一种等离子体推力器羽流参数多点测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及航空航天领域，尤其涉及一种等离子体推力器羽流参数多点测量装置及测量方法。


背景技术：

2.近几年来，真空环境下等离子体发生器校准技术逐渐成为等离子体诊断领域的研究热点。来自国内外的研究者分别尝试沿着不同的技术路线，建立一套涵盖微波等离子体和射频等离子体两种类型的等离子体发生器标准装置，为了能够有效解决微纳卫星微机电系统刻蚀加工用感应耦合等离子体发生器、轨道空间等离子体环境模拟用微波ecr等离子体发生器、以及空间电推进用电弧推进器、霍尔推进器等多种类型的等离子体发生器的量值溯源问题。而在此过程中所进行的校准技术研究中，通过应用适用范围不同的朗缪尔探针测量装置作为标准测量设备。其工作原理为：通过在探针上施加高精度的扫描电压，采集探针在该扫描电压下的探针收集电流，利用i-v曲线得到等离子体的电子密度和电子温度，同时，针对射频等离子体测量引入了高精度射频补偿，标准测量装置同时还具备较高的空间分辨率，最大程度降低系统的测量不确定度来源。
3.而在现有技术中，朗缪尔探针通过固定的方式安装在真空舱内壁，如果需要对等离子体推力器羽流区域多个点的等离子体参数进行测量，需要反复开启真空舱，人工手动调整探针的位置，以此来获取多个点的等离子体参数。这种传统的测量方式使得测试周期变得很长且增加了试验成本。
4.此外，在现有技术中，在测量等离子体推力器羽流对称性时，采用的方法是在羽流区设置多组对称的朗缪尔探针，但是这种方式只能测得朗缪尔探针所在位置的对称性，无法获得空间联系的对称性，测试效果非常不理想。
5.同时，在现有技术中，朗缪尔探针在使用时由于干扰噪声和放电电流的存在，还会导致i-v曲线失真，测量精度受到严重影响。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种等离子体推力器羽流参数多点测量装置及测量方法。
7.为实现上述发明目的，本发明提供一种等离子体推力器羽流参数多点测量装置，包括：真空舱；与所述真空舱相连接的真空泵单元；与所述真空泵单元相连接的工控单元，用于提供并维持所述真空舱的真空环境；以及测量单元；
8.所述测量单元包括：至少两个设置在所述真空舱内的三维移动平台；设置于所述三维移动平台上的探测结构；与所述探测结构连接，用于采集数据的采集单元；
9.所述探测结构采用朗缪尔探针、rpa探针或faraday探针。
10.根据本发明的一个方面，所述真空舱为中空的柱状体，且在所述真空舱轴向的至少一个端面上设置用于安装等离子体推力器的安装位；
11.所述安装位贯穿所述真空舱的舱壁，且可开合的设置；
12.所述真空舱的侧壁上设置有观察窗和电真空法兰。
13.根据本发明的一个方面，所述真空舱水平设置；
14.所述三维移动平台为两个，分别为第一三维移动平台和第二三维移动平台；
15.所述第一三维移动平台和第二三维移动平台相互对称的设置在所述真空舱内部的水平台上。
16.根据本发明的一个方面，所述三维移动平台包括：第一线性驱动，设置在所述第一线性驱动上的第二线性驱动，以及设置在所述第二线性驱动上的转动平台；
17.所述第一线性驱动的驱动方向与所述真空舱的轴向相平行；
18.所述第二线性驱动的驱动方向与所述真空舱的轴向相垂直；
19.所述转动平台的旋转方向与所述真空舱的轴向相垂直，所述转动平台可在正负30度范围内旋转；
20.所述探测结构安装在所述转动平台的外边缘上，且探测结构朝向与所述真空舱的轴向相垂直。
21.根据本发明的一个方面，各所述探测结构(142)分别对应设置有电源，用于驱动探针运行；
22.若所述探测结构采用朗缪尔探针，则各所述探测结构分别对应设置有电源，用于单探针模式下独立运行进行离子体特征参数空间分布的连续快速测量和对称运行进行离子体羽流空间分布对称性测量，或者，各所述探测结构连接于同一电源用于双探针模式下进行离子体特征参数空间分布的连续快速测量；
