專利名稱：銀膜電阻型原子氧傳感器、原子氧檢測儀及其應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低地球軌道空間的原子氧環(huán)境及其濃度探測領(lǐng)域，特別地，涉及一種銀膜電阻型原子氧傳感器。此外，本發(fā)明還涉及一種包括上述銀膜電阻型原子氧傳感器的原子氧檢測儀及其應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
原子氧是低地球軌道(200 1000km)上中性氣體中含量最多的成分(大約占80%左右)，也是對航天器影響最為嚴(yán)重的環(huán)境因素。原子氧具有很強(qiáng)的氧化性和高速的碰撞能量，對航天器材料具有很強(qiáng)的剝蝕作用?？臻g原子氧效應(yīng)的研究需要借助于性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)備來進(jìn)行探測。而目前主要的測量方法如Kapton(聚酰亞胺)膜質(zhì)量損失法、銀表面催化法、光譜法、NO2滴定法、質(zhì)譜分析法和半導(dǎo)體膜電阻法等。其中，基于Kapton膜質(zhì)量損失法、銀表面催化法、光譜法、N02滴定法缺少適應(yīng)性，目前只能用于地面模擬實(shí)驗(yàn)。這幾類方法均需要借助于石英晶體微天平、質(zhì)譜儀、專用探測器和光學(xué)系統(tǒng)等設(shè)備來完成。這些設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、功耗較大且成本較高，難以搭載在航天器表面進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)，使用較為復(fù)雜的檢測設(shè)備，影響測量結(jié)果誤差的因素較多，可能需要人為干預(yù)或參加，如Kapton膜質(zhì)量損失法甚至需要依賴對返回樣品的測量才能獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此雖然這些方法比較穩(wěn)定，測量精度也較高，但由于無法獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、試驗(yàn)難度較大，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，因而不適合用于LEO (低地球軌道)空間原子氧通量測試。另外，基于質(zhì)譜分析法的質(zhì)譜儀由于對環(huán)境的真空度有著很高要求(< 10 2Pa)而限制了其在地面模擬試驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用，它是空間環(huán)境中測量原子氧通量的常用儀器。但這種設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大，成本高，功耗高，因而不適合搭載于小衛(wèi)星上進(jìn)行空間飛行實(shí)驗(yàn)。電阻型傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，通過在軌測量電阻的變化即可推算出原子氧通量大小，使用時(shí)無需返回樣品的測試，因而具有良好的工程實(shí)踐意義。用于制作電阻型原子氧傳感器常用的敏感材料有碳、鋨、鋅等材料。其中，基于碳膜電阻的傳感器由于碳膜的結(jié)構(gòu)和形態(tài)易受溫度影響而導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化，具有很強(qiáng)的溫度敏感性，從而產(chǎn)生較大的測量誤差，不確定難以消除，測量結(jié)果的可信性不高?；阡~膜電阻的傳感器的采用傳統(tǒng)的物理氣相沉積工藝所制作的鋨膜易開裂，且鋨電阻的電阻率小，測量準(zhǔn)確性較差，且它的反應(yīng)速率較慢，飛行試驗(yàn)時(shí)間要求很長，不適合微小衛(wèi)星搭載使用。