本發(fā)明屬于航天器空間環(huán)境探測技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，本發(fā)明涉及一種基于電光調(diào)制的旋葉式表面電位測量裝置。

背景技術(shù)：

運行于太空中的衛(wèi)星由于等離子體中的孤立體效應(yīng)，導(dǎo)致衛(wèi)星表面的電位與衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)體以及周遭環(huán)境電位不一致，造成衛(wèi)星表面充電。當衛(wèi)星表面充電后，可以影響到衛(wèi)星搭載科學探測設(shè)備的測量，甚至發(fā)生放電現(xiàn)象。對衛(wèi)星表面充電的高精度監(jiān)測有助于進一步了解太空環(huán)境對衛(wèi)星造成的影響，并進一步改善衛(wèi)星對太空環(huán)境的避防措施。另一方面，在探月任務(wù)中，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，對設(shè)備的各項功能造成嚴重的影響。因此，為保證各種設(shè)備在登月后的安全使用，在進行登月探測之前，必須對月面各種危害因素進行論證及月球環(huán)境進行模擬試驗，其中一項較重要的試驗項目為月塵表面靜電電位的測量，研究月塵的帶電性質(zhì)具有十分重要的工程價值。

測量物體表面電位的儀器通常分為接觸式和非接觸式兩種，由于接觸式儀器在與被測物體接觸時會使帶電物體靜電放電，而使電荷量減少或使帶電物體的電容增加，這兩個因素都使物體的表面電位降低，因而測出的結(jié)果與物體真實帶電情況相差較大，所以在測量許多物體的表面電位時更常用的方法是用非接觸式測量方法。旋葉式靜電計屬于常用非接觸式測量裝置，測試探頭部位有一個多等分的扇形旋轉(zhuǎn)葉片，將固定葉片上的感應(yīng)直流信號變?yōu)榻涣餍盘枴?/p>

對于表面電位的測量，由于測量過程易受到外界條件影響，因而測量極易出現(xiàn)誤差。在對被測位置進行電位測量時，測量讀數(shù)隨時間以指數(shù)規(guī)律衰減，因此要求測量裝置具有很高的輸入阻抗，以減小測試誤差。

此外，上述測量方法其探頭部分以及輸出設(shè)備組成的信號傳輸通路可能成為發(fā)射源，從而對被測區(qū)域電位產(chǎn)生干擾，同時空間電場在這些設(shè)備會產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，將導(dǎo)致測量結(jié)果嚴重偏離真實值。采用電光調(diào)制技術(shù)可以有效地使探頭部分與信號處理單元進行光電隔離，同時電光晶體具有極高的輸入阻抗，因此將旋葉式探頭與電光調(diào)制器相結(jié)合而成的表面電位測量裝置可以實現(xiàn)表面電位的高穩(wěn)定度、高精度測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對表面電位測量中存在的問題，本發(fā)明提出一種基于電光調(diào)制的旋葉式表面電位測量裝置，將電光調(diào)制技術(shù)與旋葉式探頭相結(jié)合，可以實現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定度和高精度的空間電場測量能力。

基于電光調(diào)制的旋葉式表面電位測量裝置，包括激光器、光纖、電光調(diào)制器、電極、光電探測器、信號顯示輸出裝置、電機、固定葉片、旋轉(zhuǎn)葉片，其中，用于產(chǎn)生激光的激光器通過光纖傳輸給電光調(diào)制器，經(jīng)其調(diào)制后由光纖傳輸至光電探測器并轉(zhuǎn)換為電信號，最終通過信號顯示輸出裝置將電信號進行輸出觀測，并通過計算最終獲得被測物體表面的電位值；其中，電光調(diào)制器的一對電極分別與旋葉式測試探頭相連，測試探頭上具有兩個金屬葉片即固定葉片和旋轉(zhuǎn)葉片，其中旋轉(zhuǎn)葉片為多等份的扇形旋轉(zhuǎn)金屬葉片，將固定葉片上的感應(yīng)直流信號變?yōu)榻涣餍盘?，旋轉(zhuǎn)葉片上有開孔并固定在微型電動機上，由其帶動做旋轉(zhuǎn)運動；固定葉片與旋轉(zhuǎn)葉片互補，呈現(xiàn)出整圓的等份葉片，固定安裝在電機前并與電光調(diào)制器的輸入端相連，旋轉(zhuǎn)葉片與電機以及電光調(diào)制器的輸出端接地，當對被測表面進行電位測量時，在被測帶電體的作用下，當接地旋轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)時，周期性地遮蓋或打開固定葉片，使固定葉片感應(yīng)出持續(xù)的交流信號。

其中，固定葉片固定于電動機和旋轉(zhuǎn)葉片之間，隨著旋轉(zhuǎn)葉片周期性的遮擋和打開，所測量到的被測表面電壓進行周期性變化，最終得到交流信號。

其中，旋轉(zhuǎn)葉片和固定葉片具有四等分的扇形葉片結(jié)構(gòu)。

其中，探頭上的電壓變化，加載在電光調(diào)制器信號電極上的電壓發(fā)生變化，同時電光調(diào)制器中的電光晶體的折射率隨之改變，導(dǎo)致激光器輸出的光在經(jīng)過電光調(diào)制器時產(chǎn)生相位延遲。

其中，隨著電光調(diào)制器內(nèi)兩個臂的光會聚發(fā)生干涉，其相位的改變將導(dǎo)致光的振幅變化，實現(xiàn)對光強的調(diào)制。

其中，電光調(diào)制器為波導(dǎo)型電光調(diào)制器，將交流信號加載到波導(dǎo)型電光調(diào)制器上，對經(jīng)過電光調(diào)制器的激光進行調(diào)制，然后再經(jīng)光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理后即可得到測量值。