23.若所述探测结构采用rpa探针，则各所述探测结构分别对应设置有电源，用于单探针模式下独立运行进行推力器羽流离子能量分布测量和对称运行进行推力器羽流离子能量分布对称性测量；
24.若所述探测结构采用faraday探针，则各所述探测结构分别对应设置有电源，用于单探针模式下独立运行进行羽流发散角的测量和对称运行进行羽流发散角的对称性测量。
25.根据本发明的一个方面，所述探测结构与所述采集单元相连的一端串联设置有多个电感；
26.多个所述电感的共振频率互不相同。
27.根据本发明的一个方面，所述电感包括：锰锌铁氧体磁芯，以及缠绕在所述锰锌铁氧体磁芯上的导线。
28.根据本发明的一个方面，所述采集单元采用电流采样电路，其中，所述电流采样电路为具有高输入共模抑制比采样电路；
29.在所述电流采样电路的信号输入前级放大器和电流拾取差分放大器设置运算放大器有源滤波电路；
30.在所述电流拾取差分放大器靠近探针扫描电压源的一端串联有与取样电阻相同阻值的补偿电阻。
31.为实现上述发明目的，本发明提供一种采用前述的等离子体推力器羽流参数多点测量装置的测量方法，所述探测结构采用朗缪尔探针、rpa探针或faraday探针；包括：
32.s1.将待测的等离子体推力器安装在所述真空舱的安装位上，并通过工控单元和真空泵单元对所述真空舱抽真空并保持；
33.s2.所述测量单元中的多个探测结构分别与不同的电源相连接，作为两组单探针使用；
34.s3.所述测量单元中的多个所述三维移动平台按照规划的路径分别驱动所述探测结构在所述等离子体推力器所产生的羽流区内独立移动或对称移动；
35.s4.分别获取各所述探测结构相对应的i-v曲线，导出等离子体特征参数；其中，所述等离子体特征参数包括：电子温度、密度、能量分布和等离子体电位；
36.s5.重复执行步骤s3至s4，获取所述羽流区内等离子体特征参数的空间分布，或者获取推力器羽流离子能量的空间分布，或者获取羽流发散角。
37.为实现上述发明目的，本发明提供一种采用前述的等离子体推力器羽流参数多点测量装置的测量方法，所述探测结构采用朗缪尔探针；包括：
38.s1.将待测的等离子体推力器安装在所述真空舱的安装位上，并通过工控单元和真空泵单元对所述真空舱抽真空并保持；
39.s2.所述测量单元中的多个探测结构与同一电源相连接，作为一组双探针使用；
40.s3.所述测量单元中的多个所述三维移动平台按照规划的对称路径分别驱动所述探测结构在所述等离子体推力器所产生的羽流区内对称移动；
41.s4.分别获取各所述探测结构相对应的i-v曲线，导出等离子体特征参数；其中，所述等离子体特征参数包括：电子温度、密度、能量分布和等离子体电位；
42.s5.重复执行步骤s3至s4，获取所述羽流区内等离子体特征参数的空间分布。
43.根据本发明的一种方案，本发明可以提高等离子体测量效率、能够连续测量羽流多点对称性，打破朗缪尔探针使用的局限性、屏蔽探针电路中的误差干扰，同时，本发明的多点测量装置结构简单、稳定可靠，实用性强。
44.根据本发明的一种方案，本发明可以实现单探针和双探针联用，能够降低探针信号噪声、是一种高效的、结构简单、系统稳定可靠的等离子体诊断装置。
45.根据本发明的一种方案，本发明可以实现多种测量传感器联用，将朗缪尔探针更换为rpa探针或者faraday探针，能够实现电推力器羽流离子能量分布和羽流发散角的测量，是一种模块化的多功能羽流等离子体诊断装置。
46.根据本发明的一种方案，本发明的多点测量装置可实施用于准确模拟空间等离子体环境、航天器寿命测试和失效验证，以及服务于不同领域航天飞行任务。尤其是在等离子体推力器的羽流区参数测量和对称性验证领域，本发明依靠其卓越的性能，可以实现等离子体推力器羽流区参数快速、高精度、连续测量；同时，还具有验证羽流的对称性，并获取等离子体推力器的启动性能的优点。
47.根据本发明的一种方案，本发明的方案利用上下两个三维移动平台将探针移动到不同位置，能够实现不开启真空舱情况下快速连续测量。
48.根据本发明的一种方案，本发明的方案通过采用单探针和双探针联用技术，能够根据不同的测试环境和条件进行灵活的调整，进而能够最大限度的降低放电干扰，避免i-v特性曲线失真。
