用于地面测试的电喷雾推力器多维度电流自动测量系统的制作方法

本发明涉及航天电推进，具体地，涉及一种用于地面测试的电喷雾推力器多维度电流自动测量系统。

背景技术：

1、电喷雾推力器是一种基于静电雾化与加速原理的微推进装置，它利用高压电场将推进剂液体雾化并电离为带电粒子，通过电场加速喷出产生反作用力推力。电喷雾推力器具有比冲高、功耗低、推力精确可控等优点，是微纳卫星实现姿态控制、轨道维持、编队飞行等任务的理想推进方案。随着微纳卫星技术的快速发展，对电喷雾推力器的性能表征与地面测试技术提出了越来越高的要求。

2、电流-电压特性是电喷雾推力器最核心的性能参数，是评估推力器发射性能、工作稳定性与寿命的关键依据。现有电喷雾推力器地面电流测量技术主要存在以下几方面的问题和不足：

3、第一，高压工况测量安全与精度无法兼顾。电喷雾推力器工作需数百伏甚至千伏级高压，现有测量方案多采用直接串联测量仪表的方式，高压电气隔离不足，存在严重的设备与人员安全风险，同时高压干扰易造成测量数据失真，无法还原推力器真实工作特性。

4、第二，采样频率不足，时间分辨率低。现有测量方案多采用普通万用表实现数据采集，采样频率上限仅1hz，无法捕捉电喷雾不稳定发射模式下的高频电流噪声与微秒级瞬时波动，测量精度差，无法支撑推力器不稳定工况的机理研究与性能优化。

5、第三，测量维度单一，无法完整表征推力器性能。现有方案多仅测量单一的发射极总电流，无法同步、精准区分发射极电流、提取极电流、有效发射电流三类核心参数，无法剥离泄漏电流、粒子拦截电流的干扰，无法完整描述推力器的工作性能范围与地面测试适配工况。

6、第四，羽流电流测量干扰严重，接收效率低。羽流电流测量中，高能带电粒子撞击收集极产生的二次电子发射（see）会造成显著的电流测量偏差，且电压越高偏差越严重；现有单栅极抑制方案易对带电粒子造成额外加速/减速效应，同时存在羽流电流接收效率损失大的问题。

7、第五，非可编程电源适配性差，无法实现自动采集。市面主流高压电源多为非可编程型号，现有方案仅能通过手动调节电压完成测试，单轮测试数据点通常少于40个，数据质量差、测试效率低，无法同步记录电压输出与电流数据，也无法适配双极性极性切换工况的同步测量需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于地面测试的电喷雾推力器多维度电流自动测量系统。

2、根据本发明提供的一种用于地面测试的电喷雾推力器多维度电流自动测量系统，所述方案如下：

3、本发明提供了一种用于地面测试的电喷雾推力器多维度电流自动测量系统，所述系统包括：高压供电与极性切换单元、发射极电流与提取极电流自动采集单元、羽流电流测量与二次电子发射抑制单元、真空环境测试腔体以及中央控制与数据同步处理单元；

4、其中，所述真空环境测试腔体，用于为电喷雾推力器地面测试提供真空工作环境，腔体内部集成推力器安装工位、高压贯穿件和信号贯穿件，并用于同轴容纳推力器的发射极、提取极和羽流收集极；

5、所述高压供电与极性切换单元，用于为推力器提供工作高压并实现输出电压的可编程线性调节与极性切换，其输出端通过所述腔体高压贯穿件与发射极的高压输入端连接；

6、所述发射极电流与提取极电流自动采集单元，用于对发射极和提取极的电流进行高压隔离采样、降压与放大调制，并将采集数据输出至中央控制与数据同步处理单元；

7、所述羽流电流测量与二次电子发射抑制单元，包括设置于真空腔体内推力器羽流下游的全电流收集极，以及位于所述全电流收集极前端的双栅极抑制结构，用于采集推力器的羽流发射电流并抑制二次电子发射造成的测量干扰；

8、所述中央控制与数据同步处理单元，分别与高压供电与极性切换单元、发射极电流与提取极电流自动采集单元、羽流电流测量与二次电子发射抑制单元通信连接，用于实现各单元的协同控制、数据同步采集、电流数据还原与特性分析。

9、优选地，所述高压供电与极性切换单元包括：高压电源、高压切换单元、函数发生器、步进电机、步进电机驱动模块和控制板；

10、所述高压切换单元的输入端与高压电源的输出端连接，所述函数发生器的信号输出端与高压切换单元的控制端连接，用于实现输出电压极性的周期性切换；

11、所述高压电源的电压调节旋钮与步进电机输出轴机械耦合，所述步进电机的驱动端与控制板连接，所述控制板与中央控制与数据同步处理单元通信连接，实现电源输出电压的可编程线性调节。

