CN104941958A - 一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置 - Google Patents

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关燚炳
朱光武
孙越强
梁金宝
张爱兵
郑香脂
丁建京
孔令高
田峥
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Abstract

本发明提供了一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，包括：高压模块、稳压二极管、继电器和电源模块；所述的电源模块用于驱动高压模块产生高电压，并同时产生继电器控制信号；所述的稳压二极管用于对高电压中的高压纹波进行抑制，并将该高电压的电压值限制在设定的范围内；所述继电器的触点通过继电器控制信号，控制传感器和在轨除污装置之间的电路通断。利用该在轨除污装置可实现在轨过程中快速有效的去除传感器表面污染，避免高温除污染对对传感器材料造成氧化等损伤；采用继电器，实现了除污装置和测量电路的隔离，并共用传感器内部电缆，在不改变传感器内部结构的情况下简化了结构设计。

Description

一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置
技术领域
本发明涉及空间探测的技术领域，尤其涉及一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置。
背景技术
朗缪尔探针传感仪是测量空间等离子体的重要设备，而传感器是其实现科学探测的关键部件。当朗缪尔探针传感仪在轨工作时，如果其传感器表面被污染，会对科学测量的结果产生较大误差，且该误差不可预知。因此，随着朗缪尔探针传感仪在我国空间探测方面的逐步应用，需要提出一种即可以实现在轨去除传感器表面污染，又快速有效的技术方法。
目前，朗缪尔探针传感仪除污染的方法通常是采用高温除污染技术。如图1所示，高温除污染的原理是通过对传感器加热，增强传感器表面吸附的分子或粒子的热运动，从而去除表面污染。具体是在朗缪尔探针的传感器内部安装加热灯丝，通过增加灯丝电流使其发热，从而使得传感器表面处于高温状态，实现表面除污染。
而高温除污染技术存在的问题包括：①工作效率低、除污时间长；②实现结构复杂；③会使得传感器材料加速老化。该除污方法在实现过程中，为避免影响朗缪尔探针在轨运行过程中的正确测量，加热灯丝不能直接接触传感器表面，其热量的传递主要是通过辐射，因此除污效率很低。且在除污染后，传感器表面热度需要较长的时间才能恢复到初始温度状态，该时间为数小时甚至数十小时。
另外，由于传感器的尺寸较小（通常为cm量级），其内部空间有限，因此安装的加热灯丝的结构设计较为复杂，且存在可靠性风险。
在高温除污染过程中，传感器表面温度会达到上百摄氏度，不可避免的会造成材料的加速老化，影响其使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的朗缪尔探针传感仪的高温除污方法存在工作效率低、除污时间长、结构复杂、且易导致传感器材料老化的技术问题，本发明提供一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置。该在轨除污装置是通过在朗缪尔探针传感器上加载高压，实现传感器表面的除污染。其本质是当在朗缪尔探针传感器上加载高压时，加速吸引空间带电粒子轰击传感器表面，从而将吸附在传感器表面的分子或粒子清除。
为实现上述目的，本发明提供一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，包括：高压模块、稳压二极管、限流电阻、继电器和电源模块。所述的电源模块用于驱动高压模块产生高电压，并同时产生继电器控制信号；所述的稳压二极管用于对高电压中的高压纹波进行抑制，并将该高电压的电压值限制在设定的范围内；所述继电器的触点通过继电器控制信号，控制传感器和在轨除污装置之间的电路通断。
高压除污染可以快速有效的去除传感器表面污染，且除污染工作结束后，继电器立即切换到正常测量电路，即立即恢复到在轨测量状态。不存在高温除污染技术的传感器表面热度由高温缓慢恢复到初始温度状态的过程。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的在轨除污装置还包括限流电阻，该限流电阻用于对除污过程中产生的吸收电流进行电流幅度限制。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的继电器采用T12PF70YS型电磁继电器；其触点的初始状态设定为连接测量电路。
作为上述技术方案的进一步改进，所述高压模块产生100V的高电压，所述稳压二极管采用BWC57型稳压二极管。
作为上述技术方案的进一步改进，所述高压模块产生200V的高电压，所述稳压二极管采用1N6031型稳压二极管。
本发明的一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置的优点在于：
本发明的在轨除污装置利用高压除污染，可实现在轨过程中快速有效的去除传感器表面污染，避免高温除污染对对传感器材料造成氧化等损伤；设置限流电阻，可有效抑制除污染过程中产生的吸收电流，使其不超过高压模块的最大额定电流，起到自我保护功能；采用继电器，实现了除污装置和测量电路的隔离，并共用传感器内部电缆，在不改变传感器内部结构的情况下简化了结构设计。
附图说明
图1为现有的朗缪尔探针传感仪的高温除污原理图。
图2为本发明的用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置的结构示意图。
图3为本发明实施例中的一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置的结构示意图。
图4为本发明中的限流电阻与加载电压/负载电流的关系曲线。
图5为利用本发明的在轨除污装置进行除污实验的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置进行详细说明。