基于氧化鋅半導(dǎo)體傳感器的空間環(huán)境適應(yīng)性差、經(jīng)原子氧作用結(jié)晶狀態(tài)易發(fā)生改變，且響應(yīng)時(shí)間差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種反應(yīng)速率快、采樣周期短、實(shí)時(shí)響應(yīng)好且測量精度高的銀膜電阻型原子氧傳感器，以解決現(xiàn)有的電阻型傳感器測量誤差大、反應(yīng)速率慢、響應(yīng)時(shí)間差的技術(shù)問題；本發(fā)明還提供了一種包括了前述的銀膜電阻型原子氧傳感器的原子氧檢測儀及其應(yīng)用方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種銀膜電阻型原子氧傳感器，包括氧化鋁陶瓷基底，所述氧化鋁陶瓷基底上布設(shè)有銀膜電阻線，所述銀膜電阻線的線條呈之字形布設(shè)于所述氧化鋁陶瓷基底上，所述銀膜電阻線的兩端分別設(shè)有金屬電極。作為本發(fā)明的原子氧傳感器的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)選地，所述銀膜電阻線的線條厚度為22nm 22 Pm，所述銀膜電阻線的線條寬度為 0. 2mm 0. 4mm。優(yōu)選地，所述氧化鋁陶瓷基底為片狀，所述銀膜電阻線布設(shè)于所述氧化鋁陶瓷基底的正面，所述氧化鋁陶瓷基底的背面裝設(shè)有溫度傳感器，所述氧化鋁陶瓷基底四角處分別開設(shè)有安裝孔。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種原子氧檢測儀，其包括上述的原子氧傳感器，還包括精密電壓參考源、精密電阻、儀用放大器以及單片機(jī)；其中，所述儀用放大器用于將所述原子氧傳感器的兩端的電壓信號放大為單片機(jī)的采樣電壓后傳輸給所述單片機(jī)；所述單片機(jī)用于根據(jù)所述采樣電壓的值實(shí)時(shí)計(jì)算所述原子氧傳感器的電阻值；所述精密電壓參考源為相串聯(lián)的所述精密電阻和所述原子氧傳感器提供電壓源，同時(shí)，所述精密電壓參考源還為所述儀用放大器提供偏置電壓。作為本發(fā)明的原子氧檢測儀的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)選地，所述儀用放大器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述單片機(jī)相連。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種用上述的原子氧檢測儀檢測航天器運(yùn)行軌道空間的原子氧通量的方法，包括以下步驟S1:測量并記錄所述原子氧傳感器在0°C時(shí)的初始電阻值Rtl ；S2:將所述原子氧傳感器安裝于航天器的迎風(fēng)面上，通過所述單片機(jī)測量計(jì)算所述原子氧傳感器在單位時(shí)間間隔的第一時(shí)間點(diǎn)的第一電阻值R1以及在第二時(shí)間點(diǎn)的第二電阻值R2,并測量所述原子氧傳感器上在所述第一時(shí)間點(diǎn)的第一溫度值T1以及第二時(shí)間點(diǎn)的第二溫度值T2 ;S3 :根據(jù)所述初始電阻值Rtl、所述第一電阻值R1、所述第二電阻值R2、所述第一溫度值T1和第二溫度值T2，計(jì)算所述原子氧傳感器的銀膜電阻線的厚度變化量Ah ；S4 :根據(jù)所述航天器的飛行攻角0、以及銀的原子氧剝蝕率和所述銀膜電阻線的厚度變化量Ah，計(jì)算原子氧的實(shí)時(shí)累積通量F ;S5 :根據(jù)所述實(shí)時(shí)累積通量F以及測量的單位時(shí)間間隔計(jì)算得到原子氧的通量值T作為本發(fā)明的應(yīng)用方法的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)選地，所述第一電阻值R1的計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.一種銀膜電阻型原子氧傳感器，其特征在于，包括氧化鋁陶瓷基底，所述氧化鋁陶瓷基底上布設(shè)有銀膜電阻線，所述銀膜電阻線的線條呈之字形布設(shè)于所述氧化鋁陶瓷基底上，所述銀膜電阻線的兩端分別設(shè)有金屬電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銀膜電阻型原子氧傳感器，其特征在于，所述銀膜電阻線的線條厚度為22nm 22 μ m,所述銀膜電阻線的線條寬度為O. 2mm O. 4mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的銀膜電阻型原子氧傳感器，其特征在于，所述氧化鋁陶瓷基底為片狀，所述銀膜電阻線布設(shè)于所述氧化鋁陶瓷基底的正面，所述氧化鋁陶瓷基底的背面裝設(shè)有溫度傳感器，所述氧化鋁陶瓷基底四角處分別開設(shè)有安裝孔。
