方案中，進一步地，兩片相對的金屬膜中間夾有一層絕緣膜。
一種測量高速微粒速度和直徑的方法，包括如下步驟
(1) 確定微粒的發(fā)出時刻和初始位置；
(2) 記錄微粒撞擊并穿過位于第二位置的對電極板時產(chǎn)生的等離子體在信號檢 測裝置中產(chǎn)生脈沖信號；
(3) 確定脈沖信號產(chǎn)生的時刻為微粒運動到達第二位置的時刻；
(4) 通過初始位置、第二位置、微粒發(fā)出時刻和到達第二位置的時刻來確定微 粒的平均速度。
(5) 利用脈沖信號的幅度和相應(yīng)微粒速度的大小得出微粒的直徑。 在上述技術(shù)方案中，進一步地，所述步驟(2)中的所述對電極板是由中間夾有
一層絕緣膜的兩片相對金屬膜構(gòu)成。
一種利用上述方法的測量高速微粒速度和直徑的裝置，包括一直流電源和一 作為撞擊靶的對電極板組成的回路； 一電壓檢測裝置與所述對電極板相串聯(lián)。
一種利用上述方法測量高速微粒速度和直徑的裝置，包括 一直流電源和一作
為撞擊靶的中間夾有絕緣膜的對電極板組成的回路； 一第一電阻串聯(lián)在所述回
路中， 一電壓檢測裝置與所述第一電阻并聯(lián)。
在上述技術(shù)方案中，進一步地，還包括一用于分壓的第二電阻串聯(lián)在所述回路中。
在上述技術(shù)方案中，進一步地，所述電壓檢測裝置是電壓表或示波器。 一種利用上述方法的用于測量微粒速度和直徑的裝置，包括一直流電源、 一電
流檢測裝置和一作為撞擊靶的中間夾有絕緣膜的兩金屬膜形成的對電極板組成的串
聯(lián)回路。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
1. 對電極板，其極板很薄，等離子體導(dǎo)通的時間特別短， 一般可以小于微秒， 所以得到的時間信號的精度高，從而得到的速度測量的精度高；
2. 能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量，在應(yīng)用的過程中，采用工藝上盡可能薄的對電極板，微 粒撞擊并穿過中間夾有絕緣摸的對電極板僅損失很小的能量，即微粒速度的測量對 微粒速度的影響很小，或者進一步通過其它方法能夠定量評估出微粒高速撞擊并穿 過對電極板的過程對微粒速度的影響，能夠很好的滿足高速微粒碰撞實驗的要求；
3. 本發(fā)明提取直流電路瞬時閉合/斷開產(chǎn)生的大(mA量級甚至更高)電流/電 壓脈沖信號進行速度測量，信噪比高，抗電磁干擾能力強，有效探測面積可以做的 盡可能大，探測效率高；
4. 能夠確定微粒的撞擊能量，同時獲取微粒的速度和直徑。
5. 本發(fā)明容易實施，工藝簡單，可靠性高，成本低。
6. 本發(fā)明適合地面實驗應(yīng)用，由于其結(jié)構(gòu)和輸出信號形式簡單，可靠性高，尤 其適合與空間航天器應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明進行高速微粒速度測量的原理示意圖； 圖2是本發(fā)明實施例1中的測量裝置的電路圖3是本發(fā)明一實施例中的對電極板(在本實例中實際是一三明治結(jié)構(gòu)的薄膜 構(gòu)成的中間夾有絕緣膜的對電極板，中間是一層絕緣的有機薄膜，兩邊是金屬薄膜) 的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明一實施例中的對電極板及其支架示意圖； 圖5是本發(fā)明一實施例的電路圖； 圖6是本發(fā)明另一實施例的電路圖； 圖面說明-
1——對電極板2——電壓檢測裝置 3——電源 4——電流檢測裝置 5——St點 6——耙點
7——金屬膜 8——絕緣膜 9-
10——三明治結(jié)構(gòu)的薄膜
13——螺孔
11-14-
-螺絲 -第二電阻
12-15-
-夾子 一底座 一第一電阻
16——示波器；
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述 本發(fā)明是利用高速(速度為km/s量級以上)微粒(直徑在幾十 幾百微米量級) 撞擊對電極板(即電容器)時產(chǎn)生的等離子體來瞬時導(dǎo)通電路，等離子體在很短時 間內(nèi)收集完，之后電路又成為斷路狀態(tài)，在這個過程中形成瞬時電流/電壓脈沖； 通過電壓或電流脈沖，得到微粒到達特定距離的時間信號及該脈沖的幅度信號，再 利用時間信號得到微粒速度，最后通過分析微粒的速度與信號檢測裝置上信號的幅 度(電壓檢測裝置或示波器上的電壓信號的幅度或電流檢測裝置中的電流信號的幅 度)推導(dǎo)出微粒的直徑的高速微粒速度和直徑的測量技術(shù)。
