1 引 言 隨著空間科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為了保障航天器的安全升空與運(yùn)行，對空間環(huán)境的探測越來越引起人們的重視。大氣電場是空間物理和空間環(huán)境的一個很重要的參數(shù)，飛行器穿越強(qiáng)電場區(qū)域時，有可能遭到雷擊或誘發(fā)閃電，造成飛行器的損壞，監(jiān)測和探測電場的數(shù)值及其變化對飛行器發(fā)射升空意義重大。國內(nèi)外先后研制出多種電場探測裝置對大氣電場進(jìn)行監(jiān)測，主要有雙球式電場儀、火箭電場儀和旋片式電場傳感器等，探測方向一般與傳感器主軸方向平行或垂直，實現(xiàn)空中矢量電場的一個或兩個分量的探測。而大氣電場是以三維矢量形式存在的，只對矢量電場的一個或兩個分量探測時，探測到的電場值可能有較大的偏差。 本文首先介紹新型空中三維矢量電場傳感器獨(dú)特的敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計；然后根據(jù)三維電場傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及信號處理方法，對傳感器輸出結(jié)果進(jìn)行了理論分析；并對三維電場傳感器的標(biāo)定方法進(jìn)行了計算機(jī)仿真，設(shè)計出傳感器的專用標(biāo)定裝置，對三維電場傳感器三維方向感應(yīng)電極分別進(jìn)行標(biāo)定，保證了三維電場傳感器的測量精度。 2 三維電場傳感器 2.1 工作原理 該三維電場傳感器基于導(dǎo)體在電場中感應(yīng)電荷的原理，利用接地屏蔽導(dǎo)體對感應(yīng)電極的交替屏蔽作用，使感應(yīng)電極交替暴露在外電場中，感應(yīng)電極上的感應(yīng)電荷發(fā)生周期性變化，形成了交變的電流信號，其大小與外部電場成一定的比例關(guān)系，通過檢測該電流的大小來檢測電場強(qiáng)度。 傳感器的結(jié)構(gòu)部分如圖1所示，主要包括三對感應(yīng)電極（軸向Z感應(yīng)電極、徑向X感應(yīng)電極、徑向Y感應(yīng)電極）、屏蔽轉(zhuǎn)子、驅(qū)動電機(jī)等。三對感應(yīng)電極互相垂直的分布在空間三維方向，其中軸向Z感應(yīng)電極由一對旋葉片組成，徑向X，Y感應(yīng)電極分別由一對矩形銅片組成。傳感器工作時，由驅(qū)動電機(jī)帶動屏蔽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，屏蔽轉(zhuǎn)子對三維方向的感應(yīng)電極同時進(jìn)行交替屏蔽，感應(yīng)電極表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流大小與外部電場成一定的比例關(guān)系。 對于軸向感應(yīng)電極 （1） 式中：iZ（t）為感應(yīng)電流；QZ為感應(yīng)電極上感應(yīng)電荷量；EZ為外部電場；ε為空氣的介電常數(shù)；r1，r2分別為內(nèi)外半徑；f為電極旋轉(zhuǎn)頻率；T／2為屏蔽轉(zhuǎn)子暴露出整個感應(yīng)電極的時間。 對于徑向感應(yīng)電極 （2） 式中，A0為徑向（X）感應(yīng)電極的面積，其他參數(shù)同式（1）。 從式（1），（2）可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率f恒定時，電極上的感應(yīng)電流的幅度值與外部電場成線性關(guān)系，所以通過對感應(yīng)電流的檢測實現(xiàn)對外部電場的檢測。 2.2 傳感器輸出信號的理論分析 由于電場傳感器感應(yīng)電極輸出的是微弱的nA量級的交變電流信號，直接檢測該電流信號非常困難，這里采用信號處理電路，將弱電流信號轉(zhuǎn)變成容易檢測的電壓信號。 信號處理部分，首先將三維方向的三對感應(yīng)電極輸出的電流信號分別進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換，然后將每對感應(yīng)電極輸出的電壓信號進(jìn)行差分放大，采用差分放大部分用來減小噪聲，提高信噪比。最后取出放大后電壓信號的幅度值，輸出三路與外電場成線性關(guān)系的直流電壓信號。 理論分析中，電極輸出的感應(yīng)電流與外部電場強(qiáng)度成線性關(guān)系是以電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為前提的，實際傳感器工作時，很難保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定不變，電機(jī)轉(zhuǎn)速的擾動帶來外部電場與傳感器輸出的非線性，容易造成傳感器的測量誤差。這里，在信號處理電路的I-V轉(zhuǎn)換部分，采用電容作為反饋回路的負(fù)載，由于軸向感應(yīng)電極被轉(zhuǎn)子的4個葉片交替屏蔽，其電極輸出信號的頻率為電機(jī)轉(zhuǎn)速的4倍；徑向感應(yīng)電極被轉(zhuǎn)子的2個葉片交替屏蔽，其電極輸出的信號頻率為電機(jī)轉(zhuǎn)速的2倍。則軸向信號ZC（Z）與徑向信號ZC（X、Y）對應(yīng)的容抗分別為 式（5）中的AZ為軸向的系數(shù)，為固定值；式（6）中的AX（Y）為徑向的系數(shù)，也為固定值。 從式（5），（6）可以看出，輸出電壓信號與外部電場成線性關(guān)系，解決了電機(jī)轉(zhuǎn)速擾動的影響。