具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供了适用于朗缪尔探针的非线性微电流采集装置；

如图9所示，适用于朗缪尔探针的非线性微电流采集装置，包括：

若干个并列的朗缪尔探针；

每个朗缪尔探针的第一端布设在电离层的等离子体中；

每个朗缪尔探针的第二端均与非线性采集放大电路连接；

非线性采集放大电路还与扫描电压加载电路的输出端连接；扫描电压加载电路的输入端还与微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)连接；

非线性采集放大电路还与低通滤波电路的输入端连接；

低通滤波电路的输出端与微控制单元MCU连接；

微控制单元MCU与卫星中心机通讯接口连接。

进一步地，所述适用于朗缪尔探针的非线性微电流采集装置，工作原理包括：

微控制单元MCU的数模转换电路输出的电压，经扫描电压加载电路放大处理后施加到朗缪尔探针上，扫描电压加载电路给探针施加扫描电压；

朗缪尔探针上具有的电势吸引带电粒子撞击朗缪尔探针表面，带电粒子的撞击造成朗缪尔探针电势不均匀，引起电流流动，朗缪尔探针上的电流大小和方向反应出等离子体的物理性质；

非线性采集放大电路对对应的朗缪尔探针的电流信号进行采集，并将电流信号转换为电压信号；

非线性采集放大电路将电压信号传输给低通滤波电路进行滤波处理；

低通滤波电路将滤波处理后的信号发送给模数转换电路进行模数转换；

微控制单元MCU将模数转换电路转换后的信号发送给卫星中心机通讯接口。

进一步地，非线性采集放大电路，包括：

并联的第一对数运算电路和第二对数运算电路；

所述第一对数运算电路的输出端和第二对数运算电路的输出端均与减法比例运算电路连接；

所述第一对数运算电路的输入端与朗缪尔探针连接；

所述第二对数运算电路的输入端通过电阻与基准电压V_REF连接，产生一个标准电流。

进一步地，第一对数运算电路，具体包括：

第一运算放大器，所述第一运算放大器的反向输入端与朗缪尔探针连接；

所述第一运算放大器的正向输入端与扫描电压加载电路的输出端连接；

所述第一运算放大器的正向输入端还通过电容接地；

所述第一运算放大器的输出端与第一双极型PNP三极管的发射极连接；第一双极型PNP三极管的集电极通过电阻与第一运算放大器的反向输入端连接；第一双极型PNP三极管的基极与扫描电压加载电路连接。

所述第一运算放大器的反向输入端通过补偿电阻与基准电压V_REF连接。

基准电压：

V_REF＝V_R-V_DA，

其中，V_DA为数模转换模块的一个通道的输出电压，由MCU控制。

进一步地，第二对数运算电路，具体包括：

第二运算放大器，所述第二运算放大器的反向输入端通过串联电阻与基准电压V_REF连接；

所述第二运算放大器的正向输入端与扫描电压加载电路的输出端连接；

所述第二运算放大器的正向输入端还通过电容接地；

所述第二运算放大器的输出端与第二双极型PNP三极管的发射极连接；第二双极型PNP三极管的集电极通过电阻与第二运算放大器的反向输入端连接；第二双极型PNP三极管的基极与扫描电压加载电路的输出端连接。

进一步地，所述减法比例运算电路，具体包括：

第三运算放大器，所述第三运算放大器的反向输入端通过电阻R与第一运算放大器的输出端连接；

所述第三运算放大器的正向输入端通过电阻R与第二运算放大器的输出端连接；

所述第三运算放大器的正向输入端通过电阻R_f接地，所述电阻R_f与电容C并联；

所述第三运算放大器的输出端与低通滤波电路的输入端连接；

所述第三运算放大器的输出端通过电阻R_f与第三运算放大器的反向输入端连接；

所述第三运算放大器的输出端通过电容C与第三运算放大器的反向输入端连接。

进一步地，非线性采集放大电路，工作原理包括：

第一运算放大器将微电流转换为电压信号，其中利用PN结的对数转换和电阻的线性转换叠加起到了非线性放大的作用。在较小信号区，电流放大倍数大，增加了微小信号的信噪比；在较大电流区，放大倍数相对较小，保证了采集端具有较大的采集端动态范围。

