1 引 言 隨著空間科學技術的飛速發展，為了保障航天器的安全升空與運行，對空間環境的探測越來越引起人們的重視。大氣電場是空間物理和空間環境的一個很重要的參數，飛行器穿越強電場區域時，有可能遭到雷擊或誘發閃電，造成飛行器的損壞，監測和探測電場的數值及其變化對飛行器發射升空意義重大。國內外先后研制出多種電場探測裝置對大氣電場進行監測，主要有雙球式電場儀、火箭電場儀和旋片式電場傳感器等，探測方向一般與傳感器主軸方向平行或垂直，實現空中矢量電場的一個或兩個分量的探測。而大氣電場是以三維矢量形式存在的，只對矢量電場的一個或兩個分量探測時，探測到的電場值可能有較大的偏差。 本文首先介紹新型空中三維矢量電場傳感器獨特的敏感結構設計；然后根據三維電場傳感器的結構特點及信號處理方法，對傳感器輸出結果進行了理論分析；并對三維電場傳感器的標定方法進行了計算機仿真，設計出傳感器的專用標定裝置，對三維電場傳感器三維方向感應電極分別進行標定，保證了三維電場傳感器的測量精度。 2 三維電場傳感器 2.1 工作原理 該三維電場傳感器基于導體在電場中感應電荷的原理，利用接地屏蔽導體對感應電極的交替屏蔽作用，使感應電極交替暴露在外電場中，感應電極上的感應電荷發生周期性變化，形成了交變的電流信號，其大小與外部電場成一定的比例關系，通過檢測該電流的大小來檢測電場強度。 傳感器的結構部分如圖1所示，主要包括三對感應電極（軸向Z感應電極、徑向X感應電極、徑向Y感應電極）、屏蔽轉子、驅動電機等。三對感應電極互相垂直的分布在空間三維方向，其中軸向Z感應電極由一對旋葉片組成，徑向X，Y感應電極分別由一對矩形銅片組成。傳感器工作時，由驅動電機帶動屏蔽轉子旋轉，屏蔽轉子對三維方向的感應電極同時進行交替屏蔽，感應電極表面產生感應電流，該感應電流大小與外部電場成一定的比例關系。 對于軸向感應電極 （1） 式中：iZ（t）為感應電流；QZ為感應電極上感應電荷量；EZ為外部電場；ε為空氣的介電常數；r1，r2分別為內外半徑；f為電極旋轉頻率；T／2為屏蔽轉子暴露出整個感應電極的時間。 對于徑向感應電極 （2） 式中，A0為徑向（X）感應電極的面積，其他參數同式（1）。 從式（1），（2）可以看出，電機轉速頻率f恒定時，電極上的感應電流的幅度值與外部電場成線性關系，所以通過對感應電流的檢測實現對外部電場的檢測。 2.2 傳感器輸出信號的理論分析 由于電場傳感器感應電極輸出的是微弱的nA量級的交變電流信號，直接檢測該電流信號非常困難，這里采用信號處理電路，將弱電流信號轉變成容易檢測的電壓信號。 信號處理部分，首先將三維方向的三對感應電極輸出的電流信號分別進行I-V轉換，然后將每對感應電極輸出的電壓信號進行差分放大，采用差分放大部分用來減小噪聲，提高信噪比。最后取出放大后電壓信號的幅度值，輸出三路與外電場成線性關系的直流電壓信號。 理論分析中，電極輸出的感應電流與外部電場強度成線性關系是以電機轉速恒定為前提的，實際傳感器工作時，很難保證電機轉速的恒定不變，電機轉速的擾動帶來外部電場與傳感器輸出的非線性，容易造成傳感器的測量誤差。這里，在信號處理電路的I-V轉換部分，采用電容作為反饋回路的負載，由于軸向感應電極被轉子的4個葉片交替屏蔽，其電極輸出信號的頻率為電機轉速的4倍；徑向感應電極被轉子的2個葉片交替屏蔽，其電極輸出的信號頻率為電機轉速的2倍。則軸向信號ZC（Z）與徑向信號ZC（X、Y）對應的容抗分別為 式（5）中的AZ為軸向的系數，為固定值；式（6）中的AX（Y）為徑向的系數，也為固定值。 從式（5），（6）可以看出，輸出電壓信號與外部電場成線性關系，解決了電機轉速擾動的影響。雖然可以在理論上計算出傳感器輸出電壓與外部電場之間的系數，但由于各個電場傳感器的結構及信號處理部分的各個元器件參數不是完全一樣的，因此對每個電場傳感器，其輸出電壓與外部電場之間的線性系數需要通過標定來確定。 