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(duì)空間環(huán)境的探測(cè)越來(lái)越引起人們的重視。大氣電場(chǎng)是空間物理和空間環(huán)境的一個(gè)很重要的參數(shù),飛行器穿越強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域時(shí),有可能遭到雷擊或誘發(fā)閃電,造成飛行器的損壞,監(jiān)測(cè)和探測(cè)電場(chǎng)的數(shù)值及其變化對(duì)飛行器發(fā)射升空意義重大。國(guó)內(nèi)外先后研制出多種電場(chǎng)探測(cè)裝置對(duì)大氣電場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),主要有雙球式電場(chǎng)儀、火箭電場(chǎng)儀和旋片式電場(chǎng)傳感器等,探測(cè)方向一般與傳感器主軸方向平行或垂直,實(shí)現(xiàn)空中矢量電場(chǎng)的一個(gè)或兩個(gè)分量的探測(cè)。而大氣電場(chǎng)是以三維矢量形式存在的,只對(duì)矢量電場(chǎng)的一個(gè)或兩個(gè)分量探測(cè)時(shí),探測(cè)到的電場(chǎng)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(chǎng)傳感器獨(dú)特的敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);然后根據(jù)三維電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及信號(hào)處理方法,對(duì)傳感器輸出結(jié)果進(jìn)行了理論分析;并對(duì)三維電場(chǎng)傳感器的標(biāo)定方法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,設(shè)計(jì)出傳感器的專用標(biāo)定裝置,對(duì)三維電場(chǎng)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(chǎng)傳感器的測(cè)量精度。
2 三維電場(chǎng)傳感器
2.1 工作原理
該三維電場(chǎng)傳感器基于導(dǎo)體在電場(chǎng)中感應(yīng)電荷的原理,利用接地屏蔽導(dǎo)體對(duì)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(chǎng)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(hào),其大小與外部電場(chǎng)成一定的比例關(guān)系,通過(guò)檢測(cè)該電流的大小來(lái)檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度。
傳感器的結(jié)構(gòu)部分如圖1所示,主要包括三對(duì)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(dòng)電機(jī)等。三對(duì)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(duì)旋葉片組成,徑向X,Y感應(yīng)電極分別由一對(duì)矩形銅片組成。傳感器工作時(shí),由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)屏蔽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),屏蔽轉(zhuǎn)子對(duì)三維方向的感應(yīng)電極同時(shí)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(chǎng)成一定的比例關(guān)系。
對(duì)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(chǎng);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(gè)感應(yīng)電極的時(shí)間。
對(duì)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(shí),電極上的感應(yīng)電流的幅度值與外部電場(chǎng)成線性關(guān)系,所以通過(guò)對(duì)感應(yīng)電流的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電場(chǎng)的檢測(cè)。
2.2 傳感器輸出信號(hào)的理論分析
由于電場(chǎng)傳感器感應(yīng)電極輸出的是微弱的nA量級(jí)的交變電流信號(hào),直接檢測(cè)該電流信號(hào)非常困難,這里采用信號(hào)處理電路,將弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成容易檢測(cè)的電壓信號(hào)。
信號(hào)處理部分,首先將三維方向的三對(duì)感應(yīng)電極輸出的電流信號(hào)分別進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換,然后將每對(duì)感應(yīng)電極輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大,采用差分放大部分用來(lái)減小噪聲,提高信噪比。最后取出放大后電壓信號(hào)的幅度值,輸出三路與外電場(chǎng)成線性關(guān)系的直流電壓信號(hào)。
理論分析中,電極輸出的感應(yīng)電流與外部電場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系是以電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為前提的,實(shí)際傳感器工作時(shí),很難保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的恒定不變,電機(jī)轉(zhuǎn)速的擾動(dòng)帶來(lái)外部電場(chǎng)與傳感器輸出的非線性,容易造成傳感器的測(cè)量誤差。這里,在信號(hào)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(gè)葉片交替屏蔽,其電極輸出信號(hào)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(gè)葉片交替屏蔽,其電極輸出的信號(hào)頻率為電機(jī)轉(zhuǎn)速的2倍。則軸向信號(hào)ZC(Z)與徑向信號(hào)ZC(X、Y)對(duì)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(hào)與外部電場(chǎng)成線性關(guān)系,解決了電機(jī)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)的影響。雖然可以在理論上計(jì)算出傳感器輸出電壓與外部電場(chǎng)之間的系數(shù),但由于各個(gè)電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)及信號(hào)處理部分的各個(gè)元器件參數(shù)不是完全一樣的,因此對(duì)每個(gè)電場(chǎng)傳感器,其輸出電壓與外部電場(chǎng)之間的線性系數(shù)需要通過(guò)標(biāo)定來(lái)確定。