为了消除温度对于PN结反向饱和电流的明显影响，通过第二运放组成的相同结构I-V转换电路转换一个标准电流，并通过减法比例电路运算消除掉I_S,提高电路在不同温度情况下的采集精度。

进一步地，所述低通滤波电路，采用三阶低通滤波器电路；

所述三阶低通滤波器电路，具体包括：第四运算放大器；

所述第四运算放大器的反向输入端通过串联的电阻R4、R2和R1与低通滤波器的输入端连接；

所述第四运算放大器的正向输入端通过电阻R5接地；

所述R2和R1之间的连接点通过电容C1接地；

所述R2和R4之间的连接点通过电容C2接地；

所述第四运算放大器的输出端通过电容C3与第四运算放大器的反向输入端连接；

所述第四运算放大器的输出端通过电阻R3与R2和R4之间的连接点连接。

进一步地，低通滤波电路，工作原理包括：

通过电阻，电容与运放等基本的电子器件组成有源三阶低通滤波网络，采用低功耗运放降低系统的耗电；通过分析电路原理设置阻容参数保证合适的截止频率。

本发明主要介绍了一种应用于朗缪尔探针的微电流采集系统的实现及其实验测试结果。

朗缪尔探针诊断方法：利用朗缪尔探针进行等离子体诊断的具体方法是通过控制电路在探针上施加扫描电压，探针上具有的电势会吸引带电粒子撞击探针表面，带电粒子的撞击造成金属体电势不均匀，引起电流流动，探针上电流的大小反应出等离子体的物理性质。因此探针系统对电流的采集精度直接影响了计算得到的等离子体物理参数的准确性。

典型的朗缪尔探针上电流随着扫描电压变化的I-V特性曲线如图1所示。为了显示清晰，放大了离子电流。

该曲线可以被两个分界点V_f,V_P分为三个区域，由左到右依次为离子饱和区，过渡区和电子饱和区。分界点V_f是探针电流为0的点，该点采集到的离子电流和电子电流大小相等，方向相反，总和为0；分界点V_P是I-V曲线的拐点，这个点对应的电压是等离子体电位。

在曲线的过渡区，探针电流与扫描电压之间呈现指数增长的趋势，如公式(1)。

其中I_P为探针电流，I_e为探针吸收电子所产生的电流，I_i为探针吸收离子所产生的电流，A表示探针表面积。在曲线过渡区，随着探针施加电压的增大，采集的电子电流呈指数快速增加，此时采集的离子电流相比较电子电流极小，因此在曲线过渡区可以认为探针电流全部由吸引电子撞击探针引起。

对上式等式两端取对数得：

化简为：

可见，在过渡区采集电流的自然对数与电压成线性关系，斜率为电子温度T_e的倒数。因此，可由过渡区数据得到电子温度。

在过渡区与电子饱和区的分界点V_p处，根据OML理论，由拐点处的电流和电压，根据式(4)，结合电子温度，可以计算出电子密度。

朗缪尔探针设计：等离子体在宏观上表现出电中性，但是在每个带电粒子附近都存在电场，该电场被周围粒子的场屏蔽时，在一定的空间外显电中性。这种屏蔽称为德拜屏蔽，粒子屏蔽场所占的空间尺寸称为德拜长度λ_B。在粒子产生的屏蔽场内，即粒子周围半径为λ_B的三维球体空间内，不满足等离子体电中性的条件。

等离子体边界存在鞘层，从距离器壁(等离子体边界)由近及远可以分为鞘层、预鞘层和等离子体三部分，在鞘层内部不满足电中性的条件，鞘层的厚度r_s和德拜长度λ_B具有相同的数量级。

