航天器介質(zhì)充電效應(yīng)模擬試驗(yàn)中的非接觸式電位轉(zhuǎn)接測(cè)量技術(shù)

鄭耀昕，張振龍，鄭漢生，韓建偉（. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 0090；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 00049）

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航天器介質(zhì)充電效應(yīng)模擬試驗(yàn)中的非接觸式電位轉(zhuǎn)接測(cè)量技術(shù)

鄭耀昕1,2，張振龍1，鄭漢生1,2，韓建偉1
（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

摘要：航天器充放電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)中需要測(cè)量的一個(gè)重要參數(shù)是介質(zhì)的充電電位。文章基于介質(zhì)充電電位的非接觸式轉(zhuǎn)接測(cè)量技術(shù)，分析了測(cè)量中引起誤差的各個(gè)因素，討論了減小測(cè)量誤差和提高轉(zhuǎn)接測(cè)量分辨率的方法，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。據(jù)此設(shè)計(jì)了一套介質(zhì)電位非接觸式轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)，其測(cè)量分辨率達(dá)到10V以下，且由電荷泄漏引起的測(cè)量誤差＜1%，能夠滿足航天器介質(zhì)充電電位的測(cè)量要求。

關(guān)鍵詞：航天器充電效應(yīng)；電位測(cè)量；非接觸式測(cè)量；分辨率

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0　引言

在空間帶電粒子輻射環(huán)境下，航天器充放電效應(yīng)會(huì)破壞介質(zhì)材料，損壞或干擾電子設(shè)備，進(jìn)而威脅航天器的運(yùn)行安全[1-3]。地面模擬試驗(yàn)是研究充放電效應(yīng)的有效手段，也是對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，其中樣品（介質(zhì)）的充電電位是試驗(yàn)中需要測(cè)量的一個(gè)重要參數(shù)[4]。

地面模擬航天器充電效應(yīng)需將被測(cè)樣品置于真空室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行輻照充電。由于介質(zhì)電導(dǎo)率很小，介質(zhì)中的電荷不易移動(dòng)，為了保持其帶電狀態(tài)，只能通過(guò)非接觸方式對(duì)其表面電位進(jìn)行測(cè)量[5]。若直接將電位計(jì)探頭放于真空室內(nèi)，則一是需要研制高壓過(guò)渡裝置；二是探頭會(huì)受輻射環(huán)境影響，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；三是對(duì)探頭進(jìn)行維修時(shí)必須打開(kāi)真空罐，這不利于在試驗(yàn)中對(duì)電位計(jì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)與校正。而充電電位的轉(zhuǎn)接測(cè)量方法是將電位計(jì)探頭放于真空室外，對(duì)連通真空室內(nèi)外的轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)上的監(jiān)測(cè)板進(jìn)行非接觸式測(cè)量，從而可有效避免上述問(wèn)題和不便。這種方法最初由美國(guó)A. R. Fredericson教授提出[6-7]；猶他大學(xué)的J. L. Hodges對(duì)此進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了一套轉(zhuǎn)接測(cè)量機(jī)構(gòu)，其試驗(yàn)裝置適用于對(duì)寬度小于19mm的平板樣品進(jìn)行一維掃描測(cè)量，轉(zhuǎn)接距離很短，因此測(cè)量結(jié)果受轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)影響較小，系統(tǒng)分辨率可達(dá)1V[8]。這里所說(shuō)的系統(tǒng)分辨率指的是電位計(jì)與轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)組合在一起進(jìn)行測(cè)量時(shí)的分辨率。雖然電位計(jì)本身的分辨率通常很高，但經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)電容分壓后會(huì)降低系統(tǒng)的分辨率；同時(shí)轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)會(huì)不可避免地存在電荷泄漏而使測(cè)量結(jié)果偏離真實(shí)值，即引起測(cè)量誤差。

為滿足航天器部件級(jí)模擬試驗(yàn)要求，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研制了航天器充放電模擬試驗(yàn)裝置，采用轉(zhuǎn)接測(cè)量方法對(duì)樣品表面充電電位進(jìn)行較大范圍的三維掃描測(cè)量。此裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、轉(zhuǎn)接線較長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果受轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)影響大而導(dǎo)致系統(tǒng)分辨率較低，測(cè)量過(guò)程中電荷泄漏快而引起誤差較大。本文從轉(zhuǎn)接測(cè)量原理出發(fā)，通過(guò)一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)，以求減小測(cè)量誤差并提高系統(tǒng)分辨率。