3 三維電場(chǎng)傳感器標(biāo)定方法研究
3.1 標(biāo)定原理
對(duì)電場(chǎng)傳感器的準(zhǔn)確標(biāo)定是使其進(jìn)行精確探測(cè)的前提,電場(chǎng)傳感器的標(biāo)定一般在已知數(shù)值的均勻電場(chǎng)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(chǎng),如圖2所示。目前一般使用采用該原理設(shè)計(jì)的電場(chǎng)箱,標(biāo)定時(shí),將傳感器的敏感頭部分放入電場(chǎng)箱,傳感器的感應(yīng)面與電場(chǎng)的方向垂直。

由于三維電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)獨(dú)特,具有三維方向的三對(duì)感應(yīng)電極,因此必須設(shè)計(jì)專用的標(biāo)定裝置,將整個(gè)傳感器放置在電場(chǎng)箱中,對(duì)每對(duì)感應(yīng)電極分別進(jìn)行標(biāo)定。該標(biāo)定裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證感應(yīng)電極在標(biāo)定時(shí)均處在一個(gè)相對(duì)均勻的電場(chǎng)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(jì)算及分析
采用ANSYS軟件通過(guò)大量模擬計(jì)算來(lái)分析和設(shè)計(jì)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(gè)方面進(jìn)行計(jì)算分析。
(1)確定極板間距。建立三維電場(chǎng)傳感器,對(duì)放置在均勻電場(chǎng)中的模型進(jìn)行計(jì)算分析,圖3(a)為傳感器在電場(chǎng)中的電力線分布圖,圖3(b)為傳感器在電場(chǎng)中的電勢(shì)云圖??梢钥闯?,三維電場(chǎng)傳感器在均勻電場(chǎng)中,由于其結(jié)構(gòu)的影響,引起了傳感器附近電場(chǎng)的畸變,造成距離傳感器較近的等勢(shì)面不是一個(gè)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(shì),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(chǎng)中時(shí),電場(chǎng)分布是一致的,上下極板所處的位置應(yīng)該在一個(gè)平的等勢(shì)面上。圖3(b)中,由模擬計(jì)算結(jié)果選取傳感器上方和下方兩個(gè)平面,平面中心位置的電勢(shì)與邊緣部分的電勢(shì)誤差約為3 %處,作為上下極板所處的平面。這樣,兩個(gè)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(shí),邊緣效應(yīng)對(duì)極板問(wèn)電場(chǎng)產(chǎn)生的影響可能導(dǎo)致極板中心處傳感器標(biāo)定時(shí)所處區(qū)域電場(chǎng)的不均勻,因此極板面積的大小也要通過(guò)模擬計(jì)算來(lái)確定。
為了便于建模以及計(jì)算,采用柱狀電場(chǎng)箱進(jìn)行模擬。建立的柱狀電場(chǎng)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(duì)電場(chǎng)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?yàn)閭鞲衅鞣胖脜^(qū)域。因?yàn)殡妶?chǎng)傳感器放在標(biāo)定裝置的中間,保證中間部分的電場(chǎng)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(jì)算已經(jīng)確定,建立不同面積的模型分別進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)過(guò)大量的模擬計(jì)算,確定了合理的電場(chǎng)箱面積,其標(biāo)定裝置中心區(qū)域的電勢(shì)云圖如圖4(b)所示。計(jì)算結(jié)果表明,該區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度的最大誤差小于1%,滿足作為該電場(chǎng)傳感器標(biāo)定裝置的要求。
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3.3 標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果
基于上述標(biāo)定原理及仿真結(jié)果,設(shè)計(jì)了三維電場(chǎng)傳感器專用標(biāo)定裝置。該裝置由正、負(fù)兩臺(tái)高壓電源及電場(chǎng)箱組成。電場(chǎng)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(shí)放到中間極板上。標(biāo)定軸向感應(yīng)電極時(shí),電場(chǎng)傳感器正放在中間極板上,感應(yīng)面與電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直;標(biāo)定徑向感應(yīng)電極時(shí),電場(chǎng)傳感器側(cè)放到中間極板上,待標(biāo)定的徑向電極對(duì)稱地暴露在電場(chǎng)中,并且與電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直。
采用該標(biāo)定設(shè)備對(duì)三維電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn),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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)空中矢量的三維探測(cè),有效地減小了空中電場(chǎng)測(cè)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(cè)空中矢量電場(chǎng)的精度。傳感器通過(guò)其專用標(biāo)定設(shè)備的標(biāo)定,測(cè)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(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)和標(biāo)定方法的合理性與可行性。另外,該電場(chǎng)傳感器具有體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于航天器升空的電場(chǎng)探測(cè),也可用于氣象研究部門對(duì)雷電及云層帶電活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警等。