基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置

摘要

本发明公开了一种基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，包括激光器、光纤、电光调制器、旋转叶片、固定叶片等，当对被测表面进行电位测量时，在被测带电体的作用下，当接地旋转叶片旋转时，周期性地遮盖或打开固定叶片，使固定叶片感应出持续的交流信号,并输出至电光调制系统进行检测，激光器发出的光传输至电光调制器，经由所加载的交流信号调制后传输至光电探测器转换为电信号，最终通过信号显示输出装置将电信号进行输出观测，并通过计算最终获得被测物体表面的电位值。本发明将旋叶式测量方法与集成光波导技术相结合，最终实现高灵敏度、高稳定度和高精度的表面电位测量。

权利要求

1.基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，包括激光器、光纤、电光调制器、电极、光电探测器、信号显示输出装置、电机、固定叶片、旋转叶片，其中，用于产生激光的激光器通过光纤传输给电光调制器，经其调制后由光纤传输至光电探测器并转换为电信号，最终通过信号显示输出装置将电信号进行输出观测，并通过计算最终获得被测物体表面的电位值；其中，电光调制器的一对电极分别与旋叶式测试探头相连，测试探头上具有两个金属叶片即固定叶片和旋转叶片，其中旋转叶片为多等份的扇形旋转金属叶片，将固定叶片上的感应直流信号变为交流信号，旋转叶片上有开孔并固定在电机上，由其带动做旋转运动；固定叶片与旋转叶片互补，呈现出整圆的等份叶片，固定安装在电机前并与电光调制器的输入端相连，旋转叶片与电机以及电光调制器的输出端接地，当对被测表面进行电位测量时，在被测带电体的作用下，当接地旋转叶片旋转时，周期性地遮盖或打开固定叶片，使固定叶片感应出持续的交流信号。

2.如权利要求1所述的基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，其中，固定叶片固定于电动机和旋转叶片之间，随着旋转叶片周期性的遮挡和打开，所测量到的被测表面电压进行周期性变化，最终得到交流信号。

3.如权利要求1所述的基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，其中，旋转叶片和固定叶片具有四等分的扇形叶片结构。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，其中，旋叶式测试探头上的电压变化，加载在电光调制器信号电极上的电压发生变化，同时电光调制器中的电光晶体的折射率随之改变，导致激光器输出的光在经过电光调制器时产生相位延迟。

5.如权利要求1-3任一项所述的基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，其中，随着电光调制器内两个臂的光会聚发生干涉，其相位的改变将导致光的振幅变化，实现对光强的调制。

6.如权利要求1-3任一项所述的基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，其中，电光调制器为波导型电光调制器，将交流信号加载到波导型电光调制器上，对经过电光调制器的激光进行调制，然后再经光电探测器将光信号转换为电信号，经处理后即可得到测量值。

7.如权利要求1-3任一项所述的基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，其中，电光调制器为Mach-Zehnder（M-Z）型集成光波导电光强度调制器。

说明书

基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置

技术领域

[0001] 本发明属于航天器空间环境探测技术领域，具体来说，本发明涉及一种基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置。

背景技术

[0002] 运行于太空中的卫星由于等离子体中的孤立体效应，导致卫星表面的电位与卫星的结构体以及周遭环境电位不一致，造成卫星表面充电。当卫星表面充电后，可以影响到卫星搭载科学探测设备的测量，甚至发生放电现象。对卫星表面充电的高精度监测有助于进一步了解太空环境对卫星造成的影响，并进一步改善卫星对太空环境的避防措施。另一方面，在探月任务中，月球表面积聚着厚重的月尘，其受太阳及宇宙射线等的照射而呈带电状态，很容易被吸附到探月仪器设备中，对设备的各项功能造成严重的影响。因此，为保证各种设备在登月后的安全使用，在进行登月探测之前，必须对月面各种危害因素进行论证及月球环境进行模拟试验，其中一项较重要的试验项目为月尘表面静电电位的测量，研究月尘的带电性质具有十分重要的工程价值。