1　非接觸式轉(zhuǎn)接測(cè)量原理

1.1航天器充放電模擬裝置

航天器充放電模擬裝置包括真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、電子輻照裝置、三維平移機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）[9]。測(cè)量系統(tǒng)中的表面電位測(cè)量采用Trek341B型非接觸式靜電電位計(jì)，量程為-20～20kV。真空容器直徑約為1m，轉(zhuǎn)接導(dǎo)線長(zhǎng)約1.5m，三維平移機(jī)構(gòu)可牽引轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)的感應(yīng)探頭從遠(yuǎn)離樣品臺(tái)200mm處到達(dá)輻照中心，然后進(jìn)行100mm×100mm×100mm范圍內(nèi)的三維掃描測(cè)量或任意一點(diǎn)的定位測(cè)量。

圖1　航天器充放電模擬裝置示意圖Fig. 1　Schematic diagram of spacecraft charging and discharging simulator(SCADS)

1.2電位轉(zhuǎn)接測(cè)量原理與分析

轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，中間部分即是轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)，由內(nèi)部電容探頭、轉(zhuǎn)接導(dǎo)線和外部監(jiān)測(cè)板3部分構(gòu)成。其中，電容探頭是轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的主要部件，由感應(yīng)探頭、絕緣體和屏蔽體構(gòu)成，如圖3所示。

圖2　轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig. 2　Schematic diagram of transfer measurement system

圖3　常用電容探頭結(jié)構(gòu)Fig. 3　Structure of a traditional capacitance probe

圖2中的被測(cè)樣品受電子輻照而呈負(fù)電位，探頭靠近樣品時(shí)感應(yīng)正電荷。理想情況達(dá)到靜電平衡時(shí)，轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)總電荷為0，且為等勢(shì)體。根據(jù)電容分壓原理，轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的電位與樣品電位成正比例關(guān)系，通過(guò)標(biāo)定可測(cè)量樣品電位[10]。

對(duì)轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，需在真空環(huán)境下將標(biāo)準(zhǔn)電壓源接于銅質(zhì)標(biāo)定電極上來(lái)模擬帶電樣品。調(diào)節(jié)電壓源的輸出，使用轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)對(duì)每個(gè)輸出值進(jìn)行多次測(cè)量并求平均值，將標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量平均值線性擬合，求出關(guān)系式。實(shí)際測(cè)量時(shí)，即可根據(jù)測(cè)量值和標(biāo)定關(guān)系式推算出樣品電位。

樣品對(duì)地可等效為一電容Cs，設(shè)其測(cè)量前帶電量為Q，則電位Vs=Q/Cs。設(shè)轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)對(duì)地等效電容為Cw，對(duì)地等效電阻為Ri；測(cè)量時(shí)感應(yīng)探頭與樣品的耦合電容為Cf，則系統(tǒng)等效電路如圖4所示，其中Vs′和Vp分別為測(cè)量時(shí)樣品和轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的電位。

圖4　測(cè)量系統(tǒng)等效電路圖Fig. 4　Equivalent circuit diagram of the measurement system

實(shí)際測(cè)量中當(dāng)探頭靠近樣品時(shí)，因分布電容的存在會(huì)導(dǎo)致樣品電位降低；而標(biāo)定時(shí)，因標(biāo)定電極一直被施以恒壓，電位并不會(huì)降低。因此，經(jīng)標(biāo)定關(guān)系式推算出的樣品電位要比真實(shí)值略低。從圖4可得測(cè)量時(shí)與測(cè)量前樣品的電位之比Vs′/Vs= Cs/(Cs+C)，其中C為Cw和Cf的串聯(lián)電容。以幾種典型材料的參數(shù)估算得Vs′/Vs的值都在0.9以上，這樣可經(jīng)過(guò)再次換算求得更接近真實(shí)值的樣品電位值。