雖然可以在理論上計算出傳感器輸出電壓與外部電場之間的系數(shù)，但由于各個電場傳感器的結(jié)構(gòu)及信號處理部分的各個元器件參數(shù)不是完全一樣的，因此對每個電場傳感器，其輸出電壓與外部電場之間的線性系數(shù)需要通過標(biāo)定來確定。 3 三維電場傳感器標(biāo)定方法研究 3.1 標(biāo)定原理 對電場傳感器的準(zhǔn)確標(biāo)定是使其進(jìn)行精確探測的前提，電場傳感器的標(biāo)定一般在已知數(shù)值的均勻電場中進(jìn)行。一般采用在兩塊相距一定距離的平板電極上加上穩(wěn)定電壓，電極間即產(chǎn)生均勻的電場，如圖2所示。目前一般使用采用該原理設(shè)計的電場箱，標(biāo)定時，將傳感器的敏感頭部分放入電場箱，傳感器的感應(yīng)面與電場的方向垂直。 由于三維電場傳感器結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有三維方向的三對感應(yīng)電極，因此必須設(shè)計專用的標(biāo)定裝置，將整個傳感器放置在電場箱中，對每對感應(yīng)電極分別進(jìn)行標(biāo)定。該標(biāo)定裝置的設(shè)計應(yīng)該保證感應(yīng)電極在標(biāo)定時均處在一個相對均勻的電場中，并且標(biāo)定裝置的體積越小越好。 3.2 標(biāo)定裝置仿真計算及分析 采用ANSYS軟件通過大量模擬計算來分析和設(shè)計該標(biāo)定裝置，主要從確定標(biāo)定裝置上下極板的間距和極板的面積兩個方面進(jìn)行計算分析。 （1）確定極板間距。建立三維電場傳感器，對放置在均勻電場中的模型進(jìn)行計算分析，圖3（a）為傳感器在電場中的電力線分布圖，圖3（b）為傳感器在電場中的電勢云圖?？梢钥闯?，三維電場傳感器在均勻電場中，由于其結(jié)構(gòu)的影響，引起了傳感器附近電場的畸變，造成距離傳感器較近的等勢面不是一個平面。由于標(biāo)定裝置的上下極板一般采用平面金屬板，并在其上加上電勢，為了保證傳感器放在標(biāo)定裝置的極板間和放到均勻電場中時，電場分布是一致的，上下極板所處的位置應(yīng)該在一個平的等勢面上。圖3（b）中，由模擬計算結(jié)果選取傳感器上方和下方兩個平面，平面中心位置的電勢與邊緣部分的電勢誤差約為3 %處，作為上下極板所處的平面。這樣，兩個極板的間距確定，傳感器在極板間的位置也確定。 （2）確定極板的面積。當(dāng)極板的面積比較小時，邊緣效應(yīng)對極板問電場產(chǎn)生的影響可能導(dǎo)致極板中心處傳感器標(biāo)定時所處區(qū)域電場的不均勻，因此極板面積的大小也要通過模擬計算來確定。 為了便于建模以及計算，采用柱狀電場箱進(jìn)行模擬。建立的柱狀電場箱模型的半切面圖如圖4（a）所示。上下極板平行放置，極板外面由屏蔽箱屏蔽，為了減小邊緣效應(yīng)對電場的影響，上下極板間采用19根金屬絲進(jìn)行分壓，中間的虛線框為傳感器放置區(qū)域。因為電場傳感器放在標(biāo)定裝置的中間，保證中間部分的電場均勻即可，因此選擇標(biāo)定裝置中心區(qū)域進(jìn)行分析，該區(qū)域比傳感器體積略大。由于極板的間距經(jīng)計算已經(jīng)確定，建立不同面積的模型分別進(jìn)行計算分析。經(jīng)過大量的模擬計算，確定了合理的電場箱面積，其標(biāo)定裝置中心區(qū)域的電勢云圖如圖4（b）所示。計算結(jié)果表明，該區(qū)域的電場強(qiáng)度的最大誤差小于1％，滿足作為該電場傳感器標(biāo)定裝置的要求。 [align=center] [/align] 3.3 標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及測試結(jié)果 基于上述標(biāo)定原理及仿真結(jié)果，設(shè)計了三維電場傳感器專用標(biāo)定裝置。該裝置由正、負(fù)兩臺高壓電源及電場箱組成。電場箱由三塊平行的極板以及屏蔽箱構(gòu)成，極板間以及極板與屏蔽箱間均采用聚四氟乙烯柱絕緣，傳感器標(biāo)定時放到中間極板上。標(biāo)定軸向感應(yīng)電極時，電場傳感器正放在中間極板上，感應(yīng)面與電場強(qiáng)度方向垂直；標(biāo)定徑向感應(yīng)電極時，電場傳感器側(cè)放到中間極板上，待標(biāo)定的徑向電極對稱地暴露在電場中，并且與電場強(qiáng)度方向垂直。 采用該標(biāo)定設(shè)備對三維電場傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗，圖5為傳感器軸向與徑向感應(yīng)電極的輸出電壓與外部電場之間的關(guān)系曲線。標(biāo)定數(shù)據(jù)表明，三維方向的數(shù)據(jù)曲線均具有良好的線性度，外部電場與傳感器的輸出為線性關(guān)系，與理論分析相吻合。 4 結(jié) 論 本文介紹的三維電場傳感器實現(xiàn)空中矢量的三維探測，有效地減小了空中電場測量的誤差，適合該傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的標(biāo)定方法的提出，保證了其探測空中矢量電場的精度。傳感器通過其專用標(biāo)定設(shè)備的標(biāo)定，測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的線性度，與理論分析一致，證明了三維電場傳感器的設(shè)計和標(biāo)定方法的合理性與可行性。另外，該電場傳感器具有體積小、重量輕、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航天器升空的電場探測，也可用于氣象研究部門對雷電及云層帶電活動進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警等。