静电探针电流测量装置的制作方法

1.本发明涉及一种静电探针电流测量装置。


背景技术：

2.静电探针测量系统主要用于超高速流场等离子体电子密度快速时空分布的测量，典型测量对象为激波管等离子体流场，采用瞬态阵列静电探针测量系统测量流场截面的等离子体径向分布。静电探针则是插入等离子体内部的一根导电金属针，其工作方式是通过探针控制电源给针尖施加设定的电压波形，测量针尖收集到的微弱电流，最后通过电压电流曲线的特殊算法计算等离子体参数。测量时，各组静电探针的扫描电压相位应保持一致，确保探针组测量的电子温度处于相同的时间。
3.探针的电压电流曲线呈现s形，可分为微安级探针电流的离子饱和电流区域、毫安级别探针电流的电子饱和电流区域以及两者之间的过渡区域这三个区域。对于典型的激波管等离子体参数，探针电流随扫描电压增加约跨越6个数量级，且测试次数有限，单次测试时间短。由于一次完整采样的电流动态范围大(超过130db)，所以静电探针必须具有对跨越多个数量级的探针电流的大动态范围测量能力。因此常规的数据采集器难以满足测试要求。传统大动态范围探针电流信号为了实现电流的准确测量，通常需要根据已知测试条件对探针电流信号进行计算分析，估算信号大小，从而人工设置量程完成测量，或者根据以往试验结果在下次试验时，人工或自动设置档位完成测量，这在瞬态大动态范围的等离子体参数测量过程中是不适用的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种静电探针电流测量装置。
5.为实现上述发明目的，本发明提供一种静电探针电流测量装置，包括：
6.采样电阻，用于采集所述静电探针反馈的信号；
7.放大电路，用于接收所述采样电阻采集的信号并进行放大；
8.采集器，用于对经过所述放大的信号进行模数转换；
9.处理器，用于对经过所述模数转换的信号进行处理得到测量结果；
10.所述放大电路对其接收的信号按量程分多路进行放大，所述采集器对经过所述放大的多路信号分别进行模数转换，所述处理器对经过所述模数转换的多路信号进行合并处理。
11.根据本发明的一个方面，所述放大电路包括：
12.精密仪表放大器，用于对输入所述放大电路的信号进行放大；
13.子放大电路，用于对所述精密仪表放大器输出的信号按量程进行不同倍数的放大。
14.根据本发明的一个方面，所述子放大电路包括：
15.滤波模块，用于对输入所述子放大电路的信号进行低通滤波；
16.运放器，用于对经过所述低通滤波的信号进行放大；
17.分压模块，用于与所述运放器并联组成差分放大电路。
18.根据本发明的一个方面，所述滤波模块包括串联的第一、第二滤波电阻和位于所述第一、第二滤波电阻之间的接地线路，所述接地线路上设有滤波电容；
19.所述分压模块包括并联的分压电容和分压电阻。
20.根据本发明的一个方面，所述子放大电路还包括：
21.线性光耦模块，用于使所述差分放大电路输出的信号以光耦形式传递；
22.连接器，用于将所述线性光耦模块传递的信号输出。
23.根据本发明的一个方面，所述合并处理为通过上位机软件分析，具体为根据处理器软件分析所述采集器最大量程下测量的数据大小，确定其所在的量程区间，并选择对应量程区间内的测量数据作为所述测量结果。
24.根据本发明的一个方面，所述采集器为16位数采卡，所述处理器为上位机。
25.根据本发明的一个方面，所述放大电路分别对信号进行100倍和1倍的放大。
26.根据本发明的构思，提供一种高精度大动态范围探针电流测量装置，其由采样电阻、放大电路、双通道数据采集器以及处理器组成。可结合多路不同量程采集的信号进行整合，自动判断并选取输出信号，实现大动态范围信号的自动测量，兼顾了信号测量大量程、高精度的特点，可实现无人值守的自动测量，尤其适用于信号大小未知的不可重复试验，保证信号的完整测量。
27.根据本发明的一个方案，放大电路中利用不同量程及放大倍数的子放大电路对输入信号自动进行信号放大，从而能够输出多路不同量程的信号。并且，子放大电路利用运放器与分压电阻、分压电容配合的形成了高共模抑制比的差分放大电路，从而保证了信号放大的精度。
28.根据本发明的一个方案，双通道数据采集器可对放大后的信号同时进行模数转换，最后由处理器对数据按照量程进行整合，整合时，其中一种整合方案为：当大量程和小量程均未过载时，整合时取小量程值，当小量程过载而大量程未过载时，整合时选择大量程值，从而保证输出最佳的采集数据。
附图说明
29.图1示意性表示本发明的一种实施方式的静电探针电流测量装置的组成及信号传递示意图；
30.图2示意性表示本发明的一种实施方式的静电探针电流测量装置的高共模抑制比差分放大电路原理框图；
31.图3示意性表示本发明的一种实施方式的静电探针电流测量装置的双通道数采量程设置图；
32.图4示意性表示本发明的一种实施方式的静电探针电流测量装置的高共模抑制比差分放大电路图。
具体实施方式
33.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。
34.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。
35.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
36.图1同时示出了电流宽通道调理方案，如图1所示，本发明的静电探针电流测量装置包括采样电阻1、放大电路2、采集器3和处理器4。采样电阻1用于采集静电探针反馈的信号，放大电路2用于接收采样电阻1采集的信号并进行运算放大，采集器3用于对经过运算放大的信号进行模数转换，处理器4用于对经过模数转换的信号进行处理得到测量结果。根据本发明的构思，放大电路2对其接收的信号按量程分多路进行放大，采集器3则对放大电路2输出的多路信号分别进行模数转换，最后由处理器4对经过模数转换的多路信号进行合并处理，得到最终的测量结果。由此，本发明采用多路ad采集的方式应用于探针测量等离子体参数过程中，解决了类似于激波等离子体环境下，测量次数有限，而单次测量过程中，等离子体的密度范围变化很大的测量难题，实现了在电流范围跨度大的情况下对等离子体电流进行准确测量。
