振动电容式介质内部电荷测量仪研制

航天器介质深层充电 (deep dielectric charging)也称为内带电，指空间高能带电粒子穿过卫星蒙皮、结构、设备外壳，在星内的电介质或未接地的金属内部输运、沉积从而建立电场的过程J 。内带电会在介质内部产生高电场，并可能引发放电，产生的电磁脉冲会干扰甚至破坏星内电子系统，严重时会使整星失效。到 目前为止，国内外已有多颗卫星因深层充电效应而发生故障或失效，介质深层充电效应已成为引发卫星故障的重要原因之-L2J。

鉴于内带电效应的重要影响，国际航天界以空间飞行试验、地面模拟试验以及计算机仿真等多种手段对其展开了全方位的研究。国外研究机构多从空间飞行试验和数值仿真模拟等方面进行研究。目前，已有多颗卫星搭载了内带电效应在轨监测载荷，如 1990年发射的 CRRES卫星搭载了用于监测航天器内带电效应的IDM仪器，2000年发射的TSX-5卫星搭载了集约环境异常传感器 (CEASE)[3-4]。国内对内带电效应的研究多集中于数值模拟仿真和少量的地面模拟试验。在模拟仿真方面，焦维新等l5]研究了介质中的电荷积累过程与静电称算方法；黄建国等[6-7]针对平板和圆柱型介质的内部充电问题建立了计算模型。在试验方面，杨垂柏等L8J提出了-种在轨航天器深层充放电的试验方案；张超等lJ总结了深层介质充电效应的地面模拟技术，介绍了介质相关参数的试验测量方法。总体来看，国内研究偏重于基础理论，在地面模拟试验和空间飞行试验方面的工作较少。

在内带电效应地面模拟试验研究中，充电介质内部电荷量的测量对研究和评估内带电效应的影响具有重要意义。由于介质固有的特性，无法用探头伸入介质内部直接测量其电场强度或电荷分布，所以测量介质内的空间电荷分布是内带电效应地面模拟试验技术的难点之-。根据不同的测量原理，常用的介质电荷测量技术可分为热方法、声方法和光电方法等，其中热方法主要有热脉冲法、热波法等，声方法主要有电声脉冲法 (PEA)、激光脉冲压力波法 (LIPP)、压电诱导压力波传播法(PIPWP)等 ，其中得到广泛应用的方法有PEA和 LIPP。这些测量方法都可以成熟应用于地面，但在航天器上应用却存在很大局限性：如声方法需要增加外部的高压脉冲源，且测量电路复杂，对工作环境有较高要求，这些都会增加在轨航天器的载荷负担；而热方法是-种破坏性的测量方式，显然不适用于在轨航天器。

基于内带电效应地面模拟试验研究的需求，本文提出了-种采用振动电容法的介质内部电荷测量方法，并研制了测量样机。该方法利用电磁感应收稿日期：2013-04-12；修回日期：2013-07-22作者简介：丁松鹤(1988-)，男，硕士研究生，专业为地球与空间探测技术，主要研究领域为空间探测仪器的设计。E-maildingsonghel988###163.corn。

第 4期 丁松鹤等：振动电容式介质内部电荷测量仪研制 433其中：Ⅳ为堆叠层数； 为驱动电压；d3为应变系数， 36.67x10 m/V。根据式(6)可以计算出在3.6 kHz谐振点上 28 V 的电压可以驱动电极运动4um左右 。

由于压电陶瓷的交流驱动电压与感应电流信号频率完全相同，很容易在感应电极上产生干扰，这对探头传感器内部噪声屏蔽提出了很高的要求。

为了有效地进行噪声屏蔽，在传感器设计上采用了振动电极双层屏蔽结构。如图2所示，在环形的压电陶瓷外，圆柱形的金属壳构成了对内部噪声的内层屏蔽，传感器的金属外壳构成了对外部噪声的外层屏蔽。

2.2 微弱信号处理电路设计依据测量原理，感应电流是直接测量量。信号处理电路将感应产生的交流信号转换为直流信号，以便于进行数字信号采集和处理。图3所示为信号处理的流程框图。

