Миниатюрный измеритель параметров электризации космических аппаратов с микросистемным вибрационным модулятором электрического поля Российский патент 2019 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к области микросистемной техники и может быть использовано при создании и изготовлении микромеханических датчиков, обеспечивающих детектирование напряженности электрического поля на поверхности конструкции космического аппарата.

Из уровня техники известны различные ротационные измерители напряженности электрического поля [1-6], действие которых основано на детектировании электрического поля при вращении двигателем измерительного электрода, при этом экранирующий электрод неподвижен.

Из уровня техники также известны флюксметры [7-13], в устройстве которых двигатель производит вращение экранирующий электрод, при котором измерительный электрод неподвижен, а также вибрационные датчики, в которых измерительный или экранирующий электроды совершают колебательное, возвратно-поступательное движение.

Недостатками известных конструкций является невозможность длительной работы в условиях вакуума при воздействии значительных перепадов температуры, вибрации, ударов из-за нестабильности скорости вращения двигателя, приводящей к ошибкам измерений. Кроме того, двигатель создает значительные помехи в измерительной системе. Другими недостатками известных технических решений, являются невозможность длительных непрерывных измерений, довольно низкая их чувствительность и крупногабаритность конструкции.

Измерители параметров электризации космических аппаратов на основе датчиков вибрационного типа [14-21], в которых измерительный или экранирующий электрод колеблются в области неоднородного поля под действием электромагнитного возбудителя, свободны от большинства недостатков приборов первых двух классов.

Однако они имеют недостаточную чувствительность вследствие того, что размеры и амплитуда перемещения электродов в них меньше чем в флюксметрах и ротационных датчиках.

Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является является датчик электростатического поля, описанный в авторском свидетельстве СССР №881628. В данном техническом решении датчик содержит чувствительный электрод, подключенный к блоку регистрации и две катушки индуктивности, расположенные соосно и подключенные к генератору переменного напряжения, при этом чувствительный электрод расположен под углом 3-10° к оси катушек индуктивности.

Его недостатком являются существенные массогабаритные параметры.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является снижение массогабаритных характеристик измерителей параметров электризации космических аппаратов.

Миниатюрный измеритель параметров электризации космических аппаратов содержит микросистемный вибрационный модулятор электрического поля, усилитель тока и аналого-цифровой преобразователь.

Конструкция предлагаемого микросистемного вибрационного модулятора электрических полей представлена на фиг. 1 а, б.

На фиг. 1 а, б обозначено ссылочными позициями следующее:

1 - катушки индуктивности;

2 - чувствительный электрод;

3 - подвижный экранирующий электрод;

4 - печатные платы;

5 - металлический каркас;

К металлическому каркасу (5) прикреплены печатные платы (4) и подвижный экранирующий электрод (3). К печатным платам (4) приклеены катушки индуктивности (1). На нижнюю печатную плату (4) припаян чувствительный электрод (2). Подвижный экранирующий электрод (3) с помощью катушек индуктивности (1), располагающимися под и над ним, приводится магнитными силами в колебательное движение на частоте механического резонанса. На нижней печатной плате (4) в центре отверстия подвижного экранирующего электрода (3) располагается закрепленный чувствительный электрод (2).

Катушки выполнены по технологии SMD (элемент, монтируемый на поверхность) и содержат ферритовые Н-образные сердечники и расположены симметрично относительно экранирующего электрода.

Подвижный экранирующий электрод выполнен из твердого материала, обладающего свойствами ферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью, и расположен так, что ось симметрии чувствительного электрода равноудалена от внутреннего края отверстия подвижного экранирующего электрода.

Чувствительный электрод, сформирован на нижней печатной плате, содержит подвижный экранирующий электрод, выполненный в виде плоской одноконсольной балки с толщиной, в виде тонкой пластинки с большим прогибом, определяемой выражением h=(0,01-0,02)*b, где b - ширина балки, при этом диаметр чувствительного электрода меньше диаметра отверстия подвижного экранирующего электрода поз. 2 на фиг. 1 а, б; материал подвижного экранирующего электрода выбирают из соотношения Е=E₀k, где Е - модуль Юнга, Е₀ - модуль Юнга в н.у., к - коэффициент характеризующий изменение модуля Юнга используемого материала в диапазоне температур от -150°С до +150°С, при этом значение коэффициента находится в пределах 1,0≤к≤1,1.

На фиг. 2 представлена структурная схема миниатюрного датчика параметров элекризации космического аппарата в составе микромеханического вибрационного модулятора и схемы преобразования, состоящей из усилителя тока (6) и аналого-цифрового преобразователя (7).

Датчик параметров электризации космического аппарата работает следующим образом. При колебаниях подвижного экранирующего электрода (3) чувствительный электрод (2) углубляется внутрь отверстия подвижного экранирующего электрода (3) или выдвигается из отверстия. При наличии внешнего электрического поля это приводит к изменению потенциала чувствительного электрода (2). Сигнал с выхода микромеханического вибрационного модулятора усиливается усилителем тока и преобразуется аналого-цифровым преобразователем в сигнал, пропорциональный напряженности электрического поля, который затем поступает на передающее устройство.

Заявленное изобретение обеспечивает создание миниатюрных измерителей параметров электрических полей космических аппаратов, образовавшихся в результате накопления поверхностью космических аппаратов электростатических зарядов. Данный вид устройств может изготовляться для различных пороговых значений электрических полей в широком диапазоне значений детектируемых электрических полей.