如圖1所示，本發(fā)明所采用的速度測量的基本原理是飛行時間測量方法，通過
測量微粒通過一段距離s的時間t，就可以得到微粒通過這段距離的平均速度v= ^ 。
具體如圖1所示微粒在t,時刻從S,點5開始運動，t2時刻運動到靶點6，運動 的距離為S (在測量過程中S是一個已知的固定值)，所用的時間為t，其中1=1241;
只要知道了微粒的運動距離S和與之對應(yīng)的運動時間t就可以通過v-丄求得微粒
的運動速度。微粒直徑的推導(dǎo)原理如下信號檢測裝置獲得的信號的幅度同電路導(dǎo) 通時回路中的電流的大小成正比(^oc/， A—信號檢測系統(tǒng)獲取的信號的幅度，I 一回路中電流的大小)，而回路電流的大小和微粒撞擊三明治結(jié)構(gòu)的薄膜時產(chǎn)生的等
離子體成正比，撞擊過程中產(chǎn)生的等離子體與微粒的動能也有正比關(guān)系E
一微粒的動能)，微粒的動能取決與微粒的速度和微粒的質(zhì)量(五-丄wv2， m—微
2
粒的質(zhì)量，v—微粒的速^1)，而通過前面的分析微粒的速度已經(jīng)推導(dǎo)出來了，微粒
的質(zhì)量是由微粒的密度和微粒的體積決定的(/n = p;r*(*)3，戶一微粒的密度，d
一微粒的直徑)，微粒密度可以通過微粒的材料和組成來確定，這樣就信號檢測裝置
中獲取的信號的幅度與微粒速度和微粒直徑的關(guān)系如下JocvV3，所以通過微粒
的速度和信號檢測裝置獲取的信號的幅度就可以推導(dǎo)出微粒的直徑。通常微粒發(fā)出 的時刻"和初始位置S,點是己知的，因此需要準確確定的是微粒在Sl點從tl時刻 開始運動，到達位于特定距離處的S2點的時間t2以及該微粒撞擊位于S2處的三明
治結(jié)構(gòu)的薄膜時在檢測電路中產(chǎn)生的信號幅度的大小。 實施例1
用于測量微粒速度的方法，包括(1)確定微粒的發(fā)出時刻和初始位置；(2) 利用微粒撞擊位于第二位置的中間夾有絕緣膜的對電極板表面產(chǎn)生等離子體；(3) 通過在所述中間夾有絕緣膜的對電極板上加電壓，并由極板收集等離子體來控制電 路的導(dǎo)通和中斷來確定產(chǎn)生等離子體的時刻，該時刻為微粒運動到達第二位置的時 刻；(4)通過微粒的初始位置、第二位置、發(fā)出時刻和到達第二位置的時刻來確定 微粒的平均速度。(5)通過信號檢測裝置中獲取的信號的幅度(電壓檢測裝置或示 波器上的電壓信號的幅度或電流檢測裝置中的電流信號的幅度)與微粒的速度推導(dǎo) 出微粒的直徑。
如圖2所示，利用上述方法測量微粒速度的專用裝置，包括 一直流電源3和
一對電極板1組成的回路，此處的對電極板1為三明治結(jié)構(gòu)的薄膜構(gòu)成的中間夾有
絕緣膜的對電極板，還包括第一電阻15串聯(lián)在所述回路中，電壓檢測裝置2與所述 第一電阻15并聯(lián)，還包括一用于分壓的第二電阻14串聯(lián)在所述回路中。所述電壓 檢測裝置2是示波器，上述部件均采用市場所售常規(guī)器件。
本實施例中的中間夾有絕緣體的電極板，其具體結(jié)構(gòu)是如圖3所示的三明治結(jié) 構(gòu)的薄膜，兩邊是金屬膜7，兩片金屬膜7中間是一層絕緣膜8，其中兩邊的金屬膜 7的材料為鋁膜，厚度為幾微米 幾十微米，金屬膜7的直徑為5cm;絕緣膜8的材 料為有機膜，厚度為幾微米 幾十微米，絕緣膜8完全均勻充滿兩個金屬膜7之間。 當在金屬膜7上加電壓的時候，在兩金屬膜7之間就形成了一個電場，當高速微粒 撞擊到金屬膜7上的時候就會產(chǎn)生等離子體，由于金屬膜7上加了電壓，處于斷路 狀態(tài)的電路在等離子體產(chǎn)生的瞬間就會導(dǎo)通，等離子體在很短時間內(nèi)收集完，之后 電路又成為斷路狀態(tài)，在這個過程中形成瞬時電流/電壓脈沖。
圖4所示的三明治結(jié)構(gòu)的薄膜的支架包括圓環(huán)狀的夾子9、底座12，通過圓 環(huán)狀的夾子9將圖3所示三明治結(jié)構(gòu)的薄膜固定后就形成了測量裝置中的耙，相當 于圖1中的靶點6。從兩個金屬膜7上引出電極，三明治結(jié)構(gòu)的薄膜10就構(gòu)成了測 量系統(tǒng)電路中的中間夾有絕緣膜的對電極板。
