CN103413747B - 空间等离子体测量装置 - Google Patents

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Abstract

空间等离子体测量装置，有利于提高空间等离子体参数测量的速度和精度，包括PCI6251多功能数据采集卡，该卡一侧连接工控机，另一侧通过光电隔离电路分别连接探针扫描电源电路、探针电流检测电路和探针电压检测电路，所述工控机根据设定的扫描电压参数将电压值以数字信号的形式传输给所述数据采集卡，将所述电压值的数字信号转换为模拟信号输出，并在所述光电隔离电路中经过一级光电隔离放大后，再通过探针扫描电源电路加到探针上；探针电压检测电路测量探针上的探针电压，探针电流检测电路测量探针上的探针电流，PCI6251多功能数据采集卡的A/D端口将模拟信号转换为数字信号，并传输给所述工控机得出空间等离子体参数。

Description

空间等离子体测量装置
技术领域
本发明涉及空间等离子体诊断测试技术，特别是一种空间等离子体测量装置。
背景技术
空间等离子体探针诊断技术和其他测试技术一样，在其发展过程中要求不断的提高测量的速度和精度，减少测量对象的扰动。按照空间等离子体性质的不同，在测量方法上逐渐形成了两大测试技术“静态测试技术”和“瞬态测量技术”。对于稳态空间等离子体，由于其处于稳态，可以在任意时刻内记录采集数据，为此采用静态测量技术。研究瞬态空间等离子体时，由于衰减和波动的存在，必须瞬时记录数据，为此采用动态测量技术。不管是采用哪种测量技术，有一点是相同的，那就是都需要迅速改变探针对空间等离子体的电位，同时测得该电位所对应的探针电流，从而完成探针伏安特性的测量。现有技术中的空间等离子体探针测量装置的产品多用PLC或单片机实现，***的扫描速度和测量精度不够理想，抗干扰能力不强，软件编程较复杂，不够直观。另有部分研究人员仍在使用分离元件搭建诊断***，***的电压扫描依靠手动调节完成，数据的读取与选择也是由人工完成，这直接影响了测量的速度与准确性，测量结果不能真实反映空间等离子体的参数。急需研制出一种适合不同密度空间等离子体的测量装置以满足研究需要。从研究需要来说，空间等离子体探针测量装置的发展必然朝着以下几个趋势：①以快速的自动扫描和数据采集代替传统的手动测量方式，以提高测量速度，在更短的时间内得到更多的信息数据。②采用高精度的扫描输出和数据采集元件，以提高数据的精度，尽量减少因装置本身引起的实验误差；增强装置的抗干扰能力，努力提高测量结果的准确性和可靠性。③提高集成度，且使装置能于PC机相连，借助PC机的强大功能进行高速数据处理和丰富直观的结果显示。④提高装置的通用性，使之能满足不同空间等离子体的测量要求。⑤加装探针的机械扫描部分，使得装置能够一次测量不同点的空间等离子体参数，从而获得空间等离子体参数的空间分布。⑥提供友好的人机操作界面，使得使用者能直观方便的设置测量参数和读取测量结果。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种空间等离子体测量装置，有利于提高空间等离子体参数测量的速度和精度。
本发明的技术方案如下：
空间等离子体测量装置，其特征在于，包括PCI6251多功能数据采集卡，所述PCI6251多功能数据采集卡一侧连接工控机，另一侧通过光电隔离电路分别连接探针扫描电源电路、探针电流检测电路和探针电压检测电路，所述工控机根据设定的扫描电压参数将电压值以数字信号的形式传输给所述PCI6251多功能数据采集卡，所述PCI6251多功能数据采集卡的D/A输出端口将所述电压值的数字信号转换为模拟信号输出，并在所述光电隔离电路中经过一级光电隔离放大后，再通过探针扫描电源电路放大到指定倍数后作为扫描电压加到探针上；所述探针电压检测电路测量探针上的探针电压，所述探针电流检测电路测量探针上的探针电流，所述探针电压和所述探针电流经过所述光电隔离电路放大后通过所述PCI6251多功能数据采集卡的A/D端口将模拟信号转换为数字信号，并将探针电压数字信号和探针电流数字信号传输给所述工控机；所述工控机根据所述探针电压数字信号和探针电流数字信号计算得出空间等离子体参数。
所述PCI6251多功能数据采集卡具有24条双向通道数字I/O线和18个模拟端口，所述数字端口以推挽形式驱动发光二极管。
所述24个数字端口中包括1个2.5V标准电压端口和1个5V供电电源端口，2.5V标准电压是通过数模转换器DAC产生的，5V供电电源是由工控机提供的。
所述探针电流检测电路包括采样电阻，所述采样电阻串联在探针回路中，将探针电流转化成探针电压以进行测量。
所述探针电流检测电路包括隔离放大芯片ISO100AP。
所述探针电压检测电路采用电阻分压式电路。
所述探针电压检测电路包括隔离放大芯片ISO100AP，并采用ISO100AP单极输入接法使得所述探针电压检测电路作为同相放大器使用。
本发明的技术效果如下：本空间等离子体测量装置，其包括高精度的PCI6251多功能数据采集卡、探针扫描电源电路、探针电压检测电路、探针电流检测电路和光电隔离电路等五部分，使之提高了空间等离子体参数测量的速度和精度。本发明能够实现指标如下：①电压扫描范围：最大－100V～100V，范围无级可调，能实现不对称范围的电压扫描输出。②最大探针电流：100mA。③电压扫描速度：更新速率2.86MS/s。④电压扫描精度：最小步长0.01V。⑤电压检测精度：0.01V。⑥电流检测精度：0.01mA。⑦数据采集速度：采样率1.25MS/s。还能利用虚拟仪器软件完成基本的输出与采集功能，实时显示电流、电压、I-V曲线，并将数据以表格的形式输出，以方便进行后期处理。
附图说明
图1是实施本发明的空间等离子体测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明进行说明。
图1是实施本发明的空间等离子体测量装置示意图。如图1所示，空间等离子体测量装置，包括PCI6251多功能数据采集卡，所述PCI6251多功能数据采集卡一侧连接工控机，另一侧通过光电隔离电路分别连接探针扫描电源电路、探针电流检测电路和探针电压检测电路，所述工控机根据设定的扫描电压参数将电压值以数字信号的形式传输给所述PCI6251多功能数据采集卡，所述PCI6251多功能数据采集卡的D/A输出端口将所述电压值的数字信号转换为模拟信号输出，并在所述光电隔离电路中经过一级光电隔离放大后，再通过探针扫描电源电路放大到指定倍数后作为扫描电压加到探针上；所述探针电压检测电路测量探针上的探针电压，所述探针电流检测电路测量探针上的探针电流，所述探针电压和所述探针电流经过所述光电隔离电路放大后通过所述PCI6251多功能数据采集卡的A/D端口将模拟信号转换为数字信号，并将探针电压数字信号和探针电流数字信号传输给所述工控机；所述工控机根据所述探针电压数字信号和探针电流数字信号计算得出空间等离子体参数。所述PCI6251多功能数据采集卡具有24条双向通道数字I/O线端口和18个模拟端口。所述24个数字端口中包括1个2.5V标准电压端口和1个5V供电电源端口，2.5V标准电压是通过数模转换器DAC产生的，5V供电电源是由工控机提供的。所述探针电流检测电路包括采样电阻，所述采样电阻串联在探针回路中，将探针电流转化成探针电压以进行测量。所述探针电流检测电路包括隔离放大芯片ISO100AP。所述探针电压检测电路采用电阻分压式电路。所述探针电压检测电路包括隔离放大芯片ISO100AP，并采用ISO100AP单极输入接法使得所述探针电压检测电路作为同相放大器使用。
美国国家仪器(NI)公司的PCI6251多功能数据采集卡为本发明的核心元件。在此，采集卡主要实现了以下功能：①提供高速PCI通道与计算机通讯，使得整个***能与计算机相连；②实现高速高精度的D/A数据转换输出；③实现高速高精度的A/D数据转换与采集。PCI6251的数字端口输入、输出电压范围为：0V～5V，端口具有很高的输入阻抗。
PCI6251多功能数据采集卡自身能提供24条双向通道数字I/O线，并通过SPI总线分别控制一个模数转换器（ADC）提供16个模拟输入端口（AI0～AI15）、两个数模转换器（DAC）提供2个模拟输出端口（AO0,AO1）。最终由这些端口与对应模拟输入、输出终端和数字输入、输出终端相连。PCI6251有24个双向数字端口。2.5V的标准电压端口是通过DAC产生的，5V的供电电源是由计算机提供。PCI6251有18个模拟端口，其中16个差分模拟输入端口（AI0～AI15），2个模拟输出端口（AO0和AO1），16个模拟地端口。在模拟地端口中，AI0和AI4、AI1和AI5、AI2和AI6、AI3和AI7分别共用一个模拟地端口，另外两个模拟地端口分别对应AO0和AO1。
电流检测部分采用的是利用采样电阻串联进探针回路，将探针电流转化成电压的方法来进行测量的。电压最大输出范围为－100V～100V，电压跨度不是很大，故采用一般的电阻分压式电路便能达到测量精度要求。电路采用ISO100AP单极输入接法作为同相放大器使用，电压检测电路采用电阻分压式电路，在探针供电处对地并联一个由限流电阻R5和取样电阻RPot6组成的串联电路，这样电阻RPot6上的电压URPot6=VpR5/RPot6。这个电压经一级光电隔离放大K3倍后进入采集卡的A/D输入端口，合理的选取R5与RPot6的阻值，使得URPot6和K3×URPot6分别不超过光电隔离放大器和采集卡A/D输入端的极限电压值。最后采集到的K3×URPot6通过软件放大R5/K3RPot6倍后即为探针驱动电压真实值，这样就完成了对探针电压的数据采集。扫描电源电路工作原理如下：首先，由采集卡的模拟端口输出探针所需的扫描电压V0，经过ISO100AP隔离放大得到V0'（实际上此处的放大倍数为1，ISO100AP起电压隔离跟随的作用，故有V0=V0'）；然后，由于采集卡的模拟输出是双极性的电压输出，将隔离后的电压信号V0'送入大功率运放PA93放大K倍后得到探针所需要的电压Vp。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (3)

