專利名稱：一種監(jiān)測航天器表面電位振動電容式傳感器的布置與優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測航天器表面電位振動電容式傳感器的布置與優(yōu)化方法，屬于抗輻射加固技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
地磁亞暴的高能電子給絕緣航天器表面充電直至電擊穿，放電產(chǎn)生的大電流會降低熱控表面的性能，引起表面污染，感應(yīng)電壓脈沖進入電路系統(tǒng)。地球同步軌道衛(wèi)星電路系統(tǒng)異常包括元器件無命令電子開關(guān)到整個系統(tǒng)的失敗都歸因于航天器充電。采用振蕩電容式靜電場感應(yīng)探針測量航天器表面充電電位，探測的是微弱信號，要實現(xiàn)足夠精度和分辨率，需要一個輸出很大( 20kV)的伺服放大器，這受到載荷質(zhì)量和功率的限制，是不可行的。航天器上搭載過的表面電位監(jiān)測器，采用輸入電極與被測介質(zhì)接觸的傳感器都會改變該感應(yīng)電極所收集電子、離子的電荷量，使測量不準確。而振動電容式靜電計具有不改變被測表面電位分布的特點，但是用于航天器表面充電電位測量的靜電計，由于要求低功耗、輕重量，使許多靜電計的使用受到限制，因此需要專用的航天器表面電位傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種監(jiān)測航天器表面電位振動電容式傳感器的布置與優(yōu)化方法，所述方法有效地降低設(shè)計成本，采用所述方法設(shè)計的振動電容式表面電位監(jiān)測傳感器，克服了以往表面電位監(jiān)測過程會影響到介質(zhì)充電電荷量的缺點，同時降低了傳感器的質(zhì)量和功耗，便于空間搭載實時監(jiān)測航天器表面充電電位。本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實現(xiàn)—種監(jiān)測航天器表面電位振動電容式傳感器的布置與優(yōu)化方法，所述方法步驟如下( I)傳感器的幾何結(jié)構(gòu)布置所述傳感器包括電荷收集板、接地殼體、補償電極、接地電極、感應(yīng)電極和絕緣材料；其中，所述接地殼體為底端封閉、上端中心開孔的圓柱狀殼體；補償電極和接地電極均為中心開孔的圓形電極，補償電極和接地電極的外徑與接地殼體的圓柱體內(nèi)徑相配合；感應(yīng)電極為圓形電極；絕緣材料為環(huán)形，內(nèi)徑大于接地殼體中間開孔直徑；接地殼體內(nèi)部由上往下依次布置補償電極、接地電極和感應(yīng)電極；圓形電荷收集板置于接地殼體上方，且通過絕緣材料與接地殼體電隔離；所述傳感器為軸對稱結(jié)構(gòu)；所述電荷收集板為無限薄的航天器表面常用的介質(zhì)材料； 所述接地殼體材料為厚0. 2mm的鋁；所述傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下接地殼體的直徑為D1、高為h ;接地殼體上端開孔的孔徑為D2，與電荷收集板的距離為Cl1 ;補償電極的孔徑為D3，與電荷收集板的距離為d2 ;接地電極的孔徑為D4，與電荷收集板的距離為d3 ;感應(yīng)電極的直徑為D4 ;電荷收集板的直徑為D1 ;其中，D2 < D3 < D4 ；(2)建立計算模型以電荷收集板中心為原點，以傳感器中心軸線為Z軸，建立柱坐標系；傳感器內(nèi)部
電位滿足電位拉普拉斯方程，由于傳感器采用軸對稱結(jié)構(gòu)，所以方程形式為
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)測航天器表面電位振動電容式傳感器的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述傳感器包括電荷收集板(1-1)、接地殼體(1-2)、補償電極(1-3)、接地電極(1-4)、感應(yīng)電極 (1-5)和絕緣材料(1-6 );其中，所述接地殼體(1-2 )為底端封閉、上端中心開孔的圓柱狀殼體；補償電極(1-3)和接地電極(1-4)均為中心開孔的圓形電極，補償電極(1-3)和接地電極(1-4)的外徑與接地殼體(1-2)的圓柱體內(nèi)徑相配合；感應(yīng)電極(1-5)為圓形電極；絕緣材料(1-6)為環(huán)形，內(nèi)徑大于接地殼體(1-2)中間開孔直徑；接地殼體(1-2)內(nèi)部由上往下依次布置補償電極(1-3)、接地電極(1-4)和感應(yīng)電極(1-5);圓形電荷收集板(1-1)置于接地殼體(1-2)上方，且通過絕緣材料(1-6)與接地殼體(1-2)電隔離；所述傳感器為軸對稱結(jié)構(gòu)；所述傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下接地殼體(1-2)的直徑為D1、高為h ;接地殼體(1-2)上端開孔的孔徑為D2，與電荷收集板(1-1)的距離為Cl1 ;補償電極(1-3)的孔徑為D3，與電荷收集板(1-1)的距離為d2 ;接地電極(1-4)的孔徑為D4，與電荷收集板(1-1)的距離為d3 ;感應(yīng)電極(1-5)的直徑為D4 ;電荷收集板(1-1)的直徑為D1 ;其中，D2 < D3 < D4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種監(jiān)測航天器表面電位振動電容式傳感器的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電荷收集板(1-1)為無限薄的航天器表面常用的介質(zhì)材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種監(jiān)測航天器表面電位振動電容式傳感器的布局結(jié)構(gòu)，其特征在于所述接地殼體(1-2)材料為厚O. 2mm的鋁。
4.一種如權(quán)利要求1所述監(jiān)測航天器表面電位振動電容式傳感器的優(yōu)化方法，其特征在于以電荷收集板(1-1)中心為原點，以傳感器中心軸線為Z軸，建立柱坐標系；傳感器內(nèi)部電位滿足電位拉普拉斯方程，由于傳感器采用軸對稱結(jié)構(gòu)，所以方程形式為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種監(jiān)測航天器表面電位振動電容式傳感器的布置與優(yōu)化方法，屬于抗輻射加固技術(shù)領(lǐng)域。所述方法步驟如下(1)傳感器的幾何結(jié)構(gòu)布置，所述傳感器包括電荷收集板、接地殼體、補償電極、接地電極、感應(yīng)電極和絕緣材料；(2)建立計算模型；(3)通過仿真計算選取傳感器的幾何參數(shù)，實現(xiàn)利用+10V電壓調(diào)制-2000V電壓。所述方法有效地降低設(shè)計成本，采用所述方法設(shè)計的振動電容式表面電位監(jiān)測傳感器，克服了以往表面電位監(jiān)測過程會影響到介質(zhì)充電電荷量的缺點，同時降低了傳感器的質(zhì)量和功耗，便于空間搭載實時監(jiān)測航天器表面充電電位。
文檔編號G01R15/16GK103018518SQ201210491979
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者石紅, 楊生勝, 王鹢, 薛玉雄, 田立成, 顏則東, 馬亞莉, 楊青, 安恒, 莊建宏 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所