一种基于静电电晕技术给模拟月尘加载电荷的设备

技术领域

本发明属于载人航天环境模拟设备技术领域，特别涉及一种基于静电电晕技术给模拟月尘加载电荷的设备。

背景技术

在未来载人登月任务中，需要研究月尘环境中登月服及相关仪器设备是否能够正常工作，进行除尘工具测试和除尘训练。有必要在地面建立模拟月面月尘环境，为设备测试和除尘训练提供场所。月尘具有极强的表面粘附能力、材料磨损和腐蚀能力,目前一般认为这些现象和月尘颗粒形状、大小及带电等因素有关，为此在使用模拟月尘模拟月面尘环境时有必要模拟月尘带电的属性。通过给月尘充电增加月尘的粘附能力，在地面形成较为逼真的月尘环境。

月尘带电和月面环境密切相关，通常模拟月尘带电，采用的模拟技术有真实环境模拟和等效模拟，真实环境模拟一般是：研制与月尘高度相似的模拟月尘，模拟月面真实环境因素如：高真空环境、紫外线辐照、电子枪辐照、等离子体处理等使模拟月尘带电。而等效模拟则是通过静电或其他方式使模拟月尘带电。

考虑到进行载人试验/训练时，真空度很难保持高真空度(不低于10

发明内容

本发明提出一种基于静电电晕技术给模拟月尘加载电荷的设备，所述加载电荷设备包括支撑板、法兰盘、真空罐、绝缘支架、金属基板、针式阵列电极、真空装置、电控箱、静电电位动态测量仪和静电发生器；

所述支撑板与所述法兰盘下端固定连接，所述法兰盘上端安装有所述真空罐；

所述法兰盘上端，所述真空罐内侧固定安装有绝缘支架，所述绝缘支架上由下至上固定安装有所述金属基板和所述针式阵列电极，所述金属基板和所述针式阵列电极平行相对；

所述金属基板包括金属板、绝缘板、接地板和保护螺母；所述金属板位于金属基板最上方，所述绝缘板处于中间，所述接地板位于最下端；所述保护螺母用于固定所述金属板、绝缘板和接地板；

所述金属板上放置有模拟月尘；

所述针式阵列电极上侧为金属片，金属片下方焊接金属针阵列；

所述支撑板与所述法兰盘配合设置有气孔，所述真空装置能够从所述气孔吸气，将真空罐置于真空状态；

所述静电发生器输出端与所述针式阵列电极电路连接；

所述静电电位动态测量仪输入端与所述金属板电路连接；

所述接地板接地；

所述静电电位动态测量仪输出端输出测量结果；

所述电控箱用于控制所述加载电荷的设备电路通断。

进一步地，所述真空装置包括机械泵、电磁挡板阀、抽气波纹管和手动挡板阀；

所述机械泵吸气端与所述电磁挡板阀第一端固定连接，所述电磁挡板阀第二端与所述抽气波纹管第一端固定连接，所述抽气波纹管第二端与所述手动挡板阀第一端固定连接，所述手动挡板阀第二端与所述气孔连接。