嚴(yán)格來(lái)講，靜電感應(yīng)的正負(fù)電荷不只分布在轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)兩端，且由于分布電容電阻的存在會(huì)引起電荷泄漏，因此轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的電位會(huì)隨時(shí)間指數(shù)衰減，即

設(shè)轉(zhuǎn)接系數(shù)K=Vp/Vs，則K值越大，系統(tǒng)分辨率越高；電荷泄漏越快，測(cè)量誤差越大。從式(1)可看出：影響系統(tǒng)分辨率的主要因素為Cf和Cw；導(dǎo)致電荷泄漏的主要因素為Ri和Cw。另外，空氣中的異號(hào)電荷也會(huì)中和監(jiān)測(cè)板上的感應(yīng)電荷，使測(cè)量結(jié)果衰減。

2　測(cè)量誤差和分辨率影響因素分析及對(duì)策

針對(duì)測(cè)量中所面臨的問(wèn)題，轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是減小測(cè)量誤差和提高系統(tǒng)分辨率。

2.1減小測(cè)量誤差

測(cè)量誤差主要來(lái)源于轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)上的電荷泄漏。其主要有兩種泄漏方式：一是通過(guò)相連的物體將電荷泄漏至大地；二是與空氣中的異號(hào)電荷中和。要減小測(cè)量誤差則應(yīng)盡量避免泄漏。

設(shè)系統(tǒng)的放電時(shí)間常數(shù)τ =RiCw，由式(1)可知應(yīng)同時(shí)增大Ri和Cw。但增大Cw將導(dǎo)致系統(tǒng)分辨率降低，因而要求轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)具有很高的泄漏電阻。轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)主要通過(guò)3個(gè)接地點(diǎn)即轉(zhuǎn)接導(dǎo)線、真空轉(zhuǎn)接口和感應(yīng)探頭向大地泄漏電荷，因而應(yīng)：

1）增大轉(zhuǎn)接導(dǎo)線對(duì)地電阻

最初為了真空室內(nèi)布線美觀，曾直接將轉(zhuǎn)接導(dǎo)線緊貼真空室壁，造成轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)不僅分辨率低，還有明顯電荷泄漏。測(cè)量3000V的標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)，電位計(jì)示數(shù)每秒衰減將近10V。后來(lái)根據(jù)真空室的特殊構(gòu)造設(shè)計(jì)了2個(gè)絕緣支柱，將轉(zhuǎn)接導(dǎo)線架起，不僅使測(cè)量時(shí)電位計(jì)每秒衰減值降低到5V左右，系統(tǒng)分辨率也提高了近1倍。

2）增大真空轉(zhuǎn)接口電阻

轉(zhuǎn)接導(dǎo)線需穿過(guò)真空室壁與監(jiān)測(cè)板相連，為了增大導(dǎo)線與真空室壁間的電阻而設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)接口。轉(zhuǎn)接口為銅芯聚四氟乙烯柱，絕緣厚度約為2cm。這樣的轉(zhuǎn)接口電阻極大，能夠大大減少電荷泄漏。

3）增大感應(yīng)探頭對(duì)地電阻

為了更大程度增大電阻并改善屏蔽效果，對(duì)常用電容探頭進(jìn)行改造（如圖5所示）。其優(yōu)點(diǎn)為：感應(yīng)探頭與屏蔽罩之間的沿面泄漏距離增大，其間大部分為真空，可減小探頭電容，增大泄漏電阻；靜電屏蔽效果更好，且有利于感應(yīng)電場(chǎng)均勻分布[11]。

圖5　新型電容探頭結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖Fig. 5　New type of the capacitance probe and its picture

對(duì)改造前后的電容探頭進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。調(diào)節(jié)電壓源，使分別安裝圖3和圖5中2種探頭的轉(zhuǎn)接系統(tǒng)對(duì)標(biāo)定電極的測(cè)量初始值都為700V。保持電壓源恒定，記錄測(cè)量值的變化，得出的電荷泄漏特性曲線如圖6所示。可見(jiàn)安裝新探頭的轉(zhuǎn)接系統(tǒng)電荷泄漏更慢，測(cè)量誤差更小。

