航天器介质充电效应模拟试验中的非接触式电位转接测量技术

郑耀昕，张振龙，郑汉生，韩建伟（. 中国科学院 国家空间科学中心，北京 0090；2. 中国科学院大学，北京 00049）



航天器介质充电效应模拟试验中的非接触式电位转接测量技术

郑耀昕1,2，张振龙1，郑汉生1,2，韩建伟1
（1. 中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049）

摘要：航天器充放电效应地面模拟试验中需要测量的一个重要参数是介质的充电电位。文章基于介质充电电位的非接触式转接测量技术，分析了测量中引起误差的各个因素，讨论了减小测量误差和提高转接测量分辨率的方法，并进行试验验证。据此设计了一套介质电位非接触式转接测量系统，其测量分辨率达到10V以下，且由电荷泄漏引起的测量误差＜1%，能够满足航天器介质充电电位的测量要求。

关键词：航天器充电效应；电位测量；非接触式测量；分辨率

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0　引言

在空间带电粒子辐射环境下，航天器充放电效应会破坏介质材料，损坏或干扰电子设备，进而威胁航天器的运行安全[1-3]。地面模拟试验是研究充放电效应的有效手段，也是对其进行风险评估和防护设计的重要依据，其中样品（介质）的充电电位是试验中需要测量的一个重要参数[4]。

地面模拟航天器充电效应需将被测样品置于真空室内对其进行辐照充电。由于介质电导率很小，介质中的电荷不易移动，为了保持其带电状态，只能通过非接触方式对其表面电位进行测量[5]。若直接将电位计探头放于真空室内，则一是需要研制高压过渡装置；二是探头会受辐射环境影响，使测量结果不准确；三是对探头进行维修时必须打开真空罐，这不利于在试验中对电位计可能出现的问题进行修复与校正。而充电电位的转接测量方法是将电位计探头放于真空室外，对连通真空室内外的转接机构上的监测板进行非接触式测量，从而可有效避免上述问题和不便。这种方法最初由美国A. R. Fredericson教授提出[6-7]；犹他大学的J. L. Hodges对此进行了研究，并设计了一套转接测量机构，其试验装置适用于对宽度小于19mm的平板样品进行一维扫描测量，转接距离很短，因此测量结果受转接机构影响较小，系统分辨率可达1V[8]。这里所说的系统分辨率指的是电位计与转接机构组合在一起进行测量时的分辨率。虽然电位计本身的分辨率通常很高，但经过转接机构电容分压后会降低系统的分辨率；同时转接机构会不可避免地存在电荷泄漏而使测量结果偏离真实值，即引起测量误差。

为满足航天器部件级模拟试验要求，中国科学院国家空间科学中心研制了航天器充放电模拟试验装置，采用转接测量方法对样品表面充电电位进行较大范围的三维扫描测量。此装置结构复杂、体积大、转接线较长，测量结果受转接机构影响大而导致系统分辨率较低，测量过程中电荷泄漏快而引起误差较大。本文从转接测量原理出发，通过一系列试验验证，对转接机构的各个部件进行分析和设计改进，以求减小测量误差并提高系统分辨率。

1　非接触式转接测量原理

1.1航天器充放电模拟装置

航天器充放电模拟装置包括真空容器、真空抽气系统、电子辐照装置、三维平移机构和转接测量系统（见图1）[9]。测量系统中的表面电位测量采用Trek341B型非接触式静电电位计，量程为-20～20kV。真空容器直径约为1m，转接导线长约1.5m，三维平移机构可牵引转接测量系统的感应探头从远离样品台200mm处到达辐照中心，然后进行100mm×100mm×100mm范围内的三维扫描测量或任意一点的定位测量。

图1　航天器充放电模拟装置示意图Fig. 1　Schematic diagram of spacecraft charging and discharging simulator(SCADS)