进一步地，所述真空装置还包括油雾过滤器，所述油雾过滤器设置在机械泵泵吸气端与电磁挡板阀之间，所述油雾过滤器用于吸除所述真空罐中的粉尘物质。

进一步地，所述模拟月尘包括：橄榄石、长石、斜长石、普通辉石、单斜辉石和磁铁矿；

所述模拟月尘中值径为26.27μm。

进一步地，所述绝缘支架通过绝缘螺母与所述法兰盘固定连接。

进一步地，所述绝缘支架、绝缘板和绝缘螺母材材质为聚四氟材质。

进一步地，所述法兰盘还设置有四氟穿舱，所述支撑板对应设置有压板，所述四氟穿舱与压板之间设置有四氟压块；

线缆能够穿过所述压板、四氟压块和四氟穿舱进入所述真空罐内，气体不能从所述压板、四氟压块和四氟穿舱流进流出。

进一步地，所述针式阵列电极上侧金属片为铜片，下方金属针为不锈钢针。

进一步地，所述铜片为正方形；

所述针阵列10*10均布，所述不锈钢针远离铜片一端设有锥形针尖。

进一步地，所述气孔还设置有电阻规，所述电阻规用于测量真空罐内真空度。

本发明采用静电电晕给模拟月尘加载电荷，模拟费用低，易维护，解决了模拟月尘在低真空和常压环境中加载电荷的问题，满足以千伏级的静电电压给模拟月尘加载电荷的要求。

附图说明

图1示出了本发明实施例的一种基于静电电晕技术给模拟月尘加载电荷的设备示意图；

图2示出了本发明实施例的金属基板示意图；

图3示出了本发明实施例的针式阵列电极底部示意图；

图4示出了本发明实施例的针式阵列电极侧示图；

图5示出了本发明实施例的电晕起电电压与气压的关系图。

图中：1、支撑板；2、法兰盘；3、真空罐；4、绝缘支架；5、金属基板；51、金属板；52、绝缘板；53、接地板；54、保护螺母；6、针式阵列电极；71、四氟穿舱；72、四氟压块；73、压板；81、机械泵；82、电磁挡板阀；83、抽气波纹管；84、手动挡板阀；85、气孔；9、电控箱。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种基于静电电晕技术给模拟月尘加载电荷的设备，如图1所示，包括：支撑板1、法兰盘2、真空罐3、绝缘支架4、金属基板5、针式阵列电极6、真空装置、电控箱9、静电电位动态测量仪和静电发生器。

本发明所设计的加载电荷的设备，设备运行时需要将真空罐3内抽成真空状态，因此，需要把真空罐3固定在特定的平台上。图1中使用是机柜，下方设置有柜轮，可以任意滚动，真空罐3放置在机柜上方。真空罐3还可以固定的平台上，如实验台等。真空罐3通过对应的法兰盘2固定在支撑板1，法兰盘2同时也具有密封真空罐3的功能。所述支撑板1与所述法兰盘2下端固定连接，所述法兰盘2上端安装有所述真空罐3。

所述法兰盘2与所述真空罐3包围的内侧固定安装有绝缘支架4，绝缘支架4通过绝缘螺母与所述法兰盘2固定连接。所述绝缘支架4上由下至上固定安装有所述金属基板5和所述针式阵列电极6，所述金属基板5和所述针式阵列电极6保持一定距离，平行相对。优选的，所述金属基板5和所述针式阵列电极6通过固定螺栓由下至上固定安装在绝缘支架4上，两者间距可以调整。所述金属基板5和所述针式阵列电极6的距离越近，所需要的电压要求越小，优选的，两者间距为10cm。

如图2所示，所述金属基板5包括金属板51、绝缘板52、接地板53和保护螺母54；所述金属板51位于金属基板5最上方，所述接地板53位于最下端，所述绝缘板52处于中间，使得金属板51与接地板53绝缘，保证了模拟月尘的电荷不因传导至地面而衰减。所述保护螺母54用于固定所述金属板51、绝缘板52和接地板53，使三者能够紧密接触；优选的，保护螺母54为绝缘螺母。

所述绝缘支架4、绝缘板52和绝缘螺母材材质为聚四氟材质。优选的，为聚四氟乙烯材料。聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，简写为PTFE)，俗称“塑料王”，是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物。聚四氟乙烯具有耐高温的特点、有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力。

所述针式阵列电极6上侧为金属片，金属片下方焊接金属针阵列。优选的，金属片为铜片，金属针为不锈钢针。所述铜片为正方形；优选的，铜片尺寸111mm×111mm。铜片上焊接不锈钢针阵列，如图3所示，针阵列10×10均布，如图4所示，金属针为锥型针，所述不锈钢针远离铜片一端设有锥形针尖，锥形针尖角度在30-50度之间，优选的，锥形针尖角度为40度。这样的设计，保证针式阵列电极6能够产生均匀的电晕场，用于给模拟月尘加载电荷；同时当针式阵列电极6上加载千伏级别的静电电压，即可给模拟月尘加载电荷。

所述金属板51上放置有模拟月尘；所述模拟月尘根据实际月尘成分进行模拟，包括：橄榄石、长石、斜长石、普通辉石、单斜辉石和磁铁矿等；所述模拟月尘中值径为26.27μm。

所述支撑板1与所述法兰盘2配合设置有气孔85，所述真空装置能够从所述气孔85吸气，将真空罐3置于真空状态。所述气孔85还设置有电阻规，电阻规是测量真空度用的传感器，所述电阻规用于测量真空罐3内真空度。