盡管如此，伊朗不會(huì)輕易放棄已取得的成績(jī)，必將采取各種方法鞏固陣營(yíng)，并繼續(xù)在“新月帶”的滲透，未來(lái)該地區(qū)將會(huì)陷入長(zhǎng)期動(dòng)蕩。如果伊朗深陷地區(qū)爭(zhēng)端無(wú)法抽身，勢(shì)必影響其經(jīng)濟(jì)發(fā)展，由此帶來(lái)的國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)壓力將會(huì)激化國(guó)內(nèi)改革派和保守派兩大勢(shì)力的矛盾，甚至可能發(fā)生內(nèi)亂。如果美國(guó)制裁導(dǎo)致伊朗政權(quán)的執(zhí)政受到威脅，有可能導(dǎo)致執(zhí)政當(dāng)局鋌而走險(xiǎn)，甚至采取極端手段使地緣局勢(shì)惡化。

圖6　電容探頭改造前后電荷泄漏特性對(duì)比Fig. 6　Charge leakage characteristics of different capacitance probes

2.1.2減少感應(yīng)電荷與空氣中異號(hào)電荷中和

考慮環(huán)境因素，對(duì)監(jiān)測(cè)板周圍空氣干燥除濕以降低異號(hào)電荷密度；同時(shí)在滿足Trek電位計(jì)探頭有效測(cè)量面積的前提下，選用較小的監(jiān)測(cè)板，以減少與空氣的接觸面積。

另外，對(duì)銅質(zhì)的感應(yīng)探頭和監(jiān)測(cè)板都進(jìn)行了拋光鍍金加工，這樣不僅有利于感應(yīng)電場(chǎng)均勻分布，提高測(cè)量精確度，同時(shí)還能防止長(zhǎng)期環(huán)境因素引起的氧化效應(yīng)，減少因表面污染而引起的電荷泄漏。

2.1.3系統(tǒng)清零和校準(zhǔn)

無(wú)論如何增大轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的泄漏電阻并減少其與空氣接觸，總有少量電荷泄漏使電位計(jì)讀數(shù)隨時(shí)間漂移，或者由于空間電荷在電容探頭上沉積而導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此在每次測(cè)量之前必須將轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)接地以對(duì)其清零，并對(duì)電位計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.2提高系統(tǒng)分辨率

從式(1)看出，通過(guò)增大Cf、減小Cw可以提高系統(tǒng)分辨率，而由此導(dǎo)致系統(tǒng)放電時(shí)間常數(shù)的減小則盡量通過(guò)增大Ri進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2.1增大感應(yīng)探頭與樣品間的耦合電容Cf

平板電容計(jì)算公式為C0=ε0·S/d，其中ε0為真空介電常數(shù)；S和d分別為兩板正對(duì)有效面積和間距。因此，要使電容增大，可減小感應(yīng)探頭與被測(cè)樣品的距離，同時(shí)增大兩者的有效感應(yīng)面積。

對(duì)于足夠大的樣品，增大感應(yīng)探頭即是增大感應(yīng)面積。圖7(a)為相同條件下對(duì)安裝不同直徑感應(yīng)探頭的轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)得出的擬合曲線，直徑為10、16、20、30和40mm的感應(yīng)探頭對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)分辨率分別為25.9、15.5、11.9、6.9和5.5V，如圖7(b)所示。可見(jiàn)感應(yīng)探頭越大，系統(tǒng)分辨率越高。但是非接觸測(cè)量實(shí)際得到的是樣品上有效感應(yīng)面積的電位平均值，感應(yīng)探頭越大，其對(duì)被測(cè)樣品的空間分辨率越低。對(duì)于面積較大的平板樣品，若樣品充電均勻，測(cè)得的電位平均值即是期望的真實(shí)值。但若樣品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電位分布不均，則測(cè)得的平均電位將與真實(shí)值存在較大差距。因此應(yīng)根據(jù)被測(cè)樣品的具體結(jié)構(gòu)選用不同大小的感應(yīng)探頭。

設(shè)置不同的感應(yīng)距離，并在相同條件下分別進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，得到擬合曲線和系統(tǒng)分辨率如圖8所示，其中，2、3和4mm的感應(yīng)距離對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)分辨率分別為16.6、21.5和25.9 V。可見(jiàn)感應(yīng)距離越小，系統(tǒng)分辨率越高。但考慮感應(yīng)距離過(guò)小會(huì)導(dǎo)致帶電樣品有放電風(fēng)險(xiǎn)，因此最終選取了2mm的感應(yīng)距離。