4.一種原子氧檢測儀，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的原子氧傳感器，所述原子氧檢測儀還包括精密電壓參考源、精密電阻、儀用放大器以及單片機(jī)；其中，所述儀用放大器用于將所述原子氧傳感器的兩端的電壓信號放大為單片機(jī)的采樣電壓后傳輸給所述單片機(jī)；所述單片機(jī)用于根據(jù)所述采樣電壓的值實(shí)時(shí)計(jì)算所述原子氧傳感器的電阻值；所述精密電壓參考源為相串聯(lián)的所述精密電阻和所述原子氧傳感器提供電壓源，同時(shí)，所述精密電壓參考源還為所述儀用放大器提供偏置電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的原子氧檢測儀，其特征在于，所述儀用放大器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述單片機(jī)相連。
6.一種用如權(quán)利要求4或5所述的原子氧檢測儀檢測航天器運(yùn)行軌道空間的原子氧通量的應(yīng)用方法，其特征在于，包括以下步驟51:測量并記錄所述原子氧傳感器在0°C時(shí)的初始電阻值Rtl ；52:將所述原子氧傳感器安裝于航天器的迎風(fēng)面上，通過所述單片機(jī)測量計(jì)算所述原子氧傳感器在單位時(shí)間間隔的第一時(shí)間點(diǎn)的第一電阻值R1以及在第二時(shí)間點(diǎn)的第二電阻值R2,并測量所述原子氧傳感器上在所述第一時(shí)間點(diǎn)的第一溫度值T1以及第二時(shí)間點(diǎn)的第二溫度值T2 ；53:根據(jù)所述初始電阻值Rtl、所述第一電阻值R1、所述第二電阻值R2、所述第一溫度值 T1和第二溫度值T2，計(jì)算所述原子氧傳感器的銀膜電阻線的厚度變化量Ah ；54:根據(jù)所述航天器的飛行攻角Θ、以及銀的原子氧剝蝕率和所述銀膜電阻線的厚度變化量Ah，計(jì)算原子氧的實(shí)時(shí)累積通量F ;55:根據(jù)所述實(shí)時(shí)累積通量F以及測量的單位時(shí)間間隔計(jì)算得到原子氧的通量值F。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用方法，其特征在于，所述第一電阻值R1的計(jì)算公式為 K-F ,
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用方法，其特征在于，所述原子氧傳感器的銀膜電阻線的厚度變化量Ah的計(jì)算公式為
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用方法，其特征在于，所述原子氧的實(shí)時(shí)累積通量F的計(jì)算公式為
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用方法，其特征在于，所述原子氧的通量值P的計(jì)算公式為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銀膜電阻型原子氧傳感器、原子氧檢測儀及其應(yīng)用方法。該銀膜電阻型原子氧傳感器包括氧化鋁陶瓷基底，氧化鋁陶瓷基底上布設(shè)有銀膜電阻線，銀膜電阻線的線條呈“之”字形布設(shè)于氧化鋁陶瓷基底上，銀膜電阻線的兩端分別設(shè)有金屬電極。該原子氧檢測儀包括精密電壓參考源、精密電阻、上述的原子氧傳感器、儀用放大器以及單片機(jī)，其中，儀用放大器將原子氧傳感器的兩端的電壓信號放大后傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)用于根據(jù)采樣電壓的值實(shí)時(shí)計(jì)算原子氧傳感器的電阻值。本發(fā)明通過銀膜電阻線阻值的變化，即可推導(dǎo)計(jì)算出空間的原子氧的通量，實(shí)時(shí)性好、成本低廉且測量精度高。
文檔編號G01N27/04GK102998342SQ20121048650
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者陳小前, 繩濤, 程云, 郝東, 胡星志 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)