1.2电位转接测量原理与分析

转接测量系统如图2所示，中间部分即是转接机构，由内部电容探头、转接导线和外部监测板3部分构成。其中，电容探头是转接机构的主要部件，由感应探头、绝缘体和屏蔽体构成，如图3所示。

图2　转接测量系统示意图Fig. 2　Schematic diagram of transfer measurement system

图3　常用电容探头结构Fig. 3　Structure of a traditional capacitance probe

图2中的被测样品受电子辐照而呈负电位，探头靠近样品时感应正电荷。理想情况达到静电平衡时，转接机构总电荷为0，且为等势体。根据电容分压原理，转接机构的电位与样品电位成正比例关系，通过标定可测量样品电位[10]。

对转接测量系统进行标定时，需在真空环境下将标准电压源接于铜质标定电极上来模拟带电样品。调节电压源的输出，使用转接测量系统对每个输出值进行多次测量并求平均值，将标准值和测量平均值线性拟合，求出关系式。实际测量时，即可根据测量值和标定关系式推算出样品电位。

样品对地可等效为一电容Cs，设其测量前带电量为Q，则电位Vs=Q/Cs。设转接机构对地等效电容为Cw，对地等效电阻为Ri；测量时感应探头与样品的耦合电容为Cf，则系统等效电路如图4所示，其中Vs′和Vp分别为测量时样品和转接机构的电位。

图4　测量系统等效电路图Fig. 4　Equivalent circuit diagram of the measurement system

实际测量中当探头靠近样品时，因分布电容的存在会导致样品电位降低；而标定时，因标定电极一直被施以恒压，电位并不会降低。因此，经标定关系式推算出的样品电位要比真实值略低。从图4可得测量时与测量前样品的电位之比Vs′/Vs= Cs/(Cs+C)，其中C为Cw和Cf的串联电容。以几种典型材料的参数估算得Vs′/Vs的值都在0.9以上，这样可经过再次换算求得更接近真实值的样品电位值。

严格来讲，静电感应的正负电荷不只分布在转接机构两端，且由于分布电容电阻的存在会引起电荷泄漏，因此转接机构的电位会随时间指数衰减，即

设转接系数K=Vp/Vs，则K值越大，系统分辨率越高；电荷泄漏越快，测量误差越大。从式(1)可看出：影响系统分辨率的主要因素为Cf和Cw；导致电荷泄漏的主要因素为Ri和Cw。另外，空气中的异号电荷也会中和监测板上的感应电荷，使测量结果衰减。

2　测量误差和分辨率影响因素分析及对策

针对测量中所面临的问题，转接机构的设计目标主要是减小测量误差和提高系统分辨率。

2.1减小测量误差

测量误差主要来源于转接机构上的电荷泄漏。其主要有两种泄漏方式：一是通过相连的物体将电荷泄漏至大地；二是与空气中的异号电荷中和。要减小测量误差则应尽量避免泄漏。

设系统的放电时间常数τ =RiCw，由式(1)可知应同时增大Ri和Cw。但增大Cw将导致系统分辨率降低，因而要求转接机构具有很高的泄漏电阻。转接机构主要通过3个接地点即转接导线、真空转接口和感应探头向大地泄漏电荷，因而应：

1）增大转接导线对地电阻

最初为了真空室内布线美观，曾直接将转接导线紧贴真空室壁，造成转接测量系统不仅分辨率低，还有明显电荷泄漏。测量3000V的标准电压时，电位计示数每秒衰减将近10V。后来根据真空室的特殊构造设计了2个绝缘支柱，将转接导线架起，不仅使测量时电位计每秒衰减值降低到5V左右，系统分辨率也提高了近1倍。

2）增大真空转接口电阻

转接导线需穿过真空室壁与监测板相连，为了增大导线与真空室壁间的电阻而设计了转接口。转接口为铜芯聚四氟乙烯柱，绝缘厚度约为2cm。这样的转接口电阻极大，能够大大减少电荷泄漏。