圖7　不同大小感應(yīng)探頭的標(biāo)定曲線和系統(tǒng)分辨率Fig. 7　Calibration curves and systematic resolutions for sensing probes of different sizes

圖8　不同感應(yīng)距離的標(biāo)定曲線和系統(tǒng)分辨率Fig. 8　Calibration curves and systematic resolutions for different sensing distances

2.2.2減小轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的對(duì)地等效電容Cw

如圖2，轉(zhuǎn)接裝置的對(duì)地等效電容主要由感應(yīng)探頭對(duì)地等效電容Cw1、轉(zhuǎn)接導(dǎo)線對(duì)地等效電容Cw2和監(jiān)測(cè)板對(duì)地等效電容Cw3這3部分組成。

1）減小感應(yīng)探頭對(duì)地等效電容Cw1

上文為了增大感應(yīng)探頭的對(duì)地電阻而對(duì)電容探頭進(jìn)行改造的同時(shí)，也減小了感應(yīng)探頭的對(duì)地等效電容。對(duì)安裝新舊2種探頭的轉(zhuǎn)接系統(tǒng)分別進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，得系統(tǒng)分辨率分別為7V和8V，可知新電容探頭效果更好。

2）減小轉(zhuǎn)接導(dǎo)線對(duì)地等效電容Cw2

設(shè)有限長(zhǎng)水平導(dǎo)線半徑為r，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，對(duì)地距離為h，則當(dāng)(4h)2<< L2時(shí)，導(dǎo)線對(duì)地等效電容C 與ln(h/r)成反比例關(guān)系。因此應(yīng)盡量縮短轉(zhuǎn)接導(dǎo)線的長(zhǎng)度，增大轉(zhuǎn)接導(dǎo)線與接地導(dǎo)體間的距離，同時(shí)選用橫截面較小的導(dǎo)線，以減小轉(zhuǎn)接導(dǎo)線的對(duì)地等效電容。

上文通過(guò)絕緣支架將轉(zhuǎn)接導(dǎo)線架高后，系統(tǒng)分辨率已由16V提高到8V。為了驗(yàn)證不同粗細(xì)導(dǎo)線對(duì)系統(tǒng)分辨率的影響，對(duì)安裝不同截面銅芯線的轉(zhuǎn)接系統(tǒng)分別進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)并得出系統(tǒng)分辨率如圖9所示，可見(jiàn)轉(zhuǎn)接導(dǎo)線越細(xì)，系統(tǒng)分辨率越高。但通過(guò)對(duì)更多導(dǎo)線進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著導(dǎo)線越來(lái)越細(xì)，分辨率提高的幅度會(huì)越來(lái)越小。為了保證導(dǎo)線有一定的柔韌強(qiáng)度，最終選擇了截面為0.05mm2的銅芯導(dǎo)線。

圖9　不同截面轉(zhuǎn)接導(dǎo)線的標(biāo)定曲線和系統(tǒng)分辨率Fig. 9　Calibration curves and systematic resolutions for different cross section transfer wires

3）減小監(jiān)測(cè)板對(duì)地等效電容Cw3

監(jiān)測(cè)板與電位計(jì)探頭屏蔽罩之間存在耦合電容，其近似于平板電容器，因此應(yīng)該在滿足電位計(jì)探頭有效測(cè)量面積的前提下使監(jiān)測(cè)板盡量小。分別對(duì)安裝有直徑1cm和2cm監(jiān)測(cè)板的轉(zhuǎn)接系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，雖然兩者的系統(tǒng)分辨率并無(wú)明顯差別，但是小的監(jiān)測(cè)板與空氣接觸面積更小，能夠減少感應(yīng)電荷與空氣中異號(hào)電荷中和。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了介質(zhì)電位非接觸式轉(zhuǎn)接測(cè)量中引起誤差的各個(gè)因素，提出了減小測(cè)量誤差和提高轉(zhuǎn)接測(cè)量分辨率的方法，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。減少測(cè)量誤差的方法主要有：合理對(duì)轉(zhuǎn)接導(dǎo)線進(jìn)行布線，將其盡量遠(yuǎn)離接地導(dǎo)體；增大感應(yīng)探頭與屏蔽罩的絕緣強(qiáng)度；在滿足電位計(jì)探頭有效測(cè)量面積的前提下選用較小的監(jiān)測(cè)板。提高轉(zhuǎn)接測(cè)量分辨率的方法主要有：根據(jù)被測(cè)材料的要求盡量選用合適的感應(yīng)探頭和感應(yīng)距離；盡量減小轉(zhuǎn)接機(jī)構(gòu)的對(duì)地等效電容。