如圖2所示，直流電源的電壓為幾十伏 幾百伏，當沒有微粒撞擊三明治結(jié)構(gòu) 的薄膜時，電路是斷開的，示波器上沒有信號，當有高速微粒撞擊三明治結(jié)構(gòu)的薄
膜時，在撞擊區(qū)域?qū)a(chǎn)生等離子體，等離子體在電場的作用下，將把整個電路導(dǎo)通， 這時候示波器上將會有電壓脈沖信號，通過這個電壓脈沖信號就可以得到微粒到達 三明治結(jié)構(gòu)的薄膜的時間信號。其中，電源的電壓選擇必須合適，既要滿足當微粒 撞擊并通過三明治結(jié)構(gòu)的薄膜時電路能夠?qū)?，又要保證三明治結(jié)構(gòu)的薄膜不會被 擊穿，其中第一電阻和第二電阻的選擇必須合適，以保證電路中的電流不要過大從 而導(dǎo)致器件的損壞，這些設(shè)置可以根據(jù)具體的應(yīng)用條件進行調(diào)整，本領(lǐng)域技術(shù)人員 是可以勝任的，其中第一電阻是一個分壓電阻。
通過理論分析和實驗研究，發(fā)現(xiàn)當高速微粒撞擊本實例所采用的三明治結(jié)構(gòu)的 薄膜時產(chǎn)生的等離子體的導(dǎo)通時間很短(在微秒以內(nèi))，所以，本發(fā)明的應(yīng)用于高速 微粒速度和直徑測量時，微粒到達時間的測量精度高，從而使得速度的測量精度高。
本發(fā)明利用高速微粒撞擊物體表面時產(chǎn)生的等離子體，來導(dǎo)通原來處于斷路狀 態(tài)的電路，并且等離子體在很短時間內(nèi)被收集完，之后電路又斷開，這樣在回路中 將形成一個脈寬很小的電流/電壓脈沖信號，通過該脈沖信號得到微粒到達物體表面 的時間信號，得到了時間信號，以及微粒在這段時間內(nèi)運動的距離，利用飛行時間 法就很容易推導(dǎo)出微粒的速度，通過速度和信號檢測裝置中相應(yīng)的信號幅度還可以 推導(dǎo)出微粒的直徑。本實施例測量微粒直徑范圍為10um—1000um,微粒速度范圍 為5km/s—20km/s。
實施例2
在實施例l的情況下，如圖5所示，實施方式還可以簡化為僅包括一直流電源 3和一中間夾有絕緣膜的對電極板1組成的回路，并且電壓檢測裝置2與所述中間 夾有絕緣膜的對電極板串聯(lián)。其它同實施例1。在本實施例的情況下，當高速微粒 撞擊中間夾有絕緣膜的對電'極板時，通過電壓檢測裝置測量到電壓的變化，沒有微 粒撞擊到中間夾有絕緣膜的對電極板上時，電壓檢測裝置上的電壓為零，當有微粒 撞擊到中間夾有絕緣膜的對電極板上時，電壓檢測裝置上的電壓將升高。如果檢測 到電壓升高，則可以確定電壓升高的時刻就是微粒到達中間夾有絕緣膜的對電極板 的時刻。當然，為了保護裝置中的器件不受損壞，也可以在回路中串聯(lián)限流電阻。
實際上，本實施例中上述電壓檢測裝置2還可以與所述中間夾有絕緣膜的對電 極板并聯(lián)。這種情況下，當沒有微粒撞擊到中間夾有絕緣膜的對電極板上時，電壓 檢測裝置上的測得電壓就是電源的斷路電壓，當有微粒撞擊到膜上時，電壓檢測裝
置上的電壓將下降。如果檢測到電壓下降，則可以確定電壓下降的時刻就是微粒到 達中間夾有絕緣膜的對電極板的時刻。
實施例3
本發(fā)明還可以有另外一種具體實施例，如圖6所示，該實施例的微粒速度測量 裝置包括一直流電源3和一中間夾有絕緣膜的對電極板1組成的回路，并且包括一 電流測量裝置4與所述中間夾有絕緣膜的對電極板1串聯(lián)在回路中。其他比如中間 夾有絕緣膜的對電極板、支架等同實施例1。在本實施例的情況下，當高速微粒撞 擊中間夾有絕緣膜的對電極板時，通過電流測量裝置直接測量回路中電流的變化來 確定微粒到達中間夾有絕緣膜的對電極板的時間。沒有微粒撞擊中間夾有絕緣膜的 對電極板時，電流測量裝置檢測到電路中沒有電流，當有微粒撞擊中間夾有絕緣膜 的對電極板時，電流測量裝置檢測到電路中產(chǎn)生電流。電流測量裝置檢測到電路中 產(chǎn)生電流的時刻可以認為是微粒撞擊到中間夾有絕緣膜的對電極板的時刻。當然， 為了保護裝置中的器件不受損壞，也可以在回路中串聯(lián)限流電阻。
