航天器介質(zhì)充電效應模擬試驗中的非接觸式電位轉接測量技術

鄭耀昕，張振龍，鄭漢生，韓建偉（. 中國科學院 國家空間科學中心，北京 0090；2. 中國科學院大學，北京 00049）

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航天器介質(zhì)充電效應模擬試驗中的非接觸式電位轉接測量技術

鄭耀昕1,2，張振龍1，鄭漢生1,2，韓建偉1
（1. 中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049）

摘要：航天器充放電效應地面模擬試驗中需要測量的一個重要參數(shù)是介質(zhì)的充電電位。文章基于介質(zhì)充電電位的非接觸式轉接測量技術，分析了測量中引起誤差的各個因素，討論了減小測量誤差和提高轉接測量分辨率的方法，并進行試驗驗證。據(jù)此設計了一套介質(zhì)電位非接觸式轉接測量系統(tǒng)，其測量分辨率達到10V以下，且由電荷泄漏引起的測量誤差＜1%，能夠滿足航天器介質(zhì)充電電位的測量要求。

關鍵詞：航天器充電效應；電位測量；非接觸式測量；分辨率

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0　引言

在空間帶電粒子輻射環(huán)境下，航天器充放電效應會破壞介質(zhì)材料，損壞或干擾電子設備，進而威脅航天器的運行安全[1-3]。地面模擬試驗是研究充放電效應的有效手段，也是對其進行風險評估和防護設計的重要依據(jù)，其中樣品（介質(zhì)）的充電電位是試驗中需要測量的一個重要參數(shù)[4]。

地面模擬航天器充電效應需將被測樣品置于真空室內(nèi)對其進行輻照充電。由于介質(zhì)電導率很小，介質(zhì)中的電荷不易移動，為了保持其帶電狀態(tài)，只能通過非接觸方式對其表面電位進行測量[5]。若直接將電位計探頭放于真空室內(nèi)，則一是需要研制高壓過渡裝置；二是探頭會受輻射環(huán)境影響，使測量結果不準確；三是對探頭進行維修時必須打開真空罐，這不利于在試驗中對電位計可能出現(xiàn)的問題進行修復與校正。而充電電位的轉接測量方法是將電位計探頭放于真空室外，對連通真空室內(nèi)外的轉接機構上的監(jiān)測板進行非接觸式測量，從而可有效避免上述問題和不便。這種方法最初由美國A. R. Fredericson教授提出[6-7]；猶他大學的J. L. Hodges對此進行了研究，并設計了一套轉接測量機構，其試驗裝置適用于對寬度小于19mm的平板樣品進行一維掃描測量，轉接距離很短，因此測量結果受轉接機構影響較小，系統(tǒng)分辨率可達1V[8]。這里所說的系統(tǒng)分辨率指的是電位計與轉接機構組合在一起進行測量時的分辨率。雖然電位計本身的分辨率通常很高，但經(jīng)過轉接機構電容分壓后會降低系統(tǒng)的分辨率；同時轉接機構會不可避免地存在電荷泄漏而使測量結果偏離真實值，即引起測量誤差。

為滿足航天器部件級模擬試驗要求，中國科學院國家空間科學中心研制了航天器充放電模擬試驗裝置，采用轉接測量方法對樣品表面充電電位進行較大范圍的三維掃描測量。此裝置結構復雜、體積大、轉接線較長，測量結果受轉接機構影響大而導致系統(tǒng)分辨率較低，測量過程中電荷泄漏快而引起誤差較大。本文從轉接測量原理出發(fā)，通過一系列試驗驗證，對轉接機構的各個部件進行分析和設計改進，以求減小測量誤差并提高系統(tǒng)分辨率。

1　非接觸式轉接測量原理

1.1航天器充放電模擬裝置

航天器充放電模擬裝置包括真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、電子輻照裝置、三維平移機構和轉接測量系統(tǒng)（見圖1）[9]。測量系統(tǒng)中的表面電位測量采用Trek341B型非接觸式靜電電位計，量程為-20～20kV。真空容器直徑約為1m，轉接導線長約1.5m，三維平移機構可牽引轉接測量系統(tǒng)的感應探頭從遠離樣品臺200mm處到達輻照中心，然后進行100mm×100mm×100mm范圍內(nèi)的三維掃描測量或任意一點的定位測量。

圖1　航天器充放電模擬裝置示意圖Fig. 1　Schematic diagram of spacecraft charging and discharging simulator(SCADS)

1.2電位轉接測量原理與分析

轉接測量系統(tǒng)如圖2所示，中間部分即是轉接機構，由內(nèi)部電容探頭、轉接導線和外部監(jiān)測板3部分構成。其中，電容探頭是轉接機構的主要部件，由感應探頭、絕緣體和屏蔽體構成，如圖3所示。

