阅读说明：本技术 一种空间环境微弱电荷测量系统 (Space environment weak charge measuring system ) 是由 刘庆海 王俊峰 唐振宇 葛丽丽 李�昊 彭毓川 彭忠 李涛 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种空间环境微弱电荷测量系统,包括：电荷采集前端模块,电荷采集前端模块包括探头,探头收集空间环境中的微弱电荷,电荷采集前端模块用于对探头收集的空间环境微弱电荷进行分电荷；电荷采集前端模块的输出端连接高速电荷/电压转换模块的输入端。采用该空间环境微弱电荷测量系统,测量空间环境中的微弱电荷量精准。(The application discloses weak charge measurement system of space environment includes: the charge collection front-end module comprises a probe, the probe collects weak charges in a space environment, and the charge collection front-end module is used for dividing the weak charges in the space environment collected by the probe; the output end of the charge collection front-end module is connected with the input end of the high-speed charge/voltage conversion module. By adopting the space environment weak charge measuring system, the measurement of the weak charge quantity in the space environment is accurate.)

一种空间环境微弱电荷测量系统

技术领域

本发明一般涉及电荷测量技术领域，具体涉及空间环境微弱电荷测量系统。

背景技术

获取空间等离子环境下材料的表面带电情况，探测数据可以用于辅助卫星在轨故障判别、在轨管理等；积累的探测数据可用于为表面带电风险分析及告警提供技术手段。

例如通过特定的表面材料设计的表面电位探头的具体的任务目标是获得轨道卫星的典型材料不等量带电表面电位，结合等离子体环境数据分析环境影响关联性可以用于构建风险预警模型。

现有技术中，测量探头电荷时精确度低。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种空间环境微弱电荷测量系统。

本发明提供了一种空间环境微弱电荷测量系统，包括：

电荷采集前端模块，电荷采集前端模块包括探头，探头收集空间环境中的微弱电荷，电荷采集前端模块用于对探头收集的空间环境微弱电荷进行分电荷；

电荷采集前端模块的输出端连接高速电荷/电压转换模块的输入端。

在其中一个实施例中，电荷采集前端模块还包括：固定电容器，固定电容器的一端接地，固定电容器的另一端与探头连接。

在其中一个实施例中，固定电容器采用有机薄膜介质固定电容器。

在其中一个实施例中，高速电荷/电压转换模块包括：运算放大器，运算放大器的正端接地，运算放大器的负端与电荷采集前端模块的输出端连接，运算放大器的负端与运算放大器的输出端之间连接反馈回路，反馈回路与运算放大器构成积分电路，积分电路将电荷采集前端模块输入的电荷转化为电压。

在其中一个实施例中，反馈回路包括第一电阻、第二电阻、第一电压、第二电压，第一电阻与第一电压并联的一端与运算放大器的负端连接，第一电阻与第一电压并联的另一端与第二电阻的一端、第二电压的一端均连接，第二电阻的另一端与运算放大器的输出端连接，第二电压的另一端接地。

在其中一个实施例中，高速电荷/电压转换模块的输入阻抗为高输入阻抗。

在其中一个实施例中，高速电荷/电压转换模块的输入阻抗不小于10¹⁵欧。

在其中一个实施例中，电荷采集前端模块和高速电荷/电压转换模块印刷于印刷电路板上。

在其中一个实施例中，印刷电路板采用高绝缘阻抗的印刷电路板。

在其中一个实施例中，印刷电路板封装与金属罩内。

本申请提供的空间环境微弱电荷测量系统中，采用电荷采集前端模块和高速电荷/电压转换模块构成空间环境微弱电荷测量系统，测量空间环境中的微弱电荷量精准。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的实施例提供的空间环境微弱电荷测量系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的电荷采集前端模块的示意图；

图3为本发明的实施例提供的高速电荷/电压转换模块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照图1，其示出了根据本申请一个实施例描述的一种空间环境微弱电荷测量系统的结构示意图。

如图1所示，一种空间环境微弱电荷测量系统100，可以包括：

电荷采集前端模块110，如图2所示，电荷采集前端模块110包括探头C₁，探头C₁收集空间环境中的微弱电荷，电荷采集前端模块110用于对探头C₁收集的空间环境微弱电荷进行分电荷；

电荷采集前端模块110的输出端连接高速电荷/电压转换模块120的输入端。

具体的，为了减少电场畸变及尖角放电，探头材料可以采用圆形薄片的形状，背面镀金做感应电机连接芯线引出，探头材料的表层及背面电极构成了等效电容C₁。

探头C₁采用30mm直径，厚1mm的尺寸的玻璃盖片。考虑到实际探头使用情况是表面带电效应，因此可以近似考虑为低频或直流，因此可以选择实测材料的介电常数ε_r，因此，探头C₁面积S＝πr²＝706.8mm²。按最大情况估计的探头电容量C_s为：

