CN111141965B - 一种利用场效应管的静电场测量电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用场效应管的静电场测量电路。使用本发明能够实现准直流的静电场测量。本发明利用MOSFET栅极的静电场感应机理,提供了一种精密静电感应式的静电场测量电路。由于是静电场感应式的测量模式,后续电路对测量对象不形成任何干扰。由于MOSFET的隔离电阻高达1015Ω以上,加上栅极信号输入环节的屏蔽措施,可以有效减小泄露因素导致的对前端静电场的干扰,可以将测量带宽下限延伸至1.57×10‑7Hz,达到准直流状态。
Description
技术领域
本发明涉及空间环境探测及仪器仪表技术领域,也可在地面相关静电环境监测中进行应用,具体涉及一种利用场效应管的静电场测量电路。
背景技术
空间科学活动中,存在空间环境中介质材料的充放电效应,形成的局部高压静电场,单独或与空间等离子体相互作用,导致材料的性能退化及失效等,危及航天器的安全及使用寿命。因此需要飞行器表面静电场测量的装置,进行相关的测量,为准确的分析提供可靠的数据,是空间环境监测的重要手段,在近空及深空探测中,有广泛的应用。
目前,空间飞行器上静电场的测量,主要有电容分压测量方式和利用电极振动方式。电极振动方式通过电容耦合方式进行的测量,电路较复杂,成本高。在电容分压测量方式中,直接利用放大器进行信号的放大,相当于电流测量模式。但在准直流的静电场测量中,放大器输出信号存在严重的漂移现象。这种漂移和需要测量的静电场处于同样的频带,即准直流,形成很难消除的干扰。众所周知,混合在信号频带中的干扰,很难消除,尤其是这种干扰比需要测量的信号幅度大时,则无法进行正确测量。虽然在地面可以通过后续软件的方式对测量结果进行一定的修正,但修正难度很大。尤其在空间高能粒子环境中,随飞行器的飞行,器件性能会产生退化,原先地面校准的系数会产生偏离,导致测量结果的越来越不准确。这样测量装置需要不断的校准,而在飞行器上,这种校准基本不可能进行。
因此,电容分压式电流测量模式存在的缺陷有三方面:一是测量电路对测量对象在测量频带内形成严重干扰,使测量不正确;二是电路本身的缺陷使信号测量下限严重受限,达不到准直流的测量要求;三是后续校准复杂,尤其是随空间环境温度变化,干扰相应变化,加上空间效应导致的器件性能退化,使在空间基本不可能进行新的校准。
因此有必要从机理上进行新的准直流静电场测量技术的发明。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种利用场效应管的静电场测量电路,能够实现准直流的静电场测量。
本发明的利用场效应管的静电场测量电路,包括探头、电容分压电路、场效应管、输出调理电路和屏蔽***;其中,探头用于感应静电场电压;电容分压电路由两个串联的电容组成;探头的电压经分压电容分压后,接场效应管的栅极;场效应管的源极接地,漏极接输出调理电路;输出调理电路对场效应管的输出电压进行幅度和带宽处理;屏蔽***对分压电容、场效应管及其连接路线进行电磁屏蔽。
较优的,还包括开关K,所述开关K的一端接分压电容的输出点,另一端接地。
本发明基于上述测量电路,还提供了一种静电场测量仪,包括外壳以及安装在外壳内的探头、分压电路、场效应管、输出调理电路、屏蔽***、电缆、插接件、印制板、支撑板和结构支撑板;其中,支撑板、印制板、结构支撑板依次设置在外壳内的上下三层;探头安装在支撑板上,通过屏蔽电缆和印制板连接;印制板上安装有分压电路、场效应管和输出调理电路;场效应管的栅极接分压电路的输出,源极接地,漏极接输出调理电路;输出调理电路的输出通过电缆和插接件连接。
较优的,外壳为筒型结构,采用铝质材料制成。
较优的,筒型结构的外壳高为5cm,直径为3cm,筒壁厚3mm。
有益效果:
本发明电路及装置,频带下限低,体积小,质量轻,功耗低,灵敏度高,计量准确。可广泛应用于各类空间飞行器相关静电测量场合,进行飞行器静电累积在线实时测量。
附图说明
图1为本发明利用场效应管的静电测量原理图。
图2为实现装置原理。