圖2　轉接測量系統(tǒng)示意圖Fig. 2　Schematic diagram of transfer measurement system

圖3　常用電容探頭結構Fig. 3　Structure of a traditional capacitance probe

圖2中的被測樣品受電子輻照而呈負電位，探頭靠近樣品時感應正電荷。理想情況達到靜電平衡時，轉接機構總電荷為0，且為等勢體。根據(jù)電容分壓原理，轉接機構的電位與樣品電位成正比例關系，通過標定可測量樣品電位[10]。

對轉接測量系統(tǒng)進行標定時，需在真空環(huán)境下將標準電壓源接于銅質(zhì)標定電極上來模擬帶電樣品。調(diào)節(jié)電壓源的輸出，使用轉接測量系統(tǒng)對每個輸出值進行多次測量并求平均值，將標準值和測量平均值線性擬合，求出關系式。實際測量時，即可根據(jù)測量值和標定關系式推算出樣品電位。

樣品對地可等效為一電容Cs，設其測量前帶電量為Q，則電位Vs=Q/Cs。設轉接機構對地等效電容為Cw，對地等效電阻為Ri；測量時感應探頭與樣品的耦合電容為Cf，則系統(tǒng)等效電路如圖4所示，其中Vs′和Vp分別為測量時樣品和轉接機構的電位。

圖4　測量系統(tǒng)等效電路圖Fig. 4　Equivalent circuit diagram of the measurement system

實際測量中當探頭靠近樣品時，因分布電容的存在會導致樣品電位降低；而標定時，因標定電極一直被施以恒壓，電位并不會降低。因此，經(jīng)標定關系式推算出的樣品電位要比真實值略低。從圖4可得測量時與測量前樣品的電位之比Vs′/Vs= Cs/(Cs+C)，其中C為Cw和Cf的串聯(lián)電容。以幾種典型材料的參數(shù)估算得Vs′/Vs的值都在0.9以上，這樣可經(jīng)過再次換算求得更接近真實值的樣品電位值。

嚴格來講，靜電感應的正負電荷不只分布在轉接機構兩端，且由于分布電容電阻的存在會引起電荷泄漏，因此轉接機構的電位會隨時間指數(shù)衰減，即

設轉接系數(shù)K=Vp/Vs，則K值越大，系統(tǒng)分辨率越高；電荷泄漏越快，測量誤差越大。從式(1)可看出：影響系統(tǒng)分辨率的主要因素為Cf和Cw；導致電荷泄漏的主要因素為Ri和Cw。另外，空氣中的異號電荷也會中和監(jiān)測板上的感應電荷，使測量結果衰減。

2　測量誤差和分辨率影響因素分析及對策

針對測量中所面臨的問題，轉接機構的設計目標主要是減小測量誤差和提高系統(tǒng)分辨率。

2.1減小測量誤差

測量誤差主要來源于轉接機構上的電荷泄漏。其主要有兩種泄漏方式：一是通過相連的物體將電荷泄漏至大地；二是與空氣中的異號電荷中和。要減小測量誤差則應盡量避免泄漏。

設系統(tǒng)的放電時間常數(shù)τ =RiCw，由式(1)可知應同時增大Ri和Cw。但增大Cw將導致系統(tǒng)分辨率降低，因而要求轉接機構具有很高的泄漏電阻。轉接機構主要通過3個接地點即轉接導線、真空轉接口和感應探頭向大地泄漏電荷，因而應：

1）增大轉接導線對地電阻

最初為了真空室內(nèi)布線美觀，曾直接將轉接導線緊貼真空室壁，造成轉接測量系統(tǒng)不僅分辨率低，還有明顯電荷泄漏。測量3000V的標準電壓時，電位計示數(shù)每秒衰減將近10V。后來根據(jù)真空室的特殊構造設計了2個絕緣支柱，將轉接導線架起，不僅使測量時電位計每秒衰減值降低到5V左右，系統(tǒng)分辨率也提高了近1倍。

2）增大真空轉接口電阻

轉接導線需穿過真空室壁與監(jiān)測板相連，為了增大導線與真空室壁間的電阻而設計了轉接口。轉接口為銅芯聚四氟乙烯柱，絕緣厚度約為2cm。這樣的轉接口電阻極大，能夠大大減少電荷泄漏。

3）增大感應探頭對地電阻

為了更大程度增大電阻并改善屏蔽效果，對常用電容探頭進行改造（如圖5所示）。其優(yōu)點為：感應探頭與屏蔽罩之間的沿面泄漏距離增大，其間大部分為真空，可減小探頭電容，增大泄漏電阻；靜電屏蔽效果更好，且有利于感應電場均勻分布[11]。

圖5　新型電容探頭結構及實物圖Fig. 5　New type of the capacitance probe and its picture

對改造前后的電容探頭進行對比試驗。調(diào)節(jié)電壓源，使分別安裝圖3和圖5中2種探頭的轉接系統(tǒng)對標定電極的測量初始值都為700V。保持電壓源恒定，記錄測量值的變化，得出的電荷泄漏特性曲線如圖6所示?？梢姲惭b新探頭的轉接系統(tǒng)電荷泄漏更慢，測量誤差更小。

盡管如此，伊朗不會輕易放棄已取得的成績，必將采取各種方法鞏固陣營，并繼續(xù)在“新月帶”的滲透，未來該地區(qū)將會陷入長期動蕩。如果伊朗深陷地區(qū)爭端無法抽身，勢必影響其經(jīng)濟發(fā)展，由此帶來的國內(nèi)經(jīng)濟壓力將會激化國內(nèi)改革派和保守派兩大勢力的矛盾，甚至可能發(fā)生內(nèi)亂。如果美國制裁導致伊朗政權的執(zhí)政受到威脅，有可能導致執(zhí)政當局鋌而走險，甚至采取極端手段使地緣局勢惡化。

圖6　電容探頭改造前后電荷泄漏特性對比Fig. 6　Charge leakage characteristics of different capacitance probes

2.1.2減少感應電荷與空氣中異號電荷中和

考慮環(huán)境因素，對監(jiān)測板周圍空氣干燥除濕以降低異號電荷密度；同時在滿足Trek電位計探頭有效測量面積的前提下，選用較小的監(jiān)測板，以減少與空氣的接觸面積。

另外，對銅質(zhì)的感應探頭和監(jiān)測板都進行了拋光鍍金加工，這樣不僅有利于感應電場均勻分布，提高測量精確度，同時還能防止長期環(huán)境因素引起的氧化效應，減少因表面污染而引起的電荷泄漏。

2.1.3系統(tǒng)清零和校準

無論如何增大轉接機構的泄漏電阻并減少其與空氣接觸，總有少量電荷泄漏使電位計讀數(shù)隨時間漂移，或者由于空間電荷在電容探頭上沉積而導致測量誤差。因此在每次測量之前必須將轉接機構接地以對其清零，并對電位計進行校準。

2.2提高系統(tǒng)分辨率

從式(1)看出，通過增大Cf、減小Cw可以提高系統(tǒng)分辨率，而由此導致系統(tǒng)放電時間常數(shù)的減小則盡量通過增大Ri進行補償。

2.2.1增大感應探頭與樣品間的耦合電容Cf

平板電容計算公式為C0=ε0·S/d，其中ε0為真空介電常數(shù)；S和d分別為兩板正對有效面積和間距。因此，要使電容增大，可減小感應探頭與被測樣品的距離，同時增大兩者的有效感應面積。

對于足夠大的樣品，增大感應探頭即是增大感應面積。圖7(a)為相同條件下對安裝不同直徑感應探頭的轉接測量系統(tǒng)進行標定試驗得出的擬合曲線，直徑為10、16、20、30和40mm的感應探頭對應的系統(tǒng)分辨率分別為25.9、15.5、11.9、6.9和5.5V，如圖7(b)所示?？梢姼袘筋^越大，系統(tǒng)分辨率越高。但是非接觸測量實際得到的是樣品上有效感應面積的電位平均值，感應探頭越大，其對被測樣品的空間分辨率越低。對于面積較大的平板樣品，若樣品充電均勻，測得的電位平均值即是期望的真實值。但若樣品的結構復雜，電位分布不均，則測得的平均電位將與真實值存在較大差距。因此應根據(jù)被測樣品的具體結構選用不同大小的感應探頭。

設置不同的感應距離，并在相同條件下分別進行標定試驗，得到擬合曲線和系統(tǒng)分辨率如圖8所示，其中，2、3和4mm的感應距離對應的系統(tǒng)分辨率分別為16.6、21.5和25.9 V?？梢姼袘嚯x越小，系統(tǒng)分辨率越高。但考慮感應距離過小會導致帶電樣品有放電風險，因此最終選取了2mm的感應距離。

圖7　不同大小感應探頭的標定曲線和系統(tǒng)分辨率Fig. 7　Calibration curves and systematic resolutions for sensing probes of different sizes

圖8　不同感應距離的標定曲線和系統(tǒng)分辨率Fig. 8　Calibration curves and systematic resolutions for different sensing distances