3）增大感应探头对地电阻

为了更大程度增大电阻并改善屏蔽效果，对常用电容探头进行改造（如图5所示）。其优点为：感应探头与屏蔽罩之间的沿面泄漏距离增大，其间大部分为真空，可减小探头电容，增大泄漏电阻；静电屏蔽效果更好，且有利于感应电场均匀分布[11]。

图5　新型电容探头结构及实物图Fig. 5　New type of the capacitance probe and its picture

对改造前后的电容探头进行对比试验。调节电压源，使分别安装图3和图5中2种探头的转接系统对标定电极的测量初始值都为700V。保持电压源恒定，记录测量值的变化，得出的电荷泄漏特性曲线如图6所示。可见安装新探头的转接系统电荷泄漏更慢，测量误差更小。

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图6　电容探头改造前后电荷泄漏特性对比Fig. 6　Charge leakage characteristics of different capacitance probes

2.1.2减少感应电荷与空气中异号电荷中和

考虑环境因素，对监测板周围空气干燥除湿以降低异号电荷密度；同时在满足Trek电位计探头有效测量面积的前提下，选用较小的监测板，以减少与空气的接触面积。

另外，对铜质的感应探头和监测板都进行了抛光镀金加工，这样不仅有利于感应电场均匀分布，提高测量精确度，同时还能防止长期环境因素引起的氧化效应，减少因表面污染而引起的电荷泄漏。

2.1.3系统清零和校准

无论如何增大转接机构的泄漏电阻并减少其与空气接触，总有少量电荷泄漏使电位计读数随时间漂移，或者由于空间电荷在电容探头上沉积而导致测量误差。因此在每次测量之前必须将转接机构接地以对其清零，并对电位计进行校准。

2.2提高系统分辨率

从式(1)看出，通过增大Cf、减小Cw可以提高系统分辨率，而由此导致系统放电时间常数的减小则尽量通过增大Ri进行补偿。

2.2.1增大感应探头与样品间的耦合电容Cf

平板电容计算公式为C0=ε0·S/d，其中ε0为真空介电常数；S和d分别为两板正对有效面积和间距。因此，要使电容增大，可减小感应探头与被测样品的距离，同时增大两者的有效感应面积。

对于足够大的样品，增大感应探头即是增大感应面积。图7(a)为相同条件下对安装不同直径感应探头的转接测量系统进行标定试验得出的拟合曲线，直径为10、16、20、30和40mm的感应探头对应的系统分辨率分别为25.9、15.5、11.9、6.9和5.5V，如图7(b)所示。可见感应探头越大，系统分辨率越高。但是非接触测量实际得到的是样品上有效感应面积的电位平均值，感应探头越大，其对被测样品的空间分辨率越低。对于面积较大的平板样品，若样品充电均匀，测得的电位平均值即是期望的真实值。但若样品的结构复杂，电位分布不均，则测得的平均电位将与真实值存在较大差距。因此应根据被测样品的具体结构选用不同大小的感应探头。

设置不同的感应距离，并在相同条件下分别进行标定试验，得到拟合曲线和系统分辨率如图8所示，其中，2、3和4mm的感应距离对应的系统分辨率分别为16.6、21.5和25.9 V。可见感应距离越小，系统分辨率越高。但考虑感应距离过小会导致带电样品有放电风险，因此最终选取了2mm的感应距离。

图7　不同大小感应探头的标定曲线和系统分辨率Fig. 7　Calibration curves and systematic resolutions for sensing probes of different sizes

图8　不同感应距离的标定曲线和系统分辨率Fig. 8　Calibration curves and systematic resolutions for different sensing distances

2.2.2减小转接机构的对地等效电容Cw

如图2，转接装置的对地等效电容主要由感应探头对地等效电容Cw1、转接导线对地等效电容Cw2和监测板对地等效电容Cw3这3部分组成。

1）减小感应探头对地等效电容Cw1

上文为了增大感应探头的对地电阻而对电容探头进行改造的同时，也减小了感应探头的对地等效电容。对安装新旧2种探头的转接系统分别进行标定试验，得系统分辨率分别为7V和8V，可知新电容探头效果更好。