37.参见图2，本发明的采样电阻1主要用于实现电流信号到电压信号的转换。具体的，采样电阻1采用高精度、高温度稳定性电阻，从而保证电信号高精度转换，准确测量采样电阻值及环境温度。当然，其采集的温度还需要由后续的处理器4进行修正。放大电路2包括精密仪表放大器21和子放大电路22。如图2所示，精密仪表放大器21的作用即在于提取采样电阻1的电压信号并进行放大后输出，而其所采集的信号也是输入至放大电路2中的信号。本实施方式具有两条子放大电路22，分别用于按量程对精密仪表放大器21输出的信号进行不同倍数的放大。实际上，放大电路2中的子放大电路22起主要的信号放大作用，而精密仪表放大器21进行低倍信号放大的作用在于形成信号隔离，避免探针侧的信号对仪器侧形成干扰。
38.继续参见图2，本发明的采集器3为16位数采卡，处理器4为上位机。在本实施方式中，采集器3为双通道采集器，即可以同时接收两种不同量程的信号。具体的，由图2可知，精密的采样电阻1采集等离子体电流的采集精度在0.1μa～400ma，再通过精密仪表放大器21进行信号放大后输出电压精度为2μv～8v。由于后级处理采用了双16位采集卡级联，因此可将该信号以2mv为限进行划分，2mv～8v信号直接通过
±
10v大量程采集，电流通道小信号量程范围2μv～2mv的微小电压信号则通过100倍高速精密放大器(即精密电压放大电路)放大为200μv～200mv信号后，输入
±
200mv小量程通道进行采集。本发明的上述合并处理操作即由上位机中的软件实现，具体逻辑为，根据采集器3最大量程下测量的数据的大小，判断其所在的量程区间，并选择对应量程区间内的测量数据作为测量结果，从而可以获得最佳的采集数据。
39.参见图3，根据上述可知，本发明的双通道采集器的使用则兼顾了大量程和高精度的特点。具体的，对于16位ad采集卡而言，其一档动态范围仅有80db，再考虑到量程之间重叠，在160db的范围内就需要设置多达5个左右的量程。针对静电探针测量系统而言，则需要具有130db左右的动态范围，但在这一范围内仍需设置2个量程。可见，双通道数据调理采集器在一个量程内便可以满足130db的范围，既能使测量更加简单，又保证更好的测量结果精度，优越性显而易见。
40.参见图4，本发明的子放大电路22包括滤波模块221、运放器222和分压模块223。滤波模块221用于对输入子放大电路22的信号进行低通滤波。具体的，滤波模块221包括串联的第一、第二滤波电阻221a，221b和位于第一、第二滤波电阻221a，221b之间的接地线路221c，接地线路221c上设有滤波电容221d。运放器222用于对经过低通滤波的信号进行放大，该放大器为宽带跨阻放大器，其与分压模块223并联组成高共模抑制比差分放大电路。分压模块223则包括并联的分压电容223a和分压电阻223b，具体可选用低偏置电流和高输入阻抗的ad8065进行跨阻采样放大电路设计。由此也使得本发明的放大电路2具有高共模抑制比差分放大的特点。这样，输入放大电路2的信号经过精密仪表放大器21对信号的初步放大后形成测电流的信号，再经过滤波模块221的低通滤波以及差分放大后输出，即可保证大动态范围测量的准确性。此外，为了保证信号传递的高速性，本发明的子放大电路22还包括线性光耦模块224。该模块可使差分放大电路输出的信号以光耦形式高速传递给后续的连接器225，再由线缆将信号输出。由此可知，线性光耦模块224实际上与差分放大电路构成了高速运算放大器。
41.综上所述，本发明的静电探针电流测量装置的电路为具有双通道数据采集器的大动态范围电流测试电路，可根据输入电流信号大小采用不同增益的双路信号模数转换器采集探针信号，即可对同一信号根据输入信号自动进行信号放大，并对放大后的信号采用两路或多路数据调理采集器同时进行模数转换，再自动判断并选取输出信号，实现大动态范围信号的自动测量，保证信号测量的精度，可实现无人值守的自动测量，尤其适用于信号大小未知的不可重复试验，保证信号能完整测量。
42.由此，本发明突破了一路信号只采用一路数据采集的思维束缚，而使每路信号使用两个或多个数据采集通道同步进行采样，并且每个数据采集前使用不同但固定的放大倍数，这样就同时得到多个量程下进行测量的数字信号，再根据较宽量程通道测量结果判断选择适当的通道的信号进行处理分析，最后通过处理器对跨量程的多个数字信号进行整合，使用最大量程的测量数据初步确定信号的大小，然后选择能满足该信号大小的最佳量程下测量的数据，作为最终的采集数据，从而保证了电流信号的大动态范围测量。
43.可见，本发明不仅适用于超音速等离子体的静电探针测试，还可以应用其他等离子体测试中的电压、电流的大动态范围测试。根据本发明所进行的大量程测试方法，具有结构简单、可靠性和精度高的优点，可推广到其他电信号、非电信号的测试。上述特点也使得本方案可用于测试空间等离子体探针、提高空间等离子体探针精度、增加空间探测、航天器状态监控和自我保护的能力，有利于提高等离子体设备的效率和精度，在空间任务和通用等离子体应用领域均有广泛的应用前景，并且可转化为批量生产销售产品产生显著的经济效益和社会效益。
44.以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，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。