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。本文介紹了用于測量表面電位的靜電感應(yīng)式位監(jiān)測器的工作原理，并且對探頭部分設(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量很少，目前只能通過航天器表面材料樣品設(shè)備來測量。衛(wèi)星上搭載過的表面電位傳感器有兩種類型。一類是電荷板分析器(CPA)，此類傳感器搭載在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量技術(shù)監(jiān)測衛(wèi)星在軌表面充電事件。另一類方法是利用電場傳感器(SPM)測量表面電場，典型的是P78-2 SCATHA 上搭載的表面電壓監(jiān)測器(SSPM)，工程試驗(yàn)衛(wèi)星V 搭載的電位監(jiān)測器(POM) 和Defense Satellite　Communication System-III B7(DSCS-III B7)航天器上的表面電壓監(jiān)測器(SPM)。本文主要研究SPM 類型的探測器。

　　1、SPM 測量原理

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

　　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，探頭電極與被測帶電體之間的電容周期性變化，被測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接收信號(hào)，再經(jīng)交流放大和相敏檢波后顯示被測電位。

　　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)使得電場感應(yīng)探針電位等于被測表面電位，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)利用組合電極來削弱帶電表面產(chǎn)生的電場，可以通過一個(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 的工作過程：感應(yīng)電極在電荷收集板電場中振蕩產(chǎn)生位移電流，正比于電場，電流頻率等于振蕩頻率。此電流信號(hào)經(jīng)過放大處理之后變?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)電極處合成電場為零。一旦電場變?yōu)榱�，則感應(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中，再次出現(xiàn)感應(yīng)電流，重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)表面電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

　　通過設(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)測器的質(zhì)量和功耗。

　　SPMs 探測器可以更換前表面樣品材料，通過整體替換絕緣環(huán)孔、輸入電極和前表面材料來實(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)測器SPM反饋感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，并且通過數(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FMDS 航天器表面電位監(jiān)測器的典型參數(shù)基本一致，證明我們的計(jì)算模型是有效的，在我國研制SPM 的設(shè)計(jì)過程中可以用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取和優(yōu)化。