1.空间等离子体测量装置，其特征在于，包括PCI6251多功能数据采集卡，所述PCI6251多功能数据采集卡一侧连接工控机，另一侧通过光电隔离电路分别连接探针扫描电源电路、探针电流检测电路和探针电压检测电路，所述工控机根据设定的扫描电压参数将电压值以数字信号的形式传输给所述PCI6251多功能数据采集卡，所述PCI6251多功能数据采集卡的D/A输出端口将所述电压值的数字信号转换为模拟信号输出，并在所述光电隔离电路中经过一级光电隔离放大后，再通过探针扫描电源电路放大到指定倍数后作为扫描电压加到探针上；所述探针电压检测电路测量探针上的探针电压，所述探针电流检测电路测量探针上的探针电流，所述探针电压和所述探针电流经过所述光电隔离电路放大后通过所述PCI6251多功能数据采集卡的A/D端口将模拟信号转换为数字信号，并将探针电压数字信号和探针电流数字信号传输给所述工控机；所述工控机根据所述探针电压数字信号和探针电流数字信号计算得出空间等离子体参数；所述探针电流检测电路包括隔离放大芯片ISO100AP；所述探针电压检测电路包括隔离放大芯片ISO100AP，并采用ISO100AP单极输入接法使得所述探针电压检测电路作为同相放大器使用；
所述PCI6251多功能数据采集卡具有24个数字端口和18个模拟端口，所述数字端口以推挽形式驱动发光二极管；所述24个数字端口中包括1个2.5V标准电压端口和1个5V供电电源端口，2.5V标准电压是通过数模转换器DAC产生的，5V供电电源是由工控机提供的。
2.根据权利要求1所述的空间等离子体测量装置，其特征在于，所述探针电流检测电路包括采样电阻，所述采样电阻串联在探针回路中，将探针电流转化成探针电压以进行测量。
3.根据权利要求1所述的空间等离子体测量装置，其特征在于，所述探针电压检测电路采用电阻分压式电路。
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