其中,1-探头,2-电容分压,3-场效应管,4-输出调理电路,5-屏蔽***;6-电缆,7-插接件,8-印制板,9-支撑板,10-结构支撑板,11-外壳。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种利用场效应管的静电场测量电路,利用MOSFET栅极的静电场感应机理,提供了一种精密静电感应式的静电场测量电路。由于是静电场感应式的测量模式,后续电路对测量对象不形成任何干扰。由于MOSFET的隔离电阻高达1015Ω以上,加上栅极信号输入环节的屏蔽措施,可以有效减小泄露因素导致的对前端静电场的干扰,可以将测量带宽下限延伸至1.57×10-7Hz,达到准直流状态。
如图1所示,本发明利用场效应管的静电场测量电路包括探头1、串联的分压电容2、场效应管3、输出调理电路4和屏蔽***5;其中,探头1用于感应静电场电压;探头的电压通过串联的2个分压电容C1、C2接地;场效应管3的栅极经电阻R接在两个串联的电容的中间点;中间点经开关K接地;场效应管3的源极接地,漏极接输出调理电路4;所述输出调理电路4对场效应管3输出的电压进行幅度和带宽的处理,以满足后续处理电路的接口需求;屏蔽***5对分压电容C1、C2、电阻R及场效应管进行屏蔽。
本发明的工作原理为:探头1靠近需要测量的有关装置的静电场,感应静电场的电压;探头感应到的电压通过电容分压2进行幅度衰减,场效应管3对电容分压输出信号进行隔离放大后提供给后续的输出调理电路4,输出调理电路4对场效应管的输出信号进行合理的幅度频带等调整,以满足后续电路的处理要求。屏蔽***5对输入端的电场干扰进行屏蔽,并抑制外部及自身干扰,提高测量的准确性。同时屏蔽***5也可防止静电在场效应管栅极的积累。某些特殊需求,也增加静电泄放开关K。由于使用了场效应管3,使电路的测量频带下限延伸至1.57×10-7Hz,达到准直流测量的目的。同时,测量精度也获得提高。
图2是根据本发明测量电路实现的装置说明。图2所示的探头1安装在支撑板9上,通过屏蔽电缆5和印制板8连接,在印制板8上安装有分压电容2、场效应管3和输出调理电路4及相关配件。通过电缆6将输出及供电和插接件7连接。印制板8安装在结构支撑板10上。上述的结构都安装在铝质材料的筒型结构的外壳11内。筒型结构11高为5cm,直径为3cm,筒壁厚3mm。
本发明可对关注对象的特定位置的静电场进行精确计量,并可进行长期不间断监测。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用场效应管的静电场测量电路,其特征在于,包括探头(1)、串联的分压电容(2)、MOSFET管(3)、开关K、输出调理电路(4)和屏蔽***(5);其中,探头(1)用于感应静电场电压;探头的电压经分压电容分压后,接MOSFET管(3)的栅极,MOSFET管(3)的栅极与分压电容之间串联有电阻R;MOSFET管(3)的源极接地,漏极接输出调理电路(4);开关K的一端接分压电容的输出点,另一端接地;输出调理电路(4)对MOSFET管(3)的输出电压进行幅度和带宽处理;屏蔽***(5)对分压电容、MOSFET管及其连接路线进行电磁屏蔽。
2.一种静电场测量仪,其特征在于,包括外壳(11)以及安装在外壳(11)内的探头(1)、分压电路、MOSFET管(3)、输出调理电路(4)、屏蔽***(5)、电缆(6)、插接件(7)、印制板(8)、支撑板(9)和结构支撑板(10);其中,支撑板、印制板、结构支撑板依次设置在外壳(11)内的上下三层;探头(1)安装在支撑板(9)上,通过屏蔽电缆(5)和印制板(8)连接;印制板(8)上安装有分压电路、MOSFET管(3)和输出调理电路(4);MOSFET管(3)的栅极串联电阻R后接分压电路的输出,源极接地,漏极接输出调理电路(4);输出调理电路(4)的输出通过电缆(6)和插接件(7)连接。
3.如权利要求2所述静电场测量仪,其特征在于,外壳为筒型结构,采用铝质材料制成。
4.如权利要求3所述静电场测量仪,其特征在于,筒型结构的外壳高为5cm,直径为3cm,筒壁厚3mm。
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