程炳鈞，王 斌，周 斌，丁松鶴

（1.中國科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

月球表面積聚著厚重的月塵，其受太陽及宇宙射線等的照射而呈帶電狀態(tài)，很容易被吸附到探月儀器設(shè)備中，對設(shè)備的各項功能造成嚴(yán)重影響。如月塵靜電放電可形成瞬時大電流，并伴隨著強(qiáng)電磁輻射，對電子設(shè)備造成嚴(yán)重的干擾和損害。因此為保證各種設(shè)備在登月后的安全使用[1-2]，在進(jìn)行登月探測之前，必須對月面各種危害因素進(jìn)行論證及月球環(huán)境模擬試驗，其中一項較重要的試驗項目為月塵表面靜電電位的測量。

靜電電位測量的方法[3]主要分為接觸式測量與非接觸式測量兩種。接觸式測量需要將被測帶電體直接與測量電極相連，測量結(jié)果易受輸入電容、阻抗的影響。一般情況下，采用接觸式測量會影響被測帶電體的帶電情況，測量讀數(shù)會隨時間呈指數(shù)衰減；當(dāng)被測靜電電壓超出測量儀器最大量程時，采用接觸式測量還有可能損壞測量儀器；而且，在空間環(huán)境中其測量結(jié)果會受帶電粒子的影響。測量精度較低。因此，目前普遍采用非接觸式測量方法進(jìn)行靜電電位的測量。

非接觸式測量又可分為感應(yīng)式與振動電容式兩種。國外靜電電位測量系統(tǒng)多采用振動電容式，即利用機(jī)械振動的方法引起感應(yīng)電極與被測表面間的電容變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，再通過對感應(yīng)電流 的測量計算得出被測表面的靜電電位。使用該方法時，測量儀器無需與被測帶電體接觸，工作可靠性提高，且測量過程中受空間環(huán)境因素影響較小。

國內(nèi)靜電電位測量系統(tǒng)主要是感應(yīng)式，即利用探頭與帶電體之間的電容直接感應(yīng)，對產(chǎn)生的感應(yīng)電流進(jìn)行放大及數(shù)據(jù)處理。使用該測量方法時，在探測前須遠(yuǎn)離帶電體對儀器進(jìn)行清零，且探測中隨著感應(yīng)電極中電流的變化，輸出結(jié)果將趨近于零，無法實現(xiàn)長期穩(wěn)定的探測，因而不能有效應(yīng)用于空間環(huán)境中的靜電電位測量。

鑒于以上情況，國內(nèi)目前也已開展振動電容式靜電電位測量裝置的研制，但成熟產(chǎn)品較少，專門針對空間環(huán)境應(yīng)用的則更為缺乏。本文根據(jù)地面環(huán)境模擬試驗的需要，應(yīng)用Kelvin 振動電容原理[4]設(shè)計研制了一種可測量帶電體表面靜電電位的非接觸式表面電位探針。

1 表面電位探針設(shè)計原理

表面電位探針主要應(yīng)用振動電容法原理[4-6]，如圖1所示。設(shè)置一個與被測介質(zhì)表面平行的振動電極，并作垂直于被測表面的正弦振動，則振動電極與被測介質(zhì)表面間的距離為

式中：D0為當(dāng)振動電極靜止時與被測表面間的初始距離，m；D1為振動的振幅，m；ω為振動的角頻率，rad/s，ω=2πf。

圖1 振動電容法原理Fig.1 Principle of the vibration capacitor method當(dāng)振動電極（感應(yīng)電極）振動時，它與被測表面之間形成的電容隨振動而變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流

式中：U為待測表面電位；ε為介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；A為振動電極的感應(yīng)面積。

因此，當(dāng)振動電極的初始距離、感應(yīng)面積等相關(guān)參數(shù)確定后，通過對感應(yīng)電流信號的測量，即可計算得到被測表面的電位。

根據(jù)儀器設(shè)計，電極的振動頻率為30 Hz，當(dāng)測量電壓為4 000 V 時，對應(yīng)的感應(yīng)電流約為32 nA，這對微弱電流的放大處理及噪聲屏蔽提出了較高的要求。

2 表面電位探針總體設(shè)計方案

2.1 傳感器設(shè)計

選用壓電陶瓷片作為振動電容法測量靜電電位的振動機(jī)構(gòu)，并在陶瓷片末端粘貼金屬材料形成感應(yīng)電極。壓電陶瓷的形變量與振動驅(qū)動電壓成正比，因此在對壓電陶瓷片進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計后，可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓來控制振動機(jī)構(gòu)的振幅，以滿足測量的需求。壓電陶瓷振動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.2 Sketch of the piezoelectric ceramic flake

壓電陶瓷片的優(yōu)點是易驅(qū)動、振幅大、低頻驅(qū) 動、振動噪聲小且壽命長；缺點是振動的驅(qū)動電壓貫穿在整個陶瓷片上，會在感應(yīng)電極上產(chǎn)生附加感應(yīng)電流，影響測量結(jié)果。具體說來，振動端工作時，驅(qū)動電壓作用在整個陶瓷貼片上，如將感應(yīng)電極直接粘貼在陶瓷片上，則感應(yīng)電極與陶瓷片之間也會形成一個電容，并隨驅(qū)動電壓的正弦變化在感應(yīng)電極內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，影響測量結(jié)果。

針對以上問題，設(shè)計中對陶瓷貼片整體進(jìn)行絕緣處理，并在絕緣層外加覆導(dǎo)電涂層接地，形成屏蔽層對整個陶瓷振動片進(jìn)行屏蔽，可極大削弱驅(qū)動感應(yīng)電流對外界的輻射。感應(yīng)電極通過另外一層絕緣層隔離后固定在振動片上。振動機(jī)構(gòu)中壓電陶瓷感應(yīng)電極的剖面如圖3所示。

圖3 感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 The cross section of the induction electrode

屏蔽效果可通過試驗來驗證。采用示波器對經(jīng)過一級放大后的感應(yīng)信號進(jìn)行頻譜分析，取30 Hz 頻率點的信號值進(jìn)行分析，則感應(yīng)電極在屏蔽前與屏蔽后對同一被測電壓的感應(yīng)信號對比如圖4所示。

圖4 感應(yīng)電極屏蔽效果對比Fig.4 Effect of shield for the induction electrode

試驗中被測電壓設(shè)定為100 V，理論計算經(jīng)一級放大后30 Hz 點頻譜分析結(jié)果應(yīng)為6 mV 左右。屏蔽前30 Hz 點對應(yīng)的感應(yīng)信號幅度約為328 mV（見圖4(a)）；經(jīng)過屏蔽處理后，由于濾除了陶瓷片驅(qū)動電壓對感應(yīng)電極的影響，30 Hz 點對應(yīng)的感應(yīng)信號幅度減小為7.48 mV 左右（見圖4(b)），接近理論計算值。試驗證明經(jīng)過屏蔽設(shè)計的感應(yīng)電極可極大減小驅(qū)動電源對測量結(jié)果的噪聲干擾。

傳感器探頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，由鋁合金材料做成封閉式探頭機(jī)箱，以減少外部環(huán)境對探測結(jié)果的影響，并在振動陶瓷片的自由振動端處開設(shè)一探測窗。振動陶瓷片壓緊端通過壓緊機(jī)構(gòu)與探頭機(jī)箱固定，保證維持自由振動端的初始高度不變。在探頭機(jī)箱四角設(shè)計絕緣墊腳安裝孔，可保證探頭結(jié)構(gòu)與被測平面之間絕緣，且可通過調(diào)節(jié)絕緣墊腳高度來改變傳感器與被測平面間的初始距離，以滿足不同探測項目的需求。

圖5 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.5 Overall structure of the noncontact surface potential probe

2.2 電子學(xué)箱設(shè)計

電子學(xué)箱主要實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換供電、為振動機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動電壓以及感應(yīng)電流的信號處理與通信控制功能，因此按供電模塊、驅(qū)動模塊、信號處理與通信控制模塊共3 個功能模塊分別設(shè)計。

1）供電模塊

供電模塊須實現(xiàn)對輸入電源的DC/DC 轉(zhuǎn)換及為儀器內(nèi)部供電功能。試驗中，月球模擬艙可為探頭提供+28 V 直流電源，而電子學(xué)線路的工作電壓通常為±12 V 與+5 V。因此須對輸入電源進(jìn)行二次電源轉(zhuǎn)換，以滿足電子學(xué)線路的工作需求。