2.2.2減小轉接機構的對地等效電容Cw

如圖2，轉接裝置的對地等效電容主要由感應探頭對地等效電容Cw1、轉接導線對地等效電容Cw2和監(jiān)測板對地等效電容Cw3這3部分組成。

1）減小感應探頭對地等效電容Cw1

上文為了增大感應探頭的對地電阻而對電容探頭進行改造的同時，也減小了感應探頭的對地等效電容。對安裝新舊2種探頭的轉接系統(tǒng)分別進行標定試驗，得系統(tǒng)分辨率分別為7V和8V，可知新電容探頭效果更好。

2）減小轉接導線對地等效電容Cw2

設有限長水平導線半徑為r，長度為L，對地距離為h，則當(4h)2<< L2時，導線對地等效電容C 與ln(h/r)成反比例關系。因此應盡量縮短轉接導線的長度，增大轉接導線與接地導體間的距離，同時選用橫截面較小的導線，以減小轉接導線的對地等效電容。

上文通過絕緣支架將轉接導線架高后，系統(tǒng)分辨率已由16V提高到8V。為了驗證不同粗細導線對系統(tǒng)分辨率的影響，對安裝不同截面銅芯線的轉接系統(tǒng)分別進行標定試驗并得出系統(tǒng)分辨率如圖9所示，可見轉接導線越細，系統(tǒng)分辨率越高。但通過對更多導線進行試驗發(fā)現(xiàn)，隨著導線越來越細，分辨率提高的幅度會越來越小。為了保證導線有一定的柔韌強度，最終選擇了截面為0.05mm2的銅芯導線。

圖9　不同截面轉接導線的標定曲線和系統(tǒng)分辨率Fig. 9　Calibration curves and systematic resolutions for different cross section transfer wires

3）減小監(jiān)測板對地等效電容Cw3

監(jiān)測板與電位計探頭屏蔽罩之間存在耦合電容，其近似于平板電容器，因此應該在滿足電位計探頭有效測量面積的前提下使監(jiān)測板盡量小。分別對安裝有直徑1cm和2cm監(jiān)測板的轉接系統(tǒng)進行標定試驗，雖然兩者的系統(tǒng)分辨率并無明顯差別，但是小的監(jiān)測板與空氣接觸面積更小，能夠減少感應電荷與空氣中異號電荷中和。

3　結束語

本文分析了介質(zhì)電位非接觸式轉接測量中引起誤差的各個因素，提出了減小測量誤差和提高轉接測量分辨率的方法，并進行試驗驗證。減少測量誤差的方法主要有：合理對轉接導線進行布線，將其盡量遠離接地導體；增大感應探頭與屏蔽罩的絕緣強度；在滿足電位計探頭有效測量面積的前提下選用較小的監(jiān)測板。提高轉接測量分辨率的方法主要有：根據(jù)被測材料的要求盡量選用合適的感應探頭和感應距離；盡量減小轉接機構的對地等效電容。

根據(jù)以上方法對航天器介質(zhì)充電電位非接觸式轉接測量系統(tǒng)進行了改進，改進后的系統(tǒng)測量分辨率可小于10V，且電荷泄漏引起的誤差＜1%。此測量系統(tǒng)已應用于電荷貯存衰減法測量絕緣材料電導率試驗、SADA 導電環(huán)內(nèi)部充電模擬試驗等材料帶電試驗，測量數(shù)據(jù)符合預期，且與仿真結果基本一致。由于樣品充電電位可達幾千甚至上萬伏，10V的系統(tǒng)分辨率換算成相對測量誤差只有不到1%，能夠滿足航天器充電效應模擬試驗中的電位測量要求。

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（編輯：許京媛）

指導教師：張振龍（1976—），男，研究員，主要從事空間環(huán)境效應研究；E-mail: zzl@nssc.ac.cn。

Non-contact transferred potential measurement technology in ground testing for spacecraft dielectric charging effect simulation

Zheng Yaoxin1,2, Zhang Zhenlong1, Zheng Hansheng1,2, Han Jianwei1
(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract:The dielectric charging potential is one of the important parameters to be measured in the charging and discharging effect simulation test. A non-contact transferred measurement method is presented, the influencing factors on the measurement errors are analyzed, the methods for improving the transferred measurement resolution are proposed, and a non-contact measurement system with a transfer mechanism is designed. The validation test results show that the resolution of the dielectric charging voltage is less than 10V, and the error caused by the charge leakage is less than 1%. The system can meet the requirements of the spacecraft dielectric charging potential measurement.

Key words:spacecraft charging effect; potential measurement; non-contact measurement; resolution

作者簡介：鄭耀昕（1990—），男，碩士研究生，地球與空間探測技術專業(yè)；E-mail: zhengyaoxin13@mails.ucas.ac.cn。

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2016-03-20

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.018

中圖分類號：V416.8

文獻標志碼：B

文章編號：1673-1379(2016)02-0211-05