[0003] 测量物体表面电位的仪器通常分为接触式和非接触式两种，由于接触式仪器在与被测物体接触时会使带电物体静电放电，而使电荷量减少或使带电物体的电容增加，这两个因素都使物体的表面电位降低，因而测出的结果与物体真实带电情况相差较大，所以在测量许多物体的表面电位时更常用的方法是用非接触式测量方法。旋叶式静电计属于常用非接触式测量装置，测试探头部位有一个多等分的扇形旋转叶片，将固定叶片上的感应直流信号变为交流信号。

[0004] 对于表面电位的测量，由于测量过程易受到外界条件影响，因而测量极易出现误差。在对被测位置进行电位测量时，测量读数随时间以指数规律衰减，因此要求测量装置具有很高的输入阻抗，以减小测试误差。

[0005] 此外，上述测量方法其探头部分以及输出设备组成的信号传输通路可能成为发射源，从而对被测区域电位产生干扰，同时空间电场在这些设备会产生电磁感应现象，将导致测量结果严重偏离真实值。采用电光调制技术可以有效地使探头部分与信号处理单元进行光电隔离，同时电光晶体具有极高的输入阻抗，因此将旋叶式探头与电光调制器相结合而成的表面电位测量装置可以实现表面电位的高稳定度、高精度测量。

发明内容

[0006] 针对表面电位测量中存在的问题，本发明提出一种基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，将电光调制技术与旋叶式探头相结合，可以实现高灵敏度、高稳定度和高精度的空间电场测量能力。

[0007] 基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，包括激光器、光纤、电光调制器、电极、光电探测器、信号显示输出装置、电机、固定叶片、旋转叶片，其中，用于产生激光的激光器通过光纤传输给电光调制器，经其调制后由光纤传输至光电探测器并转换为电信号，最终通过信号显示输出装置将电信号进行输出观测，并通过计算最终获得被测物体表面的电位值；其中，电光调制器的一对电极分别与旋叶式测试探头相连，测试探头上具有两个金属叶片即固定叶片和旋转叶片，其中旋转叶片为多等份的扇形旋转金属叶片，将固定叶片上的感应直流信号变为交流信号，旋转叶片上有开孔并固定在微型电动机上，由其带动做旋转运动；固定叶片与旋转叶片互补，呈现出整圆的等份叶片，固定安装在电机前并与电光调制器的输入端相连，旋转叶片与电机以及电光调制器的输出端接地，当对被测表面进行电位测量时，在被测带电体的作用下，当接地旋转叶片旋转时，周期性地遮盖或打开固定叶片，使固定叶片感应出持续的交流信号。

[0008] 其中，固定叶片固定于电动机和旋转叶片之间，随着旋转叶片周期性的遮挡和打开，所测量到的被测表面电压进行周期性变化，最终得到交流信号。

[0009] 其中，旋转叶片和固定叶片具有四等分的扇形叶片结构。

[0010] 其中，探头上的电压变化，加载在电光调制器信号电极上的电压发生变化，同时电光调制器中的电光晶体的折射率随之改变，导致激光器输出的光在经过电光调制器时产生相位延迟。

[0011] 其中，随着电光调制器内两个臂的光会聚发生干涉，其相位的改变将导致光的振幅变化，实现对光强的调制。

[0012] 其中，电光调制器为波导型电光调制器，将交流信号加载到波导型电光调制器上，对经过电光调制器的激光进行调制，然后再经光电探测器将光信号转换为电信号，经处理后即可得到测量值。