最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管 參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明 的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1、一種測量高速微粒速度的方法，包括如下步驟(1)確定微粒的發(fā)出時刻和初始位置；(2)記錄微粒撞擊并穿過位于第二位置的對電極板時產(chǎn)生的等離子體在信號檢測裝置中產(chǎn)生脈沖信號；(3)確定脈沖信號產(chǎn)生的時刻為微粒運動到達第二位置的時刻；(4)通過初始位置、第二位置、微粒發(fā)出時刻和到達第二位置的時刻來確定微粒的平均速度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于測量高速微粒速度和直徑的測量方法，其特征在于， 所述步驟(2)中的所述對電極板是由兩片相對的金屬膜構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述用于測量高速微粒速度和直徑的測量方法,其特征在于， 兩片相對的金屬膜中間夾有一層絕緣膜。
4、 一種測量高速微粒速度和直徑的方法，包括如下步驟(1) 確定微粒的發(fā)出時刻和初始位置；(2) 記錄微粒撞擊穿過位于第二位置的對電極板時產(chǎn)生的等離子體在信號檢測 裝置中產(chǎn)生脈沖信號；(3) 確定脈沖信號產(chǎn)生的時刻為微粒運動到達第二位置的時刻；(4) 通過初始位置、第二位置、微粒發(fā)出時刻和到達第二位置的時刻來確定微 粒的平均速度；(5) 通過脈沖信號的幅度和相應(yīng)微粒速度的大小得出微粒的直徑。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述用于測量高速微粒速度和直徑的方法，其特征在于，所 述步驟(2)中的所述對電'敘板是由中間夾有一層絕緣膜的兩片相對金屬膜構(gòu)成。
6、 一種利用權(quán)利要求4所述方法的測量高速微粒速度和直徑的裝置，包括 一直流電源和一作為撞擊靶的對電極板組成的回路； 一電壓檢測裝置與所述對電極板相串聯(lián)。
7、 一種利用權(quán)利要求4所述方法的測量高速微粒速度和直徑的裝置，包括 一直流電源和一作為撞擊靶的中間夾有絕緣膜的對電極板組成的回路； 一第一電阻串聯(lián)在所述回路中， 一電壓檢測裝置與所述第一電阻并聯(lián)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述測量高速微粒速度和直徑的裝置，其特征在于，還包括 一用于分壓的第二電阻串聯(lián)在所述回路中。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述測量高速微粒速度和直徑的裝置，其特征在于，所述電 壓檢測裝置是電壓表或示波器。
10、 一種利用權(quán)利要求4所述方法的用于測量微粒速度和直徑的裝置，包括一 直流電源、 一電流檢測裝置和一作為撞擊靶的中間夾有絕緣膜的兩金屬膜形成的對 電極板組成的串聯(lián)回路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量高速微粒速度和直徑的方法及裝置。該方法包括步驟(1)確定微粒的發(fā)出時刻和初始位置；(2)利用微粒撞擊穿過位于第二位置的對電極板時產(chǎn)生的等離子體產(chǎn)生脈沖信號；(3)確定脈沖信號產(chǎn)生的時刻為微粒運動到達第二位置的時刻；(4)通過初始位置、第二位置、微粒發(fā)出時刻和到達第二位置的時刻來確定微粒的平均速度。(5)利用脈沖信號的幅度和相應(yīng)微粒速度的大小推導(dǎo)出微粒的直徑。該裝置包括直流電源和作為撞擊靶的中間夾有絕緣膜的對電極板組成的回路；第一電阻串聯(lián)在所述回路中，電壓檢測裝置與第一電阻并聯(lián)。本發(fā)明優(yōu)點在于在線測量、測量精度高、信噪比高、抗電磁干擾能力強、探測效率高、裝置成本低。
文檔編號G01P3/66GK101165492SQ200610113799
公開日2008年4月23日 申請日期2006年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月17日
發(fā)明者全榮輝, 封國強, 張振龍, 李宏偉, 李小銀, 蔡明輝, 韓建偉, 黃建國 申請人:中國科學院空間科學與應(yīng)用研究中心