2）减小转接导线对地等效电容Cw2

设有限长水平导线半径为r，长度为L，对地距离为h，则当(4h)2<< L2时，导线对地等效电容C 与ln(h/r)成反比例关系。因此应尽量缩短转接导线的长度，增大转接导线与接地导体间的距离，同时选用横截面较小的导线，以减小转接导线的对地等效电容。

上文通过绝缘支架将转接导线架高后，系统分辨率已由16V提高到8V。为了验证不同粗细导线对系统分辨率的影响，对安装不同截面铜芯线的转接系统分别进行标定试验并得出系统分辨率如图9所示，可见转接导线越细，系统分辨率越高。但通过对更多导线进行试验发现，随着导线越来越细，分辨率提高的幅度会越来越小。为了保证导线有一定的柔韧强度，最终选择了截面为0.05mm2的铜芯导线。

图9　不同截面转接导线的标定曲线和系统分辨率Fig. 9　Calibration curves and systematic resolutions for different cross section transfer wires

3）减小监测板对地等效电容Cw3

监测板与电位计探头屏蔽罩之间存在耦合电容，其近似于平板电容器，因此应该在满足电位计探头有效测量面积的前提下使监测板尽量小。分别对安装有直径1cm和2cm监测板的转接系统进行标定试验，虽然两者的系统分辨率并无明显差别，但是小的监测板与空气接触面积更小，能够减少感应电荷与空气中异号电荷中和。

3　结束语

本文分析了介质电位非接触式转接测量中引起误差的各个因素，提出了减小测量误差和提高转接测量分辨率的方法，并进行试验验证。减少测量误差的方法主要有：合理对转接导线进行布线，将其尽量远离接地导体；增大感应探头与屏蔽罩的绝缘强度；在满足电位计探头有效测量面积的前提下选用较小的监测板。提高转接测量分辨率的方法主要有：根据被测材料的要求尽量选用合适的感应探头和感应距离；尽量减小转接机构的对地等效电容。

根据以上方法对航天器介质充电电位非接触式转接测量系统进行了改进，改进后的系统测量分辨率可小于10V，且电荷泄漏引起的误差＜1%。此测量系统已应用于电荷贮存衰减法测量绝缘材料电导率试验、SADA 导电环内部充电模拟试验等材料带电试验，测量数据符合预期，且与仿真结果基本一致。由于样品充电电位可达几千甚至上万伏，10V的系统分辨率换算成相对测量误差只有不到1%，能够满足航天器充电效应模拟试验中的电位测量要求。

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（编辑：许京媛）

指导教师：张振龙（1976—），男，研究员，主要从事空间环境效应研究；E-mail: zzl@nssc.ac.cn。

Non-contact transferred potential measurement technology in ground testing for spacecraft dielectric charging effect simulation

Zheng Yaoxin1,2, Zhang Zhenlong1, Zheng Hansheng1,2, Han Jianwei1
(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract:The dielectric charging potential is one of the important parameters to be measured in the charging and discharging effect simulation test. A non-contact transferred measurement method is presented, the influencing factors on the measurement errors are analyzed, the methods for improving the transferred measurement resolution are proposed, and a non-contact measurement system with a transfer mechanism is designed. The validation test results show that the resolution of the dielectric charging voltage is less than 10V, and the error caused by the charge leakage is less than 1%. The system can meet the requirements of the spacecraft dielectric charging potential measurement.

Key words:spacecraft charging effect; potential measurement; non-contact measurement; resolution

作者简介：郑耀昕（1990—），男，硕士研究生，地球与空间探测技术专业；E-mail: zhengyaoxin13@mails.ucas.ac.cn。

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2016-03-20

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.018

中图分类号：V416.8

文献标志码：B

文章编号：1673-1379(2016)02-0211-05