本发明的一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，包括：高压模块、稳压二极管、继电器和电源模块；所述的电源模块用于驱动高压模块产生高电压，并同时产生继电器控制信号；所述的稳压二极管用于对高电压中的高压纹波进行抑制，并将该高电压的电压值限制在设定的范围内；所述继电器的触点通过继电器控制信号，控制传感器和在轨除污装置之间的电路通断。
该电路原理是一个由高压模块产生高压，通过稳压二极管将高电压稳定在设计范围内；同时，通过继电器控制信号使能继电器切换到在轨除污装置的电路，使得高电压加载到传感器表面，从而实现高压除污染。
如图2所示，基于上述的用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，该在轨除污装置还包括限流电阻，该限流电阻用于对除污过程中产生的吸收电流进行电流幅度限制。由于除污染过程中传感器上加载了高压，在加速吸收空间带电粒子轰击传感器表面的同时会产生吸收电流。限流电阻的主要功能是对除污染过程中产生的吸收电流进行电流幅度限制，以避免该吸收电流超过高压模块的最大额定电流，造成高压模块的失效。因此，该限流电阻的阻值选择与高压模块的输出高压值和最大额定电流相关，一般选择为kΩ量级电阻。
V1＝V0-VR      公式（1）
上式中，V1为加载到朗缪尔探针传感仪的传感器上的实际电压，V0为高压模块的输出电压，VR为限流电阻压降，且有：
VR＝I·R      公式（2）
上式中，R为限流电阻阻值，I为吸收电流值。
如设定高压模块输出+200V高压，最大额定电流为10mA时，如图4所示，限流电阻与加载的实际电压和负载电流的关系曲线。
从图中可知，当限流电阻阻值为0Ω时，加载到朗缪尔探针传感仪的传感器上的实际电压V1即为+200V，最大可吸收电流为10mA。随着限流电阻阻值的增大，其电阻压降VR增大，加载到朗缪尔探针传感仪的传感器上的实际电压V1相应减小；当电压V1减小时，传感器表面吸收空间带电粒子产生的电流也相应减小，因此吸收电流不会超过最大额定电流，从而起到保护作用。
所述的高压模块产生的高压通常在几十伏特到几百伏特之间。该高压模块可以选择由变压器及其***电路实现，也可以选择由EMCO公司的集成高压模块实现。
所述的稳压二极管是根据高压电压值的不同而选定的。如设计需要加载+100V高压的高压模块，可选择BW系列的BWC57稳压二极管；设计需要加载+200V高压的高压模块，可选择1N系列的1N6031稳压二极管。
所述的继电器能够实现在轨除污装置和测量电路的隔离，使朗缪尔探针传感仪的除污染工作和在轨探测工作相互独立，且不造成互相干扰。该继电器可选择STPI公司的T12PF70YS型电磁继电器。
在本实施例中，如图3所示，T12PF70YS型电磁继电器的初始状态设定为触点连接测量电路。当在轨除污装置工作时，即电源模块加电，并产生继电器控制信号，使能继电器的触点切换到在轨除污装置的电路，同时实现与测量电路的隔离，从而不形成相互干扰。当在轨除污装置工作结束时，即电源模块断电，不再产生继电器控制信号，此时继电器自动恢复到初始状态。
T12PF70YS型电磁继电器的特点是其两个静触点分别为常开触点和常闭触点，其初始状态为动触点与常闭触点吸合。当继电器线圈流过一定电流时，产生电磁效应，在电磁力吸引的作用下，动触点与常闭触点释放，与常开触点吸合，从而达到在电路中的导通和切断的目的。
在图3所示的电路结构中，传感器连接动触点，而测量电路连接常闭触点，即初始为传感器与测量电路处于导通状态。在轨除污装置连接常开触点，即初始为传感器与在轨除污装置处于断开状态。当在轨除污装置不加电时，继电器始终处于初始状态。当在轨除污装置的电源模块加电后，其电流驱动器件上电工作，产生继电器控制信号，即产生电流流过继电器线圈，使能动触点与常闭触点释放、与常开触点吸合，即与测量电路断开、与在轨除污装置导通。当在轨除污装置断电后，电流驱动器件停止工作，不产生继电器控制信号，不再有电流流过继电器线圈，继电器自动恢复到初始状态，即传感器与测量电路恢复导通状态。
如图5所示，基于上述的一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，在意大利国际天体物理研究院行星际空间物理所（INAF-IFSI）的等离子体模拟实验设备上进行了除污染测试。
实验情况如下：
分别对朗缪尔探针传感仪的传感器表面被污染状态和加载+200V电压去污染进行了测试，对各次测试获得的等离子体参数进行比对分析，见表1。
表1实验结果数据比对分析表
通过上述实验结果可以看出，传感器表面被污染时，其测量结果与基准值存在很大的相对误差。在采用高压除污染后，测量获得的等离子体电子密度、电子温度和等离子电位等参数与基准值的相对误差优于10%，有效的去除了传感器表面的污染。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，其特征在于，所述的在轨除污装置包括：高压模块、稳压二极管、继电器和电源模块；所述的电源模块用于驱动高压模块产生高电压，并同时产生继电器控制信号；所述的稳压二极管用于对高电压中的高压纹波进行抑制，并将该高电压的电压值限制在设定的范围内；所述继电器的触点通过继电器控制信号，控制传感器和在轨除污装置之间的电路通断。
2.根据权利要求1所述的用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，其特征在于，所述的在轨除污装置还包括限流电阻，该限流电阻用于对除污过程中产生的吸收电流进行电流幅度限制。
3.根据权利要求1所述的用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，其特征在于，所述的继电器采用T12PF70YS型电磁继电器；其触点的初始状态设定为连接测量电路。
4.根据权利要求1所述的用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，其特征在于，所述高压模块产生100V的高电压，所述稳压二极管采用BWC57型稳压二极管。
5.根据权利要求1所述的用于朗缪尔探针传感仪的在轨除污装置，其特征在于，所述高压模块产生200V的高电压，所述稳压二极管采用1N6031型稳压二极管。
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