12、优选地，所述发射极电流与提取极电流自动采集单元包括：高精度采样电阻、电位分压器、放大器和示波器；

13、所述高精度采样电阻串联接入发射极的高压供电回路中，采样电阻两端与电位分压器的输入端连接；

14、所述提取极与地之间串联同规格的采样电阻，采样电阻两端与另一组电位分压器的输入端连接；两组电位分压器的输出端分别与放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与示波器的采集通道连接，所述示波器与中央控制与数据同步处理单元通信连接。

15、优选地，所述高精度采样电阻的阻值为100ω~10kω，精度等级为0.1%；所述电位分压器的分压比为100:1~1000:1；

16、优选地，所述放大器包括同相放大器和反相放大器；所述两组电位分压器的输出端分别与所述同相放大器和所述反相放大器的输入端连接，所述同相放大器和所述反相放大器的输出端分别与所述示波器的采集通道连接；

17、优选地，所述羽流电流测量与二次电子发射抑制单元还包括：高速可变增益电流放大器和示波器；

18、所述全电流收集极的信号输出端与高速可变增益电流放大器的输入端连接，所述高速可变增益电流放大器的输出端与示波器的采集通道连接，所述示波器与中央控制与数据同步处理单元通信连接。

19、优选地，所述双栅极抑制结构包括：沿羽流方向依次同轴布置的接地金属栅极和负偏压的二次电子发射抑制栅极；

20、所述接地金属栅极与二次电子发射抑制栅极均为金属网状结构，孔径为0.5~2mm，线宽为0.1~0.3mm，透过率≥80%；所述二次电子发射抑制栅极的偏置电压为-30v~-150v。

21、优选地，所述中央控制与数据同步处理单元包括：微处理器、信号同步触发模块、数据采集与后处理模块和工况控制模块；

22、所述信号同步触发模块分别与函数发生器、控制板、所有示波器的触发端连接，实现高压输出、极性切换与电流采集的全流程同步触发，形成供电-测试-采集-控制-处理的闭环结构。

23、优选地，所述系统采用最高采样率≥1ghz、带宽≥100mhz 的多通道示波器，支持多通道同步采集，通过同步触发信号实现发射极电流、提取极电流和羽流电流三路信号的同步采集与时间戳对齐。

24、优选地，所述系统支持单极性与双极性两种工作模式；在单极性模式下，发射极保持固定极性，输出持续稳定推力；在双极性模式下，发射极的极性周期性切换，用于中和航天器表面累积电荷。

25、与现有技术相比，本发明的优点在于：

26、1、高压隔离与精准测量兼顾，安全性与精度同步提升。本发明采用采样-分压-隔离放大的集成式高压隔离采集结构，采样电阻直接串联在被测回路中，电位分压器将高压端压降线性转换为低压电信号，分压放大电路实现高压端信号的低压隔离输出，保障千伏级高压工况下地面测试的设备与人员安全；同时彻底消除高压干扰造成的测量误差，测量精度较传统方案提升1个数量级以上，数据重复性误差降低；

27、2、高带宽高时间分辨率，捕捉瞬态特性能力强。本发明采用高带宽放大器与高采样率示波器组合，突破传统万用表1hz采样频率的限制，最高实现1mhz采样频率，可捕捉微秒级的高频电流噪声与瞬时波动，完整还原电喷雾推力器不稳定发射模式下的真实工作状态，为地面测试中的发射机理研究和结构优化提供精准数据支撑；

28、3、多维度电流同步采集，性能表征全面完整。本发明可同时测量发射极电流、提取极电流，通过差值计算有效发射电流，同时直接测量羽流电流，多维度数据相互验证，精准剥离泄漏电流、粒子拦截电流的干扰，完整描述推力器的电流-电压特性，筛选出适配地面不同测试需求的稳定工作区间，解决了传统单一电流测量无法完整表征推力器性能的问题；

29、4、双栅极抑制结构，羽流测量精度与接收效率兼顾。本发明采用双栅极同轴集成式羽流收集结构，接地栅极消除抑制栅极偏压对粒子运动的影响，负偏压抑制栅极高效抑制二次电子发射，大幅降低地面测试的测量偏差；通过优化栅极材质、孔径、线宽参数，提升羽流电流接收效率，远优于传统单栅极结构；

30、5、机械-电控集成式远程升级，兼容性强自动化程度高。本发明采用步进电机和控制板的机械-电控集成结构，无需改造电源本体电路，即可快速适配市面主流非可编程高压电源，降低地面测试的设备改造成本；实现电源输出电压的可编程线性调节，完成地面测试中电流-电压特性的全自动采集，单轮测试数据点超700个，远优于手动测量的40个；

31、6、测试效率大幅提升，全工况适配能力强。本发明通过可编程电源控制与同步触发设计，自动完成全电压范围电流-电压曲线采集，单轮测试时间大大缩短，测试效率得到很大提升，消除人工操作的系统误差；同时支持单极性与双极性两种工作模式的同步测试，适配不同类型电喷雾推力器的地面测试需求；双极性模式可缓解推力器电化学效应，延长推力器的地面测试工作寿命，降低测试过程中的器件损耗。

32、本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。