根據(jù)以上方法對(duì)航天器介質(zhì)充電電位非接觸式轉(zhuǎn)接測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)測(cè)量分辨率可小于10V，且電荷泄漏引起的誤差＜1%。此測(cè)量系統(tǒng)已應(yīng)用于電荷貯存衰減法測(cè)量絕緣材料電導(dǎo)率試驗(yàn)、SADA 導(dǎo)電環(huán)內(nèi)部充電模擬試驗(yàn)等材料帶電試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)符合預(yù)期，且與仿真結(jié)果基本一致。由于樣品充電電位可達(dá)幾千甚至上萬(wàn)伏，10V的系統(tǒng)分辨率換算成相對(duì)測(cè)量誤差只有不到1%，能夠滿足航天器充電效應(yīng)模擬試驗(yàn)中的電位測(cè)量要求。

參考文獻(xiàn)（References）

[1]Rodgers D J, Ryden K A. Internal charging in space[R]. European Space Agency, 2011

[2]Leach R D, Alexander M B. Failures and anomalies attributed to spacecraft charging, NASA Reference Publication 1375[R], 1995

[3]Violet M D, Frederickson A R. Spacecraft anomalies on the CRRES satellite correlated with the environment and insulator samples[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1993, 40(6): 1512-1520

[4]全榮輝. 航天器介質(zhì)深層充放電特征及其影響[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心, 2009

[5]張榮奇, 譚志良, 林永濤, 等. 常用靜電測(cè)量技術(shù)及其特點(diǎn)[J]. 裝備環(huán)境工程, 2007, 4(5): 85-88 Zhang Rongqi, Tan Zhiliang, Lin Yongtao, et al. Overview on electrostatic testing technologies and there characteristics[J]. Equipment Environmental Engineering, 2007, 4(5): 85-88

[6]Frederickson A R, Benson C E, Bockman J F. Measurement of charge storage and leakage in polyimides[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2003, 208: 454-460

[7]Fredrickson A R, Dennison J R. Measurement of conductivity and charge storage in insulators related to spacecraft charging[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2003, 50(6): 2284-2290

[8]Hodges J L, Dennison J R, Dekany J, et al. In situ surface voltage measurements of dielectrics under electron beam irradiation[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(1): 255-265

[9]張振龍, 韓建偉, 曹旭緯, 等. 航天器內(nèi)部充電模擬裝置及其應(yīng)用[J]. 抗核加固, 2013, 30(1): 41-47

[10]魏明, 葉偉, 魏光輝. 非接觸式靜電電壓表校驗(yàn)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2002(12): 46-48 Wei Ming, Ye Wei, Wei Guanghui. Study on verification of non-contact electrostatic voltmeter[J]. Instrument Technique and Sensor, 2002(12): 46-48

[11]張要強(qiáng), 鄭曉泉, 劉曉東, 等. 真空環(huán)境下介質(zhì)表面電荷分布的測(cè)量方法[J]. 絕緣材料, 2006, 39(3): 61-63 Zhang Yaoqiang, Zheng Xiaoquan, Liu Xiaodong, et al. Measurement methods of surface charge distribution on dielectric in vacuum environment[J]. Insulating Materials, 2006, 39(3): 61-63

（編輯：許京媛）

指導(dǎo)教師：張振龍（1976—），男，研究員，主要從事空間環(huán)境效應(yīng)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

作者簡(jiǎn)介：鄭耀昕（1990—），男，碩士研究生，地球與空間探測(cè)技術(shù)專業(yè)；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

中圖分類號(hào)：V416.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1673-1379(2016)02-0211-05