面 (前置OPA放大128) 带通滤波 相敏解调 低通滤波 数 L- L - L - L - L - 图 3 信号处理的流程框图Fig.3 The signal processing procedure振动电容所产生的感应电流很微弱 ( 量级)，首先应将其进行放大。微弱电流检测需选用低偏置电流和失调电流的运算放大器作前置放大，设计中采用了OPAl28，其偏置和失调电流在 50 fA量级，完全满足 nA量级微弱信号放大的需求。

前置放大后的信号中包含有噪声，因此需要进行带通滤波得到 3.6 kHz的有效信号。本文采用了4级运放构建的8阶带通滤波器对信号进行滤波。

滤波后的信号为交流信号，为了便于数字处理，设计采用相敏解调后通过低通滤波的方法将其转换为直流信号，进行后续的模/数转换采集。

3 测试试验及结果3.1 测试试验方案在试验设计上，很难在介质的内部充入准确电量的电荷，因此，很难对仪器的测试性能进行直接验证，只能从等效的角度出发，进行间接验证。依据测量原理，经过处理后仪器所采集的电压信号正比于振动电极产生的感应电流，即正比于介质的充电电荷量。同时，由于充电介质板与极板间的距离远大于介质的厚度，可以将其等效为平行板电容器，所以介质的充电电荷量与其表面电位也存在比例关系。通过对介质表面充电电位进行测量，将测量值与标准电位测量仪器的测量值进行对比可以验证所研制仪器的测量准确性。

测试试验装置如图4所示。为了便于操作，并从等效性角度出发，在试验中，将所设计的仪器探头盖板取下，使介质样品直接暴露于由低能 (keV级)电子枪所产生的电子辐照环境中，该过程等效于高能的电子穿透探头盖板后入射到介质材料的过程 (即等效于空问环境中高能电子穿透航天器的蒙皮后入射到介质材料的过程)。采用美国生产的标准介质电位测量仪器 TREK341作为校准仪器，分别使用自制测量仪和 TREK341同时测量相同环境中同种介质材料的表面电位，二者测量结果的对比可以验证所设计仪器的测量准确性和可靠性。

真空容器 介质样品 、TIIEK34 ll，/ 。/内部电荷l测量仪 f电子学箱 l图4 电位测试系统不意图Fig.4 The electric potential measurement system选择卫星常用的聚酰亚胺薄膜作为介质样品材料，采用电子枪辐照材料样品使其充电。在试验时，由低到高不断提高电子枪的能量，并记录不同能量 条 件 下 自主 研 制 的 内部 电荷测 量 仪 和TREK341的测量数据。试验时，真空容器内的真空度为 4.6×10qPa。

3.2 测试试验结果在低于 1500eV能量电子辐射条件下，两台仪器的测试数值很小，但不为零。理论上，低于1500eV能量的电子辐射不足以使样品介质充放电，可以认为此时两台仪器的读数相当于本底噪声。在扣除了本底噪声后，对比两台仪器的测试数值发现，二者434 航 天 器 环 境 工 程 第 30卷成明显的线性关系，标准仪器对比自主设计仪器的比例系数为 4.966，这也是本仪器的标定系数。

经过标定系数修正后，自主研发测量仪器的表面电位测量结果 (图 5中曲线①)和 TREK341的表面电位测量结果 (图5中曲线②)吻合得非常好，其最大线性偏差仅为 5%，说明所设计仪器的准确度和测量精度都不错。

脚恒僻皑电子辐照能量/keV图 5 介质表面电位测量数据曲线对比 (修正后)Fig.5 Comparison of surface potentials of the dielectricsample after data correction4 结束语本文结合内带电效应地面模拟试验和效应评估的需求，设计了-种基于振动电容的介质内部带电测量仪。采用静电感应的原理，利用驱动压电陶瓷材料产生机械振动的方法引起振动电容的变化，产生感应电流，通过对感应电流的测量来反演介质样品的内部电荷量，从而实现对介质内部总体电荷量的问接测量，测量结果可以为内带电效应的影响评估提供数据参考。与标准测量仪器的测试结果对比表明：本仪器测量线性度和准确度高，工作性能稳定，在研究内带电效应、建立有效的内带电效应模型以及在轨实时评估内带电状态等方面具有-定应用价值。