49.根据本发明的一种方案，本发明的方案利用在探针针尖后端安装的大阻抗隔离滤波器，隔离这些针尖接收的干扰噪声；以及在电流采样电路中设置运算放大器有源滤波电路和高输入共模抑制比采样电路，进一步提高测量精度，保证了本发明的优良使用效果。
附图说明
50.图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的等离子体推力器羽流参数多点测量装置的主视图；
51.图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的等离子体推力器羽流参数多点测量装置的剖视俯视图；
52.图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的隔离共振电感阻抗随频率的变化图。
具体实施方式
53.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
54.在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
55.结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种等离子体推力器羽流参数多点测量装置，包括：真空舱11；与真空舱11相连接的真空泵单元12；与真空泵单元12相连接的工控单元13，用于提供并维持真空舱11的真空环境；以及测量单元14。在本实施方式中，真空舱为一中空的柱状体，其相对的两端分别通过截面为弧形的盖体密封，以实现其内部空间能够被抽成中空，保证实验的正常进行。
56.在本实施方式中，在真空舱11轴向的至少一个端面上设置用于安装等离子体推力器的安装位111，即在至少一个真空舱端部的盖体上设置有贯穿该盖体的安装位111。在本实施方式中，安装位111位于盖体的中间位置，这样使得该安装位处于盖体上的突出位置，非常有利于待测设备的安装和拆卸。在本实施方式中，安装位111贯穿真空舱11的舱壁，且可开合的设置，在需要安装待测设备时，其为开口并通过与待测设备安装连接后实现密封。当不安装待测设备时，其通过结构件将其密封，需要安装待测设备时才将其取下。在本实施方式中，真空舱11的侧壁上设置有观察窗112和用于真空舱内设备和舱外设备的电气线路连接的电真空法兰。在本实施方式中，观察窗112可在真空舱11的侧壁上沿轴向依次排列设置多个，每个观察窗112均采用透明结构件密封以实现对舱内运行过程的观察。
57.结合图1和图2所示，在本实施方式中，测量单元14包括：至少两个设置在真空舱11内的三维移动平台141；设置于三维移动平台141上的探测结构142；与探测结构142连接，用于采集数据的采集单元。在本实施方式中，探测结构142采用朗缪尔探针、rpa探针或faraday探针。
58.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，真空舱11水平设置。在本实施方式中，三维移动平台141为两个，分别为第一三维移动平台141a和第二三维移动平台141b；其中，第一三维移动平台141a和第二三维移动平台141b相对的设置在真空舱11内部的水平台上，且
第一三维移动平台141a和第二三维移动平台141b相互对称的设置。在本实施方式中，第一三维移动平台141a和第二三维移动平台141b在羽流区的左右两侧对称设置。
59.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，三维移动平台141包括：第一线性驱动1411，设置在第一线性驱动1411上的第二线性驱动1412，以及设置在第二线性驱动1412上的转动平台1413。在本实施方式中，第一线性驱动1411的驱动方向与真空舱11的轴向相平行；第二线性驱动1412的驱动方向与真空舱11的轴向相垂直；转动平台1413的旋转方向与真空舱11的轴向相垂直(即转动平台1413的旋转轴与真空舱11的轴向相垂直)，转动平台1413可在正负30度范围内旋转。在本实施方式中，探测结构142安装在转动平台1413的外边缘上，且探针朝向与真空舱11的轴向相垂直。
