航天器表面充電到高靜電位會(huì)導(dǎo)致靜電放電(ESD)，從而影響甚至破壞衛(wèi)星電子器件。靜電放電事件大多與各種表面材料之間的差異帶電有關(guān)，因此研究不同表面材料在空間的充電電位對(duì)于控制航天器表面靜電放電事件至關(guān)重要。本文介紹了用于測(cè)量表面電位的靜電感應(yīng)式位監(jiān)測(cè)器的工作原理，并且對(duì)探頭部分設(shè)計(jì)參數(shù)的選取進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算研究，用于設(shè)計(jì)參數(shù)的選取和優(yōu)化。

　　航天器靜電放電(ESD)與各種表面材料之間的差異帶電密切相關(guān)，但是差異帶電直接在軌測(cè)量很少，目前只能通過(guò)航天器表面材料樣品設(shè)備來(lái)測(cè)量。衛(wèi)星上搭載過(guò)的表面電位傳感器有兩種類(lèi)型。一類(lèi)是電荷板分析器(CPA)，此類(lèi)傳感器搭載在INTELSAT 航天器和印度的GSAT-2 衛(wèi)星上，其衛(wèi)星表面充電設(shè)備的探頭采用電容分壓原理測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在軌表面充電事件。另一類(lèi)方法是利用電場(chǎng)傳感器(SPM)測(cè)量表面電場(chǎng)，典型的是P78-2 SCATHA 上搭載的表面電壓監(jiān)測(cè)器(SSPM)，工程試驗(yàn)衛(wèi)星V 搭載的電位監(jiān)測(cè)器(POM) 和Defense Satellite　Communication System-III B7(DSCS-III B7)航天器上的表面電壓監(jiān)測(cè)器(SPM)。本文主要研究SPM 類(lèi)型的探測(cè)器。

　　1、SPM 測(cè)量原理

　　SPM 設(shè)計(jì)中考慮的首要因素就是測(cè)量不能改變介質(zhì)材料上累積的電荷，因此高阻抗電場(chǎng)傳感器更有優(yōu)勢(shì)，靜電計(jì)多采用高阻抗電場(chǎng)探針。

　　振動(dòng)電容式儀表探頭電極是一個(gè)可振動(dòng)的金屬片，在振蕩器的驅(qū)動(dòng)下，探頭電極與被測(cè)帶電體之間的電容周期性變化，被測(cè)帶電體在探頭電極上感應(yīng)出一個(gè)周期性變化的電位信號(hào)，因?yàn)榇诵盘?hào)非常微弱，故采用高阻輸入的阻抗化器來(lái)接收信號(hào)，再經(jīng)交流放大和相敏檢波后顯示被測(cè)電位。

　　為了達(dá)到足夠的精度和分辨率，靜電計(jì)多采用主動(dòng)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)使得電場(chǎng)感應(yīng)探針電位等于被測(cè)表面電位，而同步軌道航天器表面差異電位達(dá)到-20 kV，所以電路中必然需要一個(gè)輸出為±20 kV 的“伺服放大器”，受到質(zhì)量和功率的限制，這是不可行的。所以SPM 借鑒NASA’sLewis Research Center 表面電壓傳感器(SurfaceVoltage Sensor)的設(shè)計(jì)，既保留了反饋感應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，又不需要高電壓。該系統(tǒng)利用組合電極來(lái)削弱帶電表面產(chǎn)生的電場(chǎng)，可以通過(guò)一個(gè)低電壓反饋信號(hào)將其削減為零，從反饋信號(hào)中輸出測(cè)量電壓信號(hào)，其原理如圖1 所示。

圖1 SPM 工作原理圖

　　SPM 的工作過(guò)程：感應(yīng)電極在電荷收集板電場(chǎng)中振蕩產(chǎn)生位移電流，正比于電場(chǎng)，電流頻率等于振蕩頻率。此電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理之后變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出，同時(shí)經(jīng)由反饋電路施加到補(bǔ)償電極上，此電壓與電極板電壓在感應(yīng)電極處合成電場(chǎng)為零。一旦電場(chǎng)變?yōu)榱悖瑒t感應(yīng)電流為零，補(bǔ)償電極上電壓為零，則感應(yīng)電極只處在電荷收集板電場(chǎng)中，再次出現(xiàn)感應(yīng)電流，重復(fù)上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)表面電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)膸缀螀��?shù)比如屏蔽電極和補(bǔ)償電極孔徑以及二者間距等，可以使電荷收集板電壓為補(bǔ)償電極上電壓的200 倍(低量程0 kV~2 kV)、2000 倍(高量程0 kV~20 kV)，感應(yīng)電極處的微小電壓放大到0 V~10 V 之間輸出，同時(shí)反饋給補(bǔ)償電極，輸出的電壓信號(hào)×200 即得航天器表面電位。這樣就能將后續(xù)電路伺服放大器的輸出由±20 kV 降低到±10 V，從而降低了航天器用表面電位監(jiān)測(cè)器的質(zhì)量和功耗。

　　SPMs 探測(cè)器可以更換前表面樣品材料，通過(guò)整體替換絕緣環(huán)孔、輸入電極和前表面材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。前表面材料包括但不僅限于Kapton，Kapton上涂導(dǎo)電黑漆，白漆，太陽(yáng)電池、二次表面散熱鏡和懸浮導(dǎo)體(比如鍺)等，這樣SPM 就可以在軌監(jiān)測(cè)航天器各種表面材料的充電情況。

　　3、結(jié)論

　　本文闡述了振動(dòng)電容式表面電位監(jiān)測(cè)器SPM反饋感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，并且通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的方式論證的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)與美國(guó)FMDS 航天器表面電位監(jiān)測(cè)器的典型參數(shù)基本一致，證明我們的計(jì)算模型是有效的，在我國(guó)研制SPM 的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取和優(yōu)化。