2）驅(qū)動模塊

探頭中的振動機(jī)構(gòu)在工作時須由驅(qū)動模塊提供正弦交變的驅(qū)動電壓。驅(qū)動模塊先對直流電壓進(jìn)行DC/AC 轉(zhuǎn)換，輸出頻率為30 Hz 的交流信號；再由放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制后，將此交流信號通過電纜輸送至振動機(jī)構(gòu)；振動機(jī)構(gòu)的自由振動端在驅(qū)動電壓作用下產(chǎn)生頻率為30 Hz 的振動。驅(qū)動電壓的大小確定振動機(jī)構(gòu)的最大振幅。

3）信號處理與通信控制模塊

信號處理與通信控制模塊主要實現(xiàn)對感應(yīng)電 流信號的放大處理、數(shù)字信號轉(zhuǎn)換以及與下位機(jī)之間的通信控制功能。信號處理模塊的設(shè)計框圖如 圖6所示。

圖6 電子學(xué)箱信號處理模塊設(shè)計框圖Fig.6 Signal processing model of the electrical box

由兩級運(yùn)算放大電路組成前置放大電路，對由振動電極感應(yīng)到的微小信號進(jìn)行前置放大處理。一級放大電路將微弱的電流信號進(jìn)行放大，經(jīng)二級放大電路的濾波和再放大后輸出正負(fù)交變電壓信號。本設(shè)計的一級放大電路采用OPA128 運(yùn)算放大器，其偏置電流與漏電流均處于fA 量級，可滿足對微小電流信號放大的要求。

A/D 采樣模塊將經(jīng)過濾波放大后的交變電壓信號進(jìn)行12 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換，由數(shù)據(jù)運(yùn)算控制單元的單片機(jī)對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和反演后得到被測介質(zhì)表面的電位值。本設(shè)計中的采樣頻率為180 Hz，是被采樣頻率的6 倍，滿足香農(nóng)采樣定理的要求，可保證數(shù)據(jù)采樣及運(yùn)算結(jié)果的可靠。

數(shù)據(jù)指令總線接口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)布以及對下位機(jī)指令的接收，可實現(xiàn)對電子學(xué)箱工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 對比標(biāo)定實驗

為對根據(jù)上述設(shè)計方案研制的電位探針進(jìn)行標(biāo)定，開展了一系列的對比標(biāo)定實驗。對比標(biāo)定平臺如圖7所示，將探針的探頭放置于導(dǎo)電極板上，用計量標(biāo)定過的高壓電源對導(dǎo)電極板加高壓，由電位探針測量導(dǎo)電極板的電位值，將探針測量值與高壓電源的實際輸出值進(jìn)行對比，得到電位探針的測量范圍、線性度及精度等技術(shù)指標(biāo)。

圖7 電位測量對比標(biāo)定平臺示意圖Fig.7 The surface potential calibration system

經(jīng)對比標(biāo)定，本電位探針的實際技術(shù)指標(biāo)如下。

1）測試電壓范圍：0～4000 V；

2）測量精度：全量程范圍內(nèi)不大于5%，1000 V以上優(yōu)于2%；

3）數(shù)據(jù)輸出速率：1 Hz；

4）工作真空度要求：優(yōu)于10-3Pa；

5）工作溫度范圍：-100～+100 ℃。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計研制的非接觸式表面電位探針利用Kelvin 振動電容法原理，將靜電電位的測量轉(zhuǎn)化為電流的測量。目前已完成樣機(jī)的研制，通過實驗室對比標(biāo)定測試表明，其工作穩(wěn)定，全量程范圍內(nèi)具有良好的線性度。

該非接觸式表面電位探針除應(yīng)用于空間環(huán)境仿真試驗平臺的靜電探測外，還可應(yīng)用于衛(wèi)星平臺的表面充電電位監(jiān)測[7]，對高水平充電進(jìn)行預(yù)警，以便及時啟動主被動防護(hù)措施，避免衛(wèi)星在軌發(fā)生充放電故障。

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