非接触式表面电位探针设计与研制概述

程炳钧，王 斌，周 斌，丁松鹤

（1.中国科学院 空间科学与应用研究中心，北京 100190；2.北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

月球表面积聚着厚重的月尘，其受太阳及宇宙射线等的照射而呈带电状态，很容易被吸附到探月仪器设备中，对设备的各项功能造成严重影响。如月尘静电放电可形成瞬时大电流，并伴随着强电磁辐射，对电子设备造成严重的干扰和损害。因此为保证各种设备在登月后的安全使用[1-2]，在进行登月探测之前，必须对月面各种危害因素进行论证及月球环境模拟试验，其中一项较重要的试验项目为月尘表面静电电位的测量。

静电电位测量的方法[3]主要分为接触式测量与非接触式测量两种。接触式测量需要将被测带电体直接与测量电极相连，测量结果易受输入电容、阻抗的影响。一般情况下，采用接触式测量会影响被测带电体的带电情况，测量读数会随时间呈指数衰减；当被测静电电压超出测量仪器最大量程时，采用接触式测量还有可能损坏测量仪器；而且，在空间环境中其测量结果会受带电粒子的影响。测量精度较低。因此，目前普遍采用非接触式测量方法进行静电电位的测量。

非接触式测量又可分为感应式与振动电容式两种。国外静电电位测量系统多采用振动电容式，即利用机械振动的方法引起感应电极与被测表面间的电容变化，产生感应电流，再通过对感应电流 的测量计算得出被测表面的静电电位。使用该方法时，测量仪器无需与被测带电体接触，工作可靠性提高，且测量过程中受空间环境因素影响较小。

国内静电电位测量系统主要是感应式，即利用探头与带电体之间的电容直接感应，对产生的感应电流进行放大及数据处理。使用该测量方法时，在探测前须远离带电体对仪器进行清零，且探测中随着感应电极中电流的变化，输出结果将趋近于零，无法实现长期稳定的探测，因而不能有效应用于空间环境中的静电电位测量。

鉴于以上情况，国内目前也已开展振动电容式静电电位测量装置的研制，但成熟产品较少，专门针对空间环境应用的则更为缺乏。本文根据地面环境模拟试验的需要，应用Kelvin 振动电容原理[4]设计研制了一种可测量带电体表面静电电位的非接触式表面电位探针。

1 表面电位探针设计原理

表面电位探针主要应用振动电容法原理[4-6]，如图1所示。设置一个与被测介质表面平行的振动电极，并作垂直于被测表面的正弦振动，则振动电极与被测介质表面间的距离为

式中：D0为当振动电极静止时与被测表面间的初始距离，m；D1为振动的振幅，m；ω为振动的角频率，rad/s，ω=2πf。

图1 振动电容法原理Fig.1 Principle of the vibration capacitor method当振动电极（感应电极）振动时，它与被测表面之间形成的电容随振动而变化，产生感应电流

式中：U为待测表面电位；ε为介电常数；ε0为真空介电常数；A为振动电极的感应面积。

因此，当振动电极的初始距离、感应面积等相关参数确定后，通过对感应电流信号的测量，即可计算得到被测表面的电位。

根据仪器设计，电极的振动频率为30 Hz，当测量电压为4 000 V 时，对应的感应电流约为32 nA，这对微弱电流的放大处理及噪声屏蔽提出了较高的要求。

2 表面电位探针总体设计方案

2.1 传感器设计

选用压电陶瓷片作为振动电容法测量静电电位的振动机构，并在陶瓷片末端粘贴金属材料形成感应电极。压电陶瓷的形变量与振动驱动电压成正比，因此在对压电陶瓷片进行合理的结构设计后，可通过调节驱动电压来控制振动机构的振幅，以满足测量的需求。压电陶瓷振动机构的结构模型如图2所示。

图2 压电陶瓷片结构模型示意图Fig.2 Sketch of the piezoelectric ceramic flake

压电陶瓷片的优点是易驱动、振幅大、低频驱 动、振动噪声小且寿命长；缺点是振动的驱动电压贯穿在整个陶瓷片上，会在感应电极上产生附加感应电流，影响测量结果。具体说来，振动端工作时，驱动电压作用在整个陶瓷贴片上，如将感应电极直接粘贴在陶瓷片上，则感应电极与陶瓷片之间也会形成一个电容，并随驱动电压的正弦变化在感应电极内产生相应的感应电流，影响测量结果。

针对以上问题，设计中对陶瓷贴片整体进行绝缘处理，并在绝缘层外加覆导电涂层接地，形成屏蔽层对整个陶瓷振动片进行屏蔽，可极大削弱驱动感应电流对外界的辐射。感应电极通过另外一层绝缘层隔离后固定在振动片上。振动机构中压电陶瓷感应电极的剖面如图3所示。