探头C₁放置于空间环境中收集空间环境中的微弱电荷，电荷采集前端模块110对探头收集到的空间环境微弱电荷进行分电荷，然后将经过分电荷之后的电荷输出至高速电荷/电压转换模块，高速电荷/电压转换模块120将输入的电荷转换为电压，得到的电压根据探头的电容转换为电荷值，即得到空间环境的微弱电荷量。

本实施例中，采用电荷采集前端模块和高速电荷/电压转换模块构成空间环境微弱电荷测量系统，测量空间环境中的微弱电荷量精准。得到精准的探头电荷量，能够有效评估、降低航天器材料性能下降及损坏的危险，免除航天器内电子设备受到干扰。

在一个实施例中，继续参照图2，电荷采集前端模块110还包括：固定电容器C₂，固定电容器C₂的一端接地，固定电容器C₂的另一端与探头C₁的一端连接，探头C₁的另一端悬空收集空间环境中的微弱电荷，固定电容器与第三电阻R并联。

可选的，固定电容器C₂可以采用有机薄膜介质固定电容器，其具有较小的漏电流。

在选择固定电容器C₂时，应该尽量减小固定电容器的温度系数；在设计电荷采集前端模块的过程中，尽量保证固定电容器的温度变化尽量与表面介质材料(外表面)一致，根据上述计算分析，可选择有机薄膜介质固定电容器CL21 CAST C CL21-630V-0.047μF-J(轴向)，其尺寸为Φ9mm×20mm，实际电容C₂两端电压<10V，满足安全要求。工作温度范围：-55℃～100℃，额定温度85℃，当固定电容器按规定进行正负极限温度时的电性能试验时，固定电容器电容器在-55℃、100℃时的容量与温度为25±2℃时的容量比较，其变化不大于±10％，温度冲击试验后，固定电容器电容器变化不大于±5％。

在一个实施例中，如图3所示，高速电荷/电压转换模块120包括：运算放大器，运算放大器的正端接地，运算放大器的负端与电荷采集前端模块110的输出端连接，运算放大器的负端与运算放大器的输出端之间连接反馈回路，反馈回路与运算放大器构成积分电路，积分电路将电荷采集前端模块110输入的电荷转化为电压。

具体的，运算放大器的供电电源为+12v和-12v，与+12v和-12v分别并联有0.1uf和0.01uf电容，其中，0.1uf和0.01uf电容是供电电源的滤波电容。

运算放大器用于保证分电荷后的电荷量能够准确的被采集，所以需要输入电阻很大，这样电荷才能被保持住。可选的，高速电荷/电压转换模块的输入阻抗为高输入阻抗。可选的，高速电荷/电压转换模块的输入阻抗不小于10¹⁵欧。利用运算放大器能够提供足够大的输入阻抗，同时可以将电荷量转化为容易被采集的电压量。

在一个实施例中，反馈回路包括第一电阻R_f、第二电阻R₂、第一电压C_f、第二电压C₂，第一电阻R_f与第一电压C_f并联的一端与运算放大器的负端连接，第一电阻R_f与第一电压C_f并联的另一端与第二电阻R₂的一端、第二电压的C₂一端均连接，第二电阻R₂的另一端与运算放大器的输出端连接，第二电压C₂的另一端接地。

当使R₂C₂的时间常数与R_fC_f的时间常数相等，则反馈回路的响应速度和R_fC_f为0时的响应速度相等。

根据探头在空间环境中的充电电流I可知，探头在空间环境中的充电时间t_c为：

其中，Q为电荷量，S是探头面积，j_net为电流密度。

而探头放电的时间常数τ为：

τ＝RC

R为探头体电阻，C为探头的电容。

反馈回路中的时间常数T需满足T≥max(t_c,τ)。

本实施例中所提供的反馈电路能够适应探头较快的信号变化，使得测得的空间环境微弱电荷更准确。

在一个实施例中，为了保证测量精度，减少探头电荷泄放，电荷采集前端模块和高速电荷/电压转换模块印刷于印刷电路板上。可选的，印刷电路板采用高绝缘阻抗的印刷电路板。示例性的，高绝缘阻抗的印刷电路板可以采用PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)材料TU-752。

在一个实施例中，印刷电路板封装与金属罩内，可以屏蔽干扰噪声和空间等离子体。

上述实施例中，可以采用刷三防漆或点GD414胶的工艺，可以保持导线和外露焊盘的绝缘性。

采用上述任一实施例所提供的空间环境微弱电荷测量系统，通过多次试验并进行实际测量，利用示波器和静电计的测量手段获取的试验数据真实准确，能够准确快捷获取空间环境下探测器的微弱电荷变化情况。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。