3 三維電場傳感器標定方法研究 3.1 標定原理 對電場傳感器的準確標定是使其進行精確探測的前提，電場傳感器的標定一般在已知數值的均勻電場中進行。一般采用在兩塊相距一定距離的平板電極上加上穩定電壓，電極間即產生均勻的電場，如圖2所示。目前一般使用采用該原理設計的電場箱，標定時，將傳感器的敏感頭部分放入電場箱，傳感器的感應面與電場的方向垂直。 由于三維電場傳感器結構獨特，具有三維方向的三對感應電極，因此必須設計專用的標定裝置，將整個傳感器放置在電場箱中，對每對感應電極分別進行標定。該標定裝置的設計應該保證感應電極在標定時均處在一個相對均勻的電場中，并且標定裝置的體積越小越好。 3.2 標定裝置仿真計算及分析 采用ANSYS軟件通過大量模擬計算來分析和設計該標定裝置，主要從確定標定裝置上下極板的間距和極板的面積兩個方面進行計算分析。 （1）確定極板間距。建立三維電場傳感器，對放置在均勻電場中的模型進行計算分析，圖3（a）為傳感器在電場中的電力線分布圖，圖3（b）為傳感器在電場中的電勢云圖。可以看出，三維電場傳感器在均勻電場中，由于其結構的影響，引起了傳感器附近電場的畸變，造成距離傳感器較近的等勢面不是一個平面。由于標定裝置的上下極板一般采用平面金屬板，并在其上加上電勢，為了保證傳感器放在標定裝置的極板間和放到均勻電場中時，電場分布是一致的，上下極板所處的位置應該在一個平的等勢面上。圖3（b）中，由模擬計算結果選取傳感器上方和下方兩個平面，平面中心位置的電勢與邊緣部分的電勢誤差約為3 %處，作為上下極板所處的平面。這樣，兩個極板的間距確定，傳感器在極板間的位置也確定。 （2）確定極板的面積。當極板的面積比較小時，邊緣效應對極板問電場產生的影響可能導致極板中心處傳感器標定時所處區域電場的不均勻，因此極板面積的大小也要通過模擬計算來確定。 為了便于建模以及計算，采用柱狀電場箱進行模擬。建立的柱狀電場箱模型的半切面圖如圖4（a）所示。上下極板平行放置，極板外面由屏蔽箱屏蔽，為了減小邊緣效應對電場的影響，上下極板間采用19根金屬絲進行分壓，中間的虛線框為傳感器放置區域。因為電場傳感器放在標定裝置的中間，保證中間部分的電場均勻即可，因此選擇標定裝置中心區域進行分析，該區域比傳感器體積略大。由于極板的間距經計算已經確定，建立不同面積的模型分別進行計算分析。經過大量的模擬計算，確定了合理的電場箱面積，其標定裝置中心區域的電勢云圖如圖4（b）所示。計算結果表明，該區域的電場強度的最大誤差小于1％，滿足作為該電場傳感器標定裝置的要求。 [align=center] [/align] 3.3 標定裝置結構設計及測試結果 基于上述標定原理及仿真結果，設計了三維電場傳感器專用標定裝置。該裝置由正、負兩臺高壓電源及電場箱組成。電場箱由三塊平行的極板以及屏蔽箱構成，極板間以及極板與屏蔽箱間均采用聚四氟乙烯柱絕緣，傳感器標定時放到中間極板上。標定軸向感應電極時，電場傳感器正放在中間極板上，感應面與電場強度方向垂直；標定徑向感應電極時，電場傳感器側放到中間極板上，待標定的徑向電極對稱地暴露在電場中，并且與電場強度方向垂直。 采用該標定設備對三維電場傳感器進行了標定試驗，圖5為傳感器軸向與徑向感應電極的輸出電壓與外部電場之間的關系曲線。標定數據表明，三維方向的數據曲線均具有良好的線性度，外部電場與傳感器的輸出為線性關系，與理論分析相吻合。 4 結 論 本文介紹的三維電場傳感器實現空中矢量的三維探測，有效地減小了空中電場測量的誤差，適合該傳感器結構特點的標定方法的提出，保證了其探測空中矢量電場的精度。傳感器通過其專用標定設備的標定，測試數據表現出良好的線性度，與理論分析一致，證明了三維電場傳感器的設計和標定方法的合理性與可行性。另外，該電場傳感器具有體積小、重量輕、操作簡單等優點，可廣泛應用于航天器升空的電場探測，也可用于氣象研究部門對雷電及云層帶電活動進行監測預警等。