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，通過檢測(cè)該電流的大小來檢測(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)需要通過標(biāo)定來確定。 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軟件通過大量模擬計(jì)算來分析和設(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。可以看出，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模擬計(jì)算來確定。 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。 [align=center] [/align] 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。