图3 感应电极结构剖面Fig.3 The cross section of the induction electrode

屏蔽效果可通过试验来验证。采用示波器对经过一级放大后的感应信号进行频谱分析，取30 Hz 频率点的信号值进行分析，则感应电极在屏蔽前与屏蔽后对同一被测电压的感应信号对比如图4所示。

图4 感应电极屏蔽效果对比Fig.4 Effect of shield for the induction electrode

试验中被测电压设定为100 V，理论计算经一级放大后30 Hz 点频谱分析结果应为6 mV 左右。屏蔽前30 Hz 点对应的感应信号幅度约为328 mV（见图4(a)）；经过屏蔽处理后，由于滤除了陶瓷片驱动电压对感应电极的影响，30 Hz 点对应的感应信号幅度减小为7.48 mV 左右（见图4(b)），接近理论计算值。试验证明经过屏蔽设计的感应电极可极大减小驱动电源对测量结果的噪声干扰。

传感器探头整体结构设计如图5所示，由铝合金材料做成封闭式探头机箱，以减少外部环境对探测结果的影响，并在振动陶瓷片的自由振动端处开设一探测窗。振动陶瓷片压紧端通过压紧机构与探头机箱固定，保证维持自由振动端的初始高度不变。在探头机箱四角设计绝缘垫脚安装孔，可保证探头结构与被测平面之间绝缘，且可通过调节绝缘垫脚高度来改变传感器与被测平面间的初始距离，以满足不同探测项目的需求。

图5 探头结构设计示意图Fig.5 Overall structure of the noncontact surface potential probe

2.2 电子学箱设计

电子学箱主要实现电源转换供电、为振动机构提供驱动电压以及感应电流的信号处理与通信控制功能，因此按供电模块、驱动模块、信号处理与通信控制模块共3 个功能模块分别设计。

1）供电模块

供电模块须实现对输入电源的DC/DC 转换及为仪器内部供电功能。试验中，月球模拟舱可为探头提供+28 V 直流电源，而电子学线路的工作电压通常为±12 V 与+5 V。因此须对输入电源进行二次电源转换，以满足电子学线路的工作需求。

2）驱动模块

探头中的振动机构在工作时须由驱动模块提供正弦交变的驱动电压。驱动模块先对直流电压进行DC/AC 转换，输出频率为30 Hz 的交流信号；再由放大器进行调节控制后，将此交流信号通过电缆输送至振动机构；振动机构的自由振动端在驱动电压作用下产生频率为30 Hz 的振动。驱动电压的大小确定振动机构的最大振幅。

3）信号处理与通信控制模块

信号处理与通信控制模块主要实现对感应电 流信号的放大处理、数字信号转换以及与下位机之间的通信控制功能。信号处理模块的设计框图如 图6所示。

图6 电子学箱信号处理模块设计框图Fig.6 Signal processing model of the electrical box

由两级运算放大电路组成前置放大电路，对由振动电极感应到的微小信号进行前置放大处理。一级放大电路将微弱的电流信号进行放大，经二级放大电路的滤波和再放大后输出正负交变电压信号。本设计的一级放大电路采用OPA128 运算放大器，其偏置电流与漏电流均处于fA 量级，可满足对微小电流信号放大的要求。

A/D 采样模块将经过滤波放大后的交变电压信号进行12 位模/数转换，由数据运算控制单元的单片机对转换结果进行运算和反演后得到被测介质表面的电位值。本设计中的采样频率为180 Hz，是被采样频率的6 倍，满足香农采样定理的要求，可保证数据采样及运算结果的可靠。

数据指令总线接口负责数据的发布以及对下位机指令的接收，可实现对电子学箱工作状态的远程监控。

3 对比标定实验

为对根据上述设计方案研制的电位探针进行标定，开展了一系列的对比标定实验。对比标定平台如图7所示，将探针的探头放置于导电极板上，用计量标定过的高压电源对导电极板加高压，由电位探针测量导电极板的电位值，将探针测量值与高压电源的实际输出值进行对比，得到电位探针的测量范围、线性度及精度等技术指标。

图7 电位测量对比标定平台示意图Fig.7 The surface potential calibration system

经对比标定，本电位探针的实际技术指标如下。

1）测试电压范围：0～4000 V；

2）测量精度：全量程范围内不大于5%，1000 V以上优于2%；

3）数据输出速率：1 Hz；

4）工作真空度要求：优于10-3Pa；

5）工作温度范围：-100～+100 ℃。

4 结束语

本文设计研制的非接触式表面电位探针利用Kelvin 振动电容法原理，将静电电位的测量转化为电流的测量。目前已完成样机的研制，通过实验室对比标定测试表明，其工作稳定，全量程范围内具有良好的线性度。

该非接触式表面电位探针除应用于空间环境仿真试验平台的静电探测外，还可应用于卫星平台的表面充电电位监测[7]，对高水平充电进行预警，以便及时启动主被动防护措施，避免卫星在轨发生充放电故障。

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