[0013] 其中，电光调制器为Mach-Zehnder(M-Z)型集成光波导电光强度调制器。

[0014] 本发明中的电光调制器具有输入阻抗高，响应速度快、灵敏度高等优点，且不会对被测区域的电场产生干扰。本发明采用Mach-Zehnder(M-Z)型集成光波导电光强度调制器，具有调制效率高、温度稳定性好、体积小等优点。因此将旋叶式探头与电光调制器的信号电极相连，将旋叶式测量方法与集成光波导技术相结合，最终实现高灵敏度、高稳定度和高精度的表面电位测量。

[0015] 本发明的基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，将电光调制技术应用于表面电位测量中，具有以下优点：(1)由于电光晶体具有极高的输入阻抗(>1GΩ)，所以测量读数随时间的衰减较慢，测量稳定度高，可以有效减小测试误差；(2)由于电光晶体的光电隔离效果，探头部分以及输出设备对被测位置的电位也不会造成影响，同时空间电场也不会对信号输出设备产生电磁干扰；(3)电光调制器具有响应速度快、灵敏度高的特点，本发明中所选用的M-Z型集成光波导型电光强度调制器还具有调制效率高、温度稳定性好、体积小等优点，因此基于电光调制技术结合旋叶式探头可以实现高灵敏度、高稳定性的表面电位测量能力。

附图说明

[0016] 图1为本发明的基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置的结构示意图。

[0017] 图中：1-激光器，2-光纤，3-电光调制器，4-电极，5-光电探测器，6-信号显示输出装置，7-电机，8-固定叶片，9-旋转叶片，10-被测表面。

具体实施方式

[0018] 以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

[0019] 参见图1，图1显示了基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置的结构示意图。其中，本发明的基于电光调制的旋叶式表面电位测量装置，包括激光器1、光纤2、电光调制器3、电极4、光电探测器5、信号显示输出装置6、电机7、固定叶片8、旋转叶片9，固定叶片8固定于电动机7和旋转叶片9之间，旋转叶片和固定叶片具有四等分的扇形叶片结构，随着旋转叶片9周期性的遮挡和打开，所测量到的被测表面10的电压进行周期性变化，最终得到交流信号。其中，用于产生激光的激光器1通过光纤2传输给电光调制器3，经其调制后由光纤2传输至光电探测器5并转换为电信号，最终通过信号显示输出装置6将电信号进行输出观测，并通过计算最终获得被测物体10表面的电位值；其中，电光调制器3的一对电极分别与旋叶式测试探头相连，测试探头上具有两个金属叶片即固定叶片8和旋转叶片9，其中旋转叶片9为4等份的扇形旋转叶片，将固定叶片8上的感应直流信号变为交流信号，旋转叶片9上有开孔并固定在微型电动机7上，由其带动做旋转运动；固定叶片8与旋转叶片9互补，呈现出整圆的等份叶片，固定安装在电机7前并与电光调制器3的输入端相连，旋转叶片9与电机7以及电光调制器3的输出端接地，当对被测表面进行电位测量时，在被测带电体的作用下，当接地旋转叶片9旋转时，周期性地遮盖或打开固定叶片，使固定叶片8感应出持续的交流信号。

[0020] 在具体的实施方式中，探头上的电压变化，加载在电光调制器3信号电极上的电压发生变化，同时电光调制器3中的电光晶体的折射率随之改变，导致激光器输出的光在经过电光调制器3中的两个臂时，分别产生了大小相同符号相反的相位延迟。随着两个臂的光会聚发生干涉，其相位的改变将导致光的振幅变化，实现对光强的调制。

[0021] 测量系统通过探头来感知被测物表面的电位，探头部分采用旋叶式设计，属于非接触式测量。电光调制器(3)的一对电极(4)与旋叶式探头相连。电光调制器选取集成光波导强度调制器例如Mach-Zehnder(M-Z)型集成光波导电光强度调制器，被检测信号对光强的调制不受自然双折射产生的位相延迟的影响，因此其具有良好的温度特性。同时，由于检测的地电极与接收电路的地相隔离，基于电光调制器的表面电位检测可以实现低噪声、抗干扰测量。

[0022] 尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。