60.根据本发明的一种实施方式，各探测结构142分别对应设置有电源，用于驱动探针运行。
61.若探测结构142采用朗缪尔探针，则当各探测结构142分别对应设置有电源时，每个探测结构142分别处于不同的电路中，进而，在本发明的多点测量装置在使用时，可通过对应的三维移动平台141分别将探测结构142移动至起始位置，两个探测结构142位于两个电路内(单探针模式)则分别独立进行i-v曲线绘制，导出等离子体的电子温度、密度、能量分布和等离子体电位等重要参数。然后按照规划好的路线依次测量不同位置的等离子体的电子温度、密度、能量分布和等离子体电位等重要参数。实现等离子体特征参数空间分布的连续快速测量。或者，在本发明的多点测量装置在使用时，可通过对应的三维移动平台141将两个探测结构142移动至对称的位置，即可进行等离子体羽流空间分布对称性测量，起动等离子体推力器，如果两个朗缪尔探针检测到的等离子体参数相同，说明等离子体推力器的羽流在空间中对称分布；如果两个朗缪尔探针检测到的等离子体参数不同，或者说两个测量点的参数差值超过了许可范围，则等离子体推力器的羽流在空间中为非对称分布。进一步的，在测量等离子体推力器的起动性能时，记录推力器收到点火指令到两个朗缪尔探针(位置对称)参数达到相同时的时间，即可表征等离子体推力器的起动性能。
62.当各探测结构142连接于同一电源时，两个探测结构142处于同一电路中，此时的探测结构142实现了使用现场为无合适的参考点或者放电电流过大状况下的双探针模式，其中，两个探测结构142分别与同一电源的正极和负极连接，通过三维移动平台141带动两个探测结构142移动到同一位置，由于两个朗缪尔探针收集的净电流为零，因此他们的电位均低于等离子体电位；如果两个朗缪尔探针之间的电位差不等于零，电流将在两个朗缪尔探针间流动，当电压很大时，电位偏低的探针基本上等于离子饱和电流，它等于另一个探针收集的电子饱和电流，所以能最大程度降低放电电流的干扰，避免i-v特性曲线失真。
63.若探测结构142采用rpa探针(离子能量分析仪)，则各探测结构142分别对应设置有电源，用于单探针模式下独立运行进行推力器羽流离子能量分布测量和对称运行进行推力器羽流离子能量分布对称性测量。在本实施方式中，不具有双探针模式。
64.若探测结构142采用faraday探针(法拉第环)，则各探测结构142分别对应设置有电源，用于单探针模式下独立运行进行羽流发散角的测量和对称运行进行羽流发散角的对称性测量。在本实施方式中，不具有双探针模式。
65.根据本发明，本发明的多点测量装置可实现单探针和双探针联用模式，能够最大限度的提高测量效率，并且能够有效避免i-v特性曲线失真。
66.根据本发明的一种实施方式，探测结构142与采集单元相连的一端串联设置有多个电感。在本实施方式中，多个电感的共振频率互不相同。
67.通过上述设置，多个串联的电感可形成一个大的阻抗，这样可以实现隔离探测结构142的针尖所接收到的噪声，对提高本方案的检测精度有益。此外，由于电感在共振频率处达到阻抗最大，进而可以使得多个串联设置的电感形成一个对较宽频率范围内的噪声都具有非常高的大阻抗，从而对进一步有效隔离在针尖上接收到的干扰噪声有益，其隔离阻抗随频率变化的效果可参见图3所示。
68.在本实施方式中，电感包括：锰锌铁氧体磁芯，以及缠绕在锰锌铁氧体磁芯上的导线，可以显著降低射频干扰。
69.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，采集单元采用电流采样电路，其中，电流采样电路为具有高输入共模抑制比采样电路。在本实施方式中，在电流采样电路的信号输入前级放大器和电流拾取差分放大器设置运算放大器有源滤波电路；在电流采样电路中通过信号输入前级放大器和有源滤波电路的设置进一步有效的滤除了采集信号过程中的干扰信号，可有效滤除真空环境内外线缆接收到的电磁干扰，使得本发明的检测精度更加优良。在本实施方式中，电流采样电路为具有高输入共模抑制比采样电路，进而因为偏置电压和干扰信号对于差分放大电路而言是共模信号，而朗缪尔探针电流是差模信号，进而本方案的电流采样电路可有效保证差分放大电路只测量差模信号。同时，在本实施方式中，在电流拾取差分放大器靠近探针扫描电压源的一端串联有与取样电阻相同阻值的补偿电阻，以有效弥补取样电阻造成的差分放大电路两个输入端的电压不平衡，进一步保证了本发明的测量精度。