Кроме снижения массогабаритных характеристик миниатюрных измерителей параметров электрических полей космических аппаратов, разработанная конструкция позволяет уменьшить мощность потребления устройства (не менее 10%), повысить работоспособность в условиях открытого космоса, а также устойчивость к жестким климатическим условиям эксплуатации.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство 580525 от 15.11.77 «Датчик электростатического поля».

2. Авторское свидетельство 593165 от 15.02.78 «Датчик для регистрации плотности статистического электричества».

3. Патент RU 2199761 от 27.02.2003 «Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля».

4. Патент США на изобретение US 6483223 "Method to prevent charging effects in electrostatic devices". Victor Donald Samper, Uppili Sridhar, Olaf Knueppel, Feng Han Hua, Hui Wing, Cheong. Institute of Microelectronics. 19.11.2002.

5. Авторское свидетельство 653583 от 11.05.77 «Датчик электростатического поля».

6. Авторское свидетельство 769455 от 26.12.78 «Датчик электростатического поля».

7. Авторское свидетельство 629513 от 28.08.78 «Датчик электростатического поля».

8. Авторское свидетельство 718809 от 28.02.80 «Измеритель напряженности электростатического поля».

9. Авторское свидетельство 1116399 от 21.04.83 «Устройство для измерения напряженности электрического поля».

10. Авторское свидетельство 1201784 от 16.12.83 «Устройство для измерения напряженности электрического поля СВЧ».

11. Патент RU 2020497 от 30.09.1994 «Датчик электростатического поля»

12. Патент RU 2028636 от 09.02.1995 «Устройство для измерения напряженности электростатического поля».

13. Патент RU 2442183 от 10.02.2012 «Датчик измерителя напряженности электростатического поля».

14. Авторское свидетельство 845119 от 20.03.78 «Датчик электростатического поля».

15. Авторское свидетельство 881628 от 05.10.79 Датчик электростатического поля».

16. Авторское свидетельство 1709246 от 07.04.88 «Датчик электростатического поля».

17. Патент RU 2212678 от 20.09.2003 «Устройство для измерения напряженности электростатического поля».

18. Патент RU 2414717 от 20.03.2011 «Датчик электростатического поля и способ измерения электростатического поля».

19. Патент RU 2445639 от 20.03.2012 «Способ измерения напряженности электрического поля».

20. Заявка США на изобретение US 2009/0273337 «Electric field sensor with electrode interleaving vibration». Shanhong XIA, Chao YE, Chao GONG, Xianxiang CHEN, Qiang BAI, Shaofeng CHEN, 5.11.2009.

21. Патент WO 2014045406 от 27.03.2014 «Potential measuring device»

Использование: для детектирования напряженности электрического поля на поверхности конструкции космического аппарата. Сущность изобретения заключается в том, что миниатюрный измеритель параметров электризации космических аппаратов включает: микросистемный вибрационный модулятор, состоящий из металлического каркаса, печатных плат, катушек индуктивности, подвижного экранирующего электрода, чувствительного электрода, и электрическую схему преобразования, состоящую из последовательно соединенных усилителя тока и аналого-цифрового преобразователя, при этом вход усилителя тока подключен к чувствительному электроду, материал подвижного экранирующего электрода выбирается из соотношения Е=E₀k, где Е - модуль Юнга, Е₀ - модуль Юнга в н.у., k – коэффициент, характеризующий изменение модуля Юнга используемого материала в диапазоне температур от -150°С до +150°С, значение коэффициента находится в пределах 1,0≤k≤1,1. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения массогабаритных параметров, снижения мощности потребления устройства, повышения работоспособности системы в условиях открытого космоса, а также устойчивости к жестким температурным условиям эксплуатации. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Миниатюрный измеритель параметров электризации космических аппаратов, характеризующийся тем, что включает в свой состав микросистемный вибрационный модулятор, состоящий из металлического каркаса, печатных плат, катушек индуктивности, подвижного экранирующего электрода и чувствительного электрода, а также электрическую схему преобразования, состоящую из последовательно соединенных усилителя тока и аналого-цифрового преобразователя, при этом вход усилителя тока подключен к чувствительному электроду, материал подвижного экранирующего электрода выбирается из соотношения

Е=Е₀k,

где Е - модуль Юнга,

Е₀ - модуль Юнга в н.у.,

k – коэффициент, характеризующий изменение модуля Юнга используемого материала в диапазоне температур от -150°С до +150°С, значение коэффициента находится в пределах 1,0≤k≤1,1.

2. Миниатюрный измеритель параметров электризации космических аппаратов по п. 1, отличающийся тем, что микросистемный вибрационный модулятор содержит две катушки индуктивности, расположенные на двух печатных платах, прикрепленных к металлическому каркасу.

3. Миниатюрный измеритель параметров электризации космических аппаратов по п. 2, отличающийся тем, что электромагнитные катушки содержат ферритовые Н-образные сердечники.

4. Миниатюрный измеритель параметров электризации космических аппаратов по п. 2, отличающийся тем, что электромагнитные катушки расположены симметрично относительно экранирующего электрода.

5. Миниатюрный измеритель параметров электризации космических аппаратов по п. 1, отличающийся тем, что микросистемный вибрационный модулятор содержит подвижный экранирующий электрод, выполненный в виде плоской одноконсольной балки, в виде тонкой пластинки с большим прогибом, определяемой выражением h=(0,01-0,02)×b, где b - ширина балки.

6. Миниатюрный измеритель параметров электризации космических аппаратов по п. 1, отличающийся тем, что экранирующий электрод выполнен из твердого материала, обладающего свойствами ферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью.