CN105704900B - 一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置，采用幅值可调的方波脉冲信号经过放大后作为Langmuir探针的偏置电压。电流信号采集***在每个脉冲偏置电压上特定的电流采集点进行快速采集电流，然后电压降到0值，探针自然冷却后，再进行下一个脉冲方波的施加和采集，从而避免探针自加热效应的产生。并且，电流信号采集***采用软开关技术和大范围电流测量手段，避免了离子电流微纳量采集的精度缺陷。最后，同步电压信号和电流信号经过DSP数据处理***处理计算后得到Langmuir探针的V‑I特性曲线及电子温度、能量分布、电子密度和空间电位等参数，并在上位机***上方便显示。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体科学与技术领域，尤其涉及一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置。
背景技术
静电探针技术是低气压等离子体参数诊断的必备工具之一，虽然探针测量理论在100年前已经发展成熟，但是实际测量的误差一直比较粗燥，致使探针测量数据只具有数量级参考意义。我们分析其误差来源，其中，电子饱和流过大，使得探针自加热引起内阻变大导致的误差显著。实际使用过程中，探针电压由外部电源驱动，电流经由所测量的等离子体、探针而形成测量回路。由于等离子体负载的电阻跨5个数量级，电子电流大于离子电流致使。因而造成电流采集的测量范围也需要跨5个数量级，这是电流测量手段的一个难点。并且，目前市场上不具有消除内阻误差效应的探针测量***的价格在5万元以上（进口设备在20万元左右）。
因此，开发一种测量精度高、稳定性好、体积小、重量轻且成本相对低廉的一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的静电探针测量装置存在的不足，提出了一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置。
本发明拟采用以下技术方案：
一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置，其特征在于，本发明由正负调幅脉冲发生器、驱动电路、Langmuir探针、DSP数据处理***、上位机***、电流信号采集***组成。其中，正负调幅脉冲发生器产生两路输出，一路输出方波脉冲信号并经过驱动电路产生探针偏置信号，另一路输出同步脉冲信号。上位机***根据同步脉冲信号及设定程序向电流采集***输出电流采集信号，从而控制电流信号采集***在指定时间段对Langmuir探针进行电流采集。然后，同步脉冲信号与电流信号经过DSP数据处理***处理计算后得到Langmuir探针的V-I特性曲线，并依此推导计算出电子温度、能量分布、电子密度和空间电位等参数，最后显示在上位机***。
有益效果：1、采用幅值可调方波脉冲作为探针偏置信号，在每个电压阶梯的特定点上快速采集电流，然后电压降到0值，探针自然冷却后，再进行下一个脉冲方波的施加并采集。如此，避免了探针自加热效应的产生。2、采用软开关技术和大范围电流测量手段，避免了离子电流微纳量采集的精度缺陷。而且价格成本约2000元，具有一定的价格优势。
附图说明
图1为本发明原理结构示意图。其中，正负调幅脉冲发生器（1），方波脉冲信号（2），驱动电路（3），探针偏置信号（4），Langmuir探针（5），同步脉冲信号（6），DSP数据处理***（7），电流采集信号（8），电流信号读取（9），电流信号（10），电流信号采集***（11），上位机***（12）。
图2为方波脉冲信号原理示意图。其中，脉冲幅值（13），零点电位（14）。
图3为同步脉冲信号原理示意图。其中，电流采集点（15），电流采集延时（16）。
具体实施方式
下面结合图1、图2、图3来进一步说明本发明的技术方案。图1所示的一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置，由正负调幅脉冲发生器（1），方波脉冲信号（2），驱动电路（3），探针偏置信号（4），Langmuir探针（5），同步脉冲信号（6），DSP数据处理***（7），电流采集信号（8），电流信号读取（9），电流信号（10），电流信号采集***（11），上位机***（12）构成，其特征是：正负调幅脉冲发生器（1）产生两路信号输出，一路输出是方波脉冲信号（2）经过驱动电路（3）放大后为Langmuir探针（5）提供探针偏置信号（4）；另一路输出是同步脉冲信号（6）。一方面，同步脉冲信号（6）为上位机***（12）提供电流采集点（15）和电流采集延时（16）；另一方面，同步脉冲信号（6）与电流信号（10）经过DSP数据处理***（7）处理得到Langmuir探针（5）的V-I特性曲线，并在上位机***显示。
其特征2是：方波脉冲信号（2）的脉冲幅值（13）和上升梯度可以通过改变上位机***（12）参数在一定的范围内进行调节，以及方波脉冲信号（2）的零点电位（14）宽度可以根据实际情况任意调节，并且方波脉冲信号（2）的正负性可调。
其特征3是：同步脉冲信号（6）上的电流采集延时（16）和电流采集点（15）可以根据实际需要通过上位机***（12）任意调节。
其特征4是：电流信号采集***（11）采用软开关技术和大范围电流测量手段，在同步脉冲信号（6）上的电流采集点（15）对Langmuir探针（5）快速采集电流信号（10）；而在零点电位（14）停止采集，此时Langmuir探针（5）自然冷却，从而避免了探针自加热效应和离子电流微纳量采集的精度缺陷。
其特征5是：DSP数据处理***（7）实时对同步脉冲信号（6）与电流信号（10）进行处理计算得到Langmuir探针（5）的V-I特性曲线，且根据实际需要依此推导计算出电子温度、能量分布、电子密度和空间电位等参数，并在上位机***（12）上显示。
Claims (3)
1.一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置，由正负调幅脉冲发生器（1），方波脉冲信号（2），驱动电路（3），探针偏置信号（4），Langmuir探针（5），同步脉冲信号（6），DSP数据处理***（7），电流采集信号（8），电流信号读取（9），电流信号（10），电流信号采集***（11），上位机***（12）构成，其特征是：正负调幅脉冲发生器（1）产生两路信号输出，一路输出方波脉冲信号（2），经过驱动电路（3）放大后为Langmuir探针（5）提供探针偏置信号（4），另一路输出同步脉冲信号（6），且同步脉冲信号（6）为上位机***（12）提供电流采集点（15）和电流采集延时（16）；装置运行时，电流信号采集***（11）在每个同步脉冲信号（6）阶梯上的电流采集点（15）对Langmuir探针（5）进行电流信号采集，在零点电位（14）上停止采集，从而使Langmuir探针（5）自然冷却，避免了探针自加热效应。
2.根据权利要求1所述的一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置，其特征是在电流信号采集***（11）对Langmuir探针（5）进行电流信号采集过程中采用软开关技术和大范围电流测量手段，从而避免离子电流微纳量采集的精度缺陷。
3.根据权利要求1所述的一种正负调幅脉冲驱动静电探针及数据采集分析一体装置，其特征是DSP数据处理***（7）实时对同步脉冲信号（6）与电流信号（10）进行处理计算得到Langmuir探针（5）的V-I特性曲线，且根据实际需要依此推导计算出电子温度、能量分布、电子密度和空间电位等参数，并在上位机***（12）上实时显示。
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