其中，電光調(diào)制器為mach-zehnder(m-z)型集成光波導(dǎo)電光強度調(diào)制器。

本發(fā)明中的電光調(diào)制器具有輸入阻抗高，響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點，且不會對被測區(qū)域的電場產(chǎn)生干擾。本發(fā)明采用mach-zehnder(m-z)型集成光波導(dǎo)電光強度調(diào)制器，具有調(diào)制效率高、溫度穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點。因此將旋葉式探頭與電光調(diào)制器的信號電極相連，將旋葉式測量方法與集成光波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，最終實現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定度和高精度的表面電位測量。

本發(fā)明的基于電光調(diào)制的旋葉式表面電位測量裝置，將電光調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于表面電位測量中，具有以下優(yōu)點：(1)由于電光晶體具有極高的輸入阻抗(>1gω)，所以測量讀數(shù)隨時間的衰減較慢，測量穩(wěn)定度高，可以有效減小測試誤差；(2)由于電光晶體的光電隔離效果，探頭部分以及輸出設(shè)備對被測位置的電位也不會造成影響，同時空間電場也不會對信號輸出設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾；(3)電光調(diào)制器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的特點，本發(fā)明中所選用的m-z型集成光波導(dǎo)型電光強度調(diào)制器還具有調(diào)制效率高、溫度穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點，因此基于電光調(diào)制技術(shù)結(jié)合旋葉式探頭可以實現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定性的表面電位測量能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于電光調(diào)制的旋葉式表面電位測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-激光器，2-光纖，3-電光調(diào)制器，4-電極，5-光電探測器，6-信號顯示輸出裝置，7-電機，8-固定葉片，9-旋轉(zhuǎn)葉片，10-被測表面。

具體實施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的具體實施方式，下面通過具體實施方式對本發(fā)明的所述內(nèi)容作進一步的闡明。當然，描述下列具體實施方式只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。

參見圖1，圖1顯示了基于電光調(diào)制的旋葉式表面電位測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，本發(fā)明的基于電光調(diào)制的旋葉式表面電位測量裝置，包括激光器1、光纖2、電光調(diào)制器3、電極4、光電探測器5、信號顯示輸出裝置6、電機7、固定葉片8、旋轉(zhuǎn)葉片9，固定葉片8固定于電動機7和旋轉(zhuǎn)葉片9之間，旋轉(zhuǎn)葉片和固定葉片具有四等分的扇形葉片結(jié)構(gòu)，隨著旋轉(zhuǎn)葉片9周期性的遮擋和打開，所測量到的被測表面10的電壓進行周期性變化，最終得到交流信號。其中，用于產(chǎn)生激光的激光器1通過光纖2傳輸給電光調(diào)制器3，經(jīng)其調(diào)制后由光纖2傳輸至光電探測器5并轉(zhuǎn)換為電信號，最終通過信號顯示輸出裝置6將電信號進行輸出觀測，并通過計算最終獲得被測物體10表面的電位值；其中，電光調(diào)制器3的一對電極分別與旋葉式測試探頭相連，測試探頭上具有兩個金屬葉片即固定葉片8和旋轉(zhuǎn)葉片9，其中旋轉(zhuǎn)葉片9為4等份的扇形旋轉(zhuǎn)葉片，將固定葉片8上的感應(yīng)直流信號變?yōu)榻涣餍盘?，旋轉(zhuǎn)葉片9上有開孔并固定在微型電動機7上，由其帶動做旋轉(zhuǎn)運動；固定葉片8與旋轉(zhuǎn)葉片9互補，呈現(xiàn)出整圓的等份葉片，固定安裝在電機7前并與電光調(diào)制器3的輸入端相連，旋轉(zhuǎn)葉片9與電機7以及電光調(diào)制器3的輸出端接地，當對被測表面進行電位測量時，在被測帶電體的作用下，當接地旋轉(zhuǎn)葉片9旋轉(zhuǎn)時，周期性地遮蓋或打開固定葉片，使固定葉片8感應(yīng)出持續(xù)的交流信號。

在具體的實施方式中，探頭上的電壓變化，加載在電光調(diào)制器3信號電極上的電壓發(fā)生變化，同時電光調(diào)制器3中的電光晶體的折射率隨之改變，導(dǎo)致激光器輸出的光在經(jīng)過電光調(diào)制器3中的兩個臂時，分別產(chǎn)生了大小相同符號相反的相位延遲。隨著兩個臂的光會聚發(fā)生干涉，其相位的改變將導(dǎo)致光的振幅變化，實現(xiàn)對光強的調(diào)制。

測量系統(tǒng)通過探頭來感知被測物表面的電位，探頭部分采用旋葉式設(shè)計，屬于非接觸式測量。電光調(diào)制器(3)的一對電極(4)與旋葉式探頭相連。電光調(diào)制器選取集成光波導(dǎo)強度調(diào)制器例如mach-zehnder(m-z)型集成光波導(dǎo)電光強度調(diào)制器，被檢測信號對光強的調(diào)制不受自然雙折射產(chǎn)生的位相延遲的影響，因此其具有良好的溫度特性。同時，由于檢測的地電極與接收電路的地相隔離，基于電光調(diào)制器的表面電位檢測可以實現(xiàn)低噪聲、抗干擾測量。

盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式給予了詳細描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以依據(jù)本發(fā)明的精神對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用在未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。