如图1所示，所述真空装置包括机械泵81、电磁挡板阀82、抽气波纹管83和手动挡板阀84；所述机械泵81吸气端与所述电磁挡板阀82第一端固定连接，所述电磁挡板阀82第二端与所述抽气波纹管83第一端固定连接，所述抽气波纹管83第二端与所述手动挡板阀84第一端固定连接，所述手动挡板阀84第二端与所述气孔85连接。电磁挡板阀82通过电路控制，手动挡板阀84通过手动控制打开/关闭阀门，电磁挡板阀82为抽真空阀门；手动挡板阀84为真空罐复压阀门；实现真空罐3内具有不同的真空环境，保证了模拟月尘处于不同的真空压力环境。优选的，电磁挡板阀82为GDC-J25，手动挡板阀84为GD-J10b。

所述静电发生器放置在真空罐3外，其输出端通过电缆与所述针式阵列电极6电路连接。所述接地板53接地。所述静电电位动态测量仪放置在真空罐3外，其输入端通过电缆与所述金属板51电路连接。所述静电电位动态测量仪测试模拟月尘带电情况，并将数据传输给计算机采集。其输出端输出测量结果。优选的，静电电位动态测量仪输出端电路连接数据采集测控卡，数据采集测控卡连接数据采集卡，数据采集卡输出至计算机或者示波器。优选的，静电发生器为JDY-3A静电电位动态测试仪；静电电位动态测量仪为EST803A静电发生器；数据采集测控卡为ACS420端子板；数据采集卡为MP4624采集卡；示波器为TDS2012B示波器。所述电控箱9用于控制本发明所使用的各电路器件电路通断，包括机械泵81、电磁挡板阀82、静电电位动态测量仪和静电发生器等。

支撑板1和法兰盘2还对应设置有线缆接口，用于线缆从外界穿入到真空罐3内。所述法兰盘2还设置有四氟穿舱71，所述支撑板1对应设置有压板73，所述四氟穿舱71与压板73之间设置有四氟压块72；线缆能够穿过所述压板73、四氟压块72和四氟穿舱71进入所述真空罐3内，气体不能从所述压板73、四氟压块72和四氟穿舱71流进流出。

所述真空装置还包括油雾过滤器，所述油雾过滤器设置在机械泵81泵吸气端与电磁挡板阀82之间，所述油雾过滤器用于吸除所述真空罐3中的粉尘物质。

本发明使用如下方式给模拟月尘加载电荷。

1、用机械泵81将真空罐3抽真空至预定的压力。

2、使用静电发生器对针式阵列电极6高压直流电源供电，调节针式阵列电极6对地电压，与接地的金属基板5之间发生电晕放电.

3、放电后产生的电荷在金属基板5和针式阵列电极6之间电场作用下，沿电场向金属基板5聚集。

4、金属基板5积聚电荷后，对地电压升高，由静电电位动态测试仪测量金属基板5上电位，衡量电荷多少。

以下为使用本发明得到的测试数据。测试时实验室环境温度为18℃，湿度30％。

测试步骤：

a、真空罐3内压力依次为100kPa、80kPa、60kPa、40kPa、20kPa、10kPa、1kPa。

b、静电发生器输出-1kV；金属基板5(金属板51)的电位值稳定后，关闭静电发生器输出。过程中记录金属板51的电位。

c、静电发生器输出依次为-2kV、-3kV～，重复b步骤，直到产生电晕放电击穿。电晕放电击穿时会有如下现象：静电发生器电流达到0.01mA并不断变化、静电电位动态测试仪显示跳变大于0.1kV、LabVIEW测试电位值U有数个尖峰周期、听到轻微的噼啪声、暗光下有微弱的光辉。

d、根据电晕放电的物理现象，确定真空罐3内不同压力时的电晕放电需要的电极电压。

根据测试数据，表1记录了真空罐内不同气压下的起电晕电压值和击穿放电电压值。表2记录了真空罐不同压力时，在电晕放电时金属板上的净电荷电位值，即模拟月尘加载电荷电位值。

表1

表2

以气压为横轴、以电极电压为纵轴，绘制电晕放电起电电压和击穿放电电压两条线，如图5所示，两条线之间近似为一个三角形区域，即该区域之内是电晕放电区，该区域之外是非电晕放电和电晕击穿区，三角形上部是非电晕区，下部是击穿放电区。气压越高，电晕放电的电极电压范围越宽；随着气压的降低，起电晕电压和电晕放电击穿电压都在降低，二者与气压的关系分别近似呈现线性关系。气压到10kPa左右，电晕放电和电晕击穿几乎在同样的电压下发生。

本发明采用静电电晕给模拟月尘加载电荷，模拟费用低，易维护，解决了模拟月尘在低真空和常压环境中加载电荷的问题，满足以千伏级的静电电压给模拟月尘加载电荷的要求。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。