为降低德拜屏蔽对探针吸收粒子的影响，根据朗缪尔提出的轨道运动受限理论，探针的特征尺寸应该尽可能的小于德拜长度，探针的特征尺寸计算如式(5)所示。

其中r_p表示圆柱探针半径，l_p表示探针长度。

以探针尺寸小于德拜长度一个数量级作为设计条件，确定探针的长度l_p＝25mm和半径r_p＝0.25mm，此条件下可计算柱形探针特征尺寸大约为1.1mm，满足受限轨道理论要求。

圆柱形朗缪尔探针设计原理图，如图2所示。

电子学性能要求：地球上方电离层等离子体密度和电子温度分布，如图3所示，当卫星运行在300km以上的近地轨道时，等离子体密度的常规变化范围从10¹⁰m^-3到10¹³m^-3，结合电子温度的变化范围和探针的特征尺寸，大致推测探针电流的变化范围为：1nA-6μA。

当朗缪尔探针系统搭载微小卫星时，卫星表面导体作为朗缪尔探针的对电极。一般认为当导体面积大于探针表面积的100倍以上时，能获得比较精确的电子温度，1000倍以上时才能获得准确的电子密度测量结果。因此，卫星的表面积限制了探针表面积不能太大，导致了收集到的电流很小。

要实现对如此大的动态范围的电流的精确采集和放大处理，一般的线性放大电路很难完成任务，综合考虑各种信号处理电路的特点和等离子体参数的特性，研发了一套非线性微电流采集系统。

电路系统设计：针对朗缪尔探针在低密度等离子体条件下采集电流十分微小和随等离子体密度变化动态范围大两个特点，设计了基于对数运算的非线性放大电路对电流进行模数转换前的前置处理。

二极管的伏安特性曲线：不同于电阻的伏安特性，二极管两端电压随着电流的变化呈现对数变化，对数运算具有明显压缩动态范围的效果，对微小电流变化敏感，因此运用对数放大电路有利于压缩采集电流的动态范围，提高系统对微小电流采集的灵敏性。二极管的电流与两端电压之间的关系如式(6)所示。

式中I_S为二极管的反向饱和电流，U_T为温度的电压当量，在常温(T＝300K)下，U_T＝26mV。则当u_D>>U_T时，上式可近似为：

即：

由公式(8)所示，二极管的电压和电流之间存在对数关系。因此，可以利用二极管组成对数运算电路。

标准的二极管伏安特性曲线和对9012三极管PN结施加扫描电压得到的伏安特性曲线如图4(a)所示。

如图4(b)所示，当采用采集量程为0-5V的模数转换芯片进行电压采集时，假设放大倍数为100,000，采用对数放大可以涉及到的量程范围为1pA-1.5mA，而线性放大可以达到的量程范围为1nA-50μA，因此采用对数放大处理电路相对于线性放大可以获得更大的采集端动态范围和更好的采集精度。

非线性微电流放大电路设计：一个标准的可应用于实际电路的对数运算放大器如图5所示。由二极管组成的基本对数运算电路只能在较小的范围内符合对数关系，用双极型三极管接成二极管的形式作为反馈支路，可以获得较大的工作范围。

此电路输出u_o与输入电流i_D之间的关系式为：

其中I_S是二极管的反向饱和电流，为克服温度对I_S的影响，可以设计互补补偿电路，通过运算除去I_S的影响。

补偿后的电路如图6所示。

此电路输出u_o与输入电流i_D之间的关系式为：

其中，R₁＝R₂，V_R为加载到探针上的扫描电压，C＝10nF是为了消去高频噪声，u_o2为第二运放输出电压，u_o1为第一运放输出电压，k为线性放大倍数，V_R为加载在探针上的扫描电压，i_TZ为采集到的探针电流，R₁为第一运放反馈回路与三极管串联的电阻，R₂同理；U_T为PN结电压当量，I_S为反向饱和电流；i_REF1为运放二反馈回路流过的电流，可由V_REF设置；R₂为第二运放反馈回路串联电阻。

由表达式可见，通过补偿电路运算，可以抵消掉由于温度变化对I_S的影响。如图4(a)所示，当通过二极管的电流大于2μA时，二极管两端的电压变化的斜率很小，表示随着采集电流的增大电压变化过于平缓，可能造成对于较大电流采集精度差的问题，经过实验验证，通过与二极管串联电阻来改善较大电流时的动态性能。

当探针上施加的扫描电压为负值时，会吸引离子撞击探针，采集离子电流，由于离子与电子电性相反，探针采集电流流向相反，需要系统对反向电流进行测量，为了解决当电流流向变化时，三极管的PN结截止导致不能有效测量的问题，增加补偿电路，以实现对离子电流进行采集。在采集端运放OP₁的反向输入端连接一个补偿电阻R₀₂到V_REF，通过调节V_REF可以实现将采集零点负向移动的效果。通过设置R₀₁＝R₀₂使得i_REF1＝i_REF2＝i_REF，补偿后输出电压u_o与输入电流i_TZ之间的关系式为：

低通滤波器的设计：朗缪尔探针工作在空间等离子体或者真空舱中，而采集电路系统一般处于卫星内或者真空舱外的常规条件下。因此需要较长的连接线将探针采集的微电流连接到采集电路板上。由于环境中无线电波的干扰，较长的连接线会在采集的直流电流上叠加高频噪声，导致放大的信号存在较大的噪声，为了提高采集信号的信噪比，需要对放大的信号进行低通滤波。

集成的低通滤波器电路芯片性能较好，截止频率可以通过简单的外围电路配置，但是存在功耗较大的缺点，考虑到卫星酬载对于功耗的严格要求，使用了一套单运放三阶低通滤波器，电路原理图如图7所示。

对滤波器电路各节点建立微分方程，取拉普拉斯变换得出传递函数：

滤波器除了衰减高频噪声外还将输入与输出反向。其中通过配置R₁,R₂,R₃，使k＝1。

经过配置后的滤波器电路的对数幅频特性和对数相频特性，如图8(a)和图8(b)所示。为了对示波器进行性能测试，在9000个数据点的低频正弦信号上先后叠加了高斯白噪声，均匀白噪声和高频正弦噪声，信号通过低通滤波器前后的对比如图8(c)所示，可见滤波器具有显著的限制高频噪声的能力。

经过滤波器后的输出信号与输入电流的关系式为：

其中，为可以采集离子电流的最大值。由式(13)可以看出，当i_TZ→-i_REF时，u_o→-∞。通过采集系统的微控制器可以对V_REF进行动态调整以适应不同浓度等离子体离子电流地采集。当采集离子电流时，即i_TZ<0时，u_o<0，为适应只能转换正电压的模数转换器，可以运用加法运算将输出电压抬高V_b再进行模数转换。

整套系统的输出与输入电流之间关系如式(14)所示。

系统整体设计：探针电流信号经非线性调理电路转换为电压信号直接输入模数转换模块进行电压采集。

数据标定：将设计的原理电路制作印刷电路板，选配器件进行焊接后对电路板进行采集数据标定。

利用是德科技B2912A源表(Source/Measure Unit-SMU)对采集电路进行数据标定。SMU支持双通道输出采集，可以进行飞安级的电流测量。SMU的通道一设置为电流源模式，通道二采集前置电路的输出电压，通道一从-50nA-50μA进行扫描标定，采集电路输出电压V_O与扫描电流I_TZ的关系对比如图10所示。

可以看出非线性采集电路在采集弱信号时具有较高的灵敏度，且具备较大的采集范围，标定结果与理论计算有较强的一致性。

空间等离子体模拟真空舱：等离子探测实验室安置的真空舱可以达到10^-5Pa的真空度，利用阴极灯丝加载电流发射电子，在舱内充入高浓度氩气激发等离子体。整套系统可以对电离层低密度等离子体进行模拟，能维持的最低稳定等离子体密度大约为1×10¹¹/m³。实验环境示意图如图11所示。

实验结果及分析：实验在压强约0.09Pa情况下进行实验，在保持气压不变的情况下通过改变放电灯丝电流调节等离子体密度，分别在等离子体密度为10¹¹/m³,10¹²/m³,10¹³/m³范围内进行多组I-V曲线采集实验，并且在同一实验环境下比对实验结果，对比数据如图12(a)-图12(f)所示。

其中图12(a)是采集到的A/D端口电压，图12(b)是SMU采集数据与NCA(NonlinearCurrent Acquisition System)得到的采集电流的对比图。从上到下分别展示了在等离子体密度为10¹³/m³,10¹²/m³,10¹¹/m³下进行的9组实验结果。通过对比实验得到的数据可以得出在等离子体浓度为10¹³/m³,10¹²/m³量级时，NCA采集到的数据略大于SMU采集到的数据，在低等离子体密度(10¹¹/m³)时呈现出相反的结果，但整体误差不大，在高中低密度范围内误差变化较小。不同实验环境下对两条曲线的相关性和归一化残差平方和进行计算，如表1所示。

其中引入了对拟合曲线的评价指标残差平方和来评价两条曲线的一致性误差，残差平方和的计算方法为：其中x_i和y_i分别为两组对比数据对应数据点，残差平方和越小证明两条曲线一致性更好。但由于各组数据量纲不同，单纯比较残差平方和无法直观表示出残差误差的大小，因此将其进行归一化处理：其中为该组数据点的均值。

表1不同密度下采集对比数据评价值

针对星载电离层等离子体诊断，本发明设计了一种新型大动态范围非线性朗缪尔探针采集系统。从理论设计到实验验证，证明了该系统可以很好地利用朗缪尔探针对10⁸m^-3-10¹⁴m^-3密度范围的等离子体进行诊断。特别增加了互补补偿电路实现对三极管PN结反向饱和电流I_S的补偿以实现对微电流的高精度采集。为了得到完整的I-V曲线，设计了补偿电路实现了对离子电流的采集。单运放搭配阻容器件组成的三阶低通滤波电路可以对探针直流信号中掺杂的高频噪声进行有效衰减，大大提高了采集信号的信噪比。通过电路CAD软件设计了印刷电路板，并且通过高精度源表对采集电路进行了数据标定。最后在等离子探测实验室的空间等离子体模拟真空舱中进行了实验，分别在10¹¹m^-3-10¹³m^-3密度中进行了实验，通过与SMU采集数据进行分析对比，取得了较好的实验结果。

目前，微小卫星发射成本日益降低，发射数量连年上升。体积小，功耗低，功能多样化是微小卫星酬载的基本要求。本发明研制的等离子体诊断系统可以实现对空间等离子体的高精度诊断，且针对微小卫星酬载进行设计，可以实现多种空间等离子体探测任务，满足国内日益增长的空间探测需求。

实施例二

本实施例提供了适用于朗缪尔探针的非线性微电流采集方法；

适用于朗缪尔探针的非线性微电流采集方法，包括：

微控制单元MCU，通过内置DA模块输出小幅度扫描电压；所述小幅度扫描电压是0～3.3V；

小幅度扫描电压经过扫描电压加载电路处理后，变为-10V～10V的扫描电压；将-10V～10V的扫描电压施加在朗缪尔探针上；

朗缪尔探针上具有的电势吸引带电粒子撞击朗缪尔探针表面，带电粒子的撞击造成朗缪尔探针电势不均匀，引起电流流动，朗缪尔探针上的电流大小和方向反应出等离子体的物理性质；

非线性采集放大电路对所有的朗缪尔探针的电流信号进行采集，并将电流信号转换为电压信号；

非线性采集放大电路将电压信号传输给低通滤波电路进行滤波处理；

低通滤波电路将滤波处理后的信号发送给模数转换电路进行模数转换；

微控制单元MCU将模数转换电路转换后的信号发送给卫星中心机通讯接口。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。