70.如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种采用根据前述的等离子体推力器羽流参数多点测量装置的测量方法，探测结构142采用朗缪尔探针，包括：
71.s1.将待测的等离子体推力器安装在真空舱11的安装位111上，并通过工控单元13和真空泵单元12对真空舱11抽真空并保持；
72.s2.测量单元14中的多个探测结构142分别与不同的电源相连接，作为两组单探针使用；
73.s3.测量单元14中的多个三维移动平台141按照规划的路径分别驱动探测结构142在等离子体推力器所产生的羽流区内独立移动或对称移动；
74.s4.分别获取各探测结构142相对应的i-v曲线，导出等离子体特征参数；其中，等离子体特征参数包括：电子温度、密度、能量分布和等离子体电位；
75.s5.重复执行步骤s3至s4，获取羽流区内等离子体特征参数的空间分布。
76.根据本发明的一种实施方式，本发明的另一种采用根据前述的等离子体推力器羽流参数多点测量装置的测量方法，探测结构142采用rpa探针，包括：
77.s1.将待测的等离子体推力器安装在真空舱11的安装位111上，并通过工控单元13和真空泵单元12对真空舱11抽真空并保持；
78.s2.测量单元14中的多个探测结构142分别与不同的电源相连接，作为两组单探针使用；
79.s3.测量单元14中的多个三维移动平台141按照规划的路径分别驱动探测结构142在等离子体推力器所产生的羽流区内独立移动或对称移动；
80.s4.分别获取各探测结构142相对应的i-v曲线，导出等离子体特征参数；其中，等离子体特征参数包括：电子温度、密度、能量分布和等离子体电位；
81.s5.重复执行步骤s3至s4，获取推力器羽流离子能量的空间分布。
82.根据本发明的一种实施方式，本发明的另一种采用根据前述的等离子体推力器羽流参数多点测量装置的测量方法，探测结构142采用faraday探针，包括：
83.s1.将待测的等离子体推力器安装在真空舱11的安装位111上，并通过工控单元13和真空泵单元12对真空舱11抽真空并保持；
84.s2.测量单元14中的多个探测结构142分别与不同的电源相连接，作为两组单探针使用；
85.s3.测量单元14中的多个三维移动平台141按照规划的路径分别驱动探测结构142在等离子体推力器所产生的羽流区内独立移动或对称移动；
86.s4.分别获取各探测结构142相对应的i-v曲线，导出等离子体特征参数；其中，等离子体特征参数包括：电子温度、密度、能量分布和等离子体电位；
87.s5.重复执行步骤s3至s4，获取羽流发散角。
88.如图1所示，根据本发明的另一种实施方式，本发明的一种根据前述等离子体推力器羽流参数多点测量装置的测量方法，探测结构142采用朗缪尔探针包括：
89.s1.将待测的等离子体推力器安装在真空舱11的安装位111上，并通过工控单元13和真空泵单元12对真空舱11抽真空并保持；
90.s2.测量单元14中的多个探测结构142与同一电源相连接，作为一组双探针使用；
91.s3.测量单元14中的多个三维移动平台141按照规划的对称路径分别驱动探测结构142在等离子体推力器所产生的羽流区内对称移动；
92.s4.分别获取各探测结构142相对应的i-v曲线，导出等离子体特征参数；其中，等离子体特征参数包括：电子温度、密度、能量分布和等离子体电位；
93.s5.重复执行步骤s3至s4，获取羽流区内等离子体特征参数的空间分布。
94.上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
95.以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。