一种空间微小碎片MOS电容传感器信号采集电路的制作方法

一种空间微小碎片mos电容传感器信号采集电路
技术领域
1.本发明涉及空间碎片监测测量领域，特别涉及一种利用mos电容传感器的在轨被动超高速微小碎片撞击事件测量电路，用于航天器在轨空间碎片测量载荷方法。


背景技术：

2.目前越来越多空间碎片对越来越多的航天器在轨运行的威胁程度愈加剧烈，对空间碎片的研究得到国内外相关领域的高度重视，对空间碎片的观测和监视是开展空间碎片研究的基础；国内外建立的大量的地面光学和无线电观测设备，可以观测到厘米级以上尺寸的空间碎片，为测量毫米级及以下尺寸的微小碎片，需要在航天器上安装专用的在轨测量设备，目前国内外在轨微小空间碎片测量设备基于以下技术。
3.基于mos电容的测量技术是在轨测量微小碎片撞击到mos电容后产生的电压脉冲，测量微小碎片的通量，可以测量微米及以上尺寸微小碎片的通量(见图1)；此技术已应用到长期暴露设施(ldef)、微流星体技术卫星(mts)及国际空间站(iss)上。
4.聚偏二氟乙烯聚合物(pvdf)薄膜的测量技术利用pvdf的压电特性，当一个空间碎片撞击pvdf传感器时候，导致局部偶极子快速极化，产生较大的快速的电荷脉冲，测量脉冲幅度可以得到碎片能量和通量(见图1)；pvdf薄膜探测器曾经搭载在织女一号和织女二号，用于探测哈雷彗星粉尘撞击记数和质量分析的ducma探测器；pvdf传感器压电特性随环境变化，测量信息偏差较大。
5.空间碎片等离子体探测器技术原理为：空间碎片高速撞击探测器靶体时，产生大量的等离子体，通过电场分离等离子体中电子和离子，并测量电子或离子电流，获得空间碎片速度，利用此技术的“粉尘探测器(dds)”探测器，于1987年、1990年分别搭载于galileo卫星和ulysses卫星，gorid等离子体探测器搭载在俄罗斯的express-2卫星上，此类探测器体积功耗大，设计复杂。
6.基于mos电容的测量技术具有性能稳定、可通过阵列方式扩展探测面积提升探测效率，设备占用体积小，容易实施等优点；因此在微小空间碎片在轨测量活动中也一直被采用；mos电容传感器输出的信号为电压脉冲，一般通过分压方式、放大方法对信号处理，需要考虑空间等离子体充电电流对信号的影响，以及mos电容传感器被撞击后可能导致的短路、断路失效模式对测量信号的影响以及状态检测，提升mos电容微小空间碎片探测用探测设备性能和空间适应性，因此需要设计一种可消除空间等离子体电流干扰和短路影响的信号采集电路。国内外mos电容传感器有发表信号采集电路简单(j.j.wortman*,d.p.griffis**,capacitor-type micrometeroid detectors,nasa-n86-30606,langley research center)，mos电容传感器为阵列式传感器，见《微小空间碎片探测用探测器探头及其传感器制备方法(zl 2014 10588832.x)》(郝志华、向宏文)。


技术实现要素：

7.本公开提供一种具有消除空间等离子体电流干扰和短路影响的空间微小碎片mos
电容传感器多路信号采集电路，用于采集、记录空间碎片撞击带传感器的事件(时间、信号幅度、传感器状态)。
8.空间碎片mos电容传感器结构基本是金属栅-二氧化硅绝缘层-衬底硅材料构成的mos电容，具有结构简单、不易受环境影响等优点，适合于作为在轨微小碎片撞击计数测量的传感器。mos电容传感器原理示意图如图1所示，在电路上等效为一个电容器，上下表面为铝电极，中间sio2层(氧化层)为电介质层，衬底为si。工作时mos电容传感器加偏压。当一个高速微粒撞击到传感器时，在高速微粒入射通路上使撞击区域的材料高度电离，形成高温等离子体，形成瞬间导电通道，导致mos电容传感器放电，产生脉冲电流，放电结束后，mos电容传感器又重新被充电；充放电电流脉冲通过电阻转化为电压脉冲，通过测量mos电容传感器产生的充放电压脉冲，可以探测到微小碎片的撞击事件。mos电容传感器被撞击的地方将留下撞击坑，撞击坑直径一般为几十微米，相对直径为数十毫米的传感器而言，单个微小空间碎片撞击传感器后，传感器电容的变化可忽略不计，因此对后续在轨微小碎片撞击测量效果影响也可以忽略，可实现连续监测空间碎片撞击事件。
9.由于空间碎片撞击瞬间引发的瞬态放电时间太短，通常为微秒，放电后的再充电过程时间长(ms数量级)(由电容和串联电阻决定)其充电量大小可直接对应于放电电荷大小，由此可用来评估撞击能量的大小；根据探测器探测到信号的放电能量计算方法：撞击前存储在探测器(电容器)中的能量减去撞击后剩余的能量。
[0010][0011]
其中：c-探测器电容，vb-偏压值，vs-信号电压。我们计算出的等效撞击能量见图2，该曲线峰值为对应的放电能量，约36微焦耳。对应放电信号能量和碎片尺寸的关系曲线看出，该能量对应的碎片尺寸约为25微米。
[0012]
从以上的分析看出，相对于快速放电过程，实际能够测量出信号的主要集中于特征时间长的充电过程，只要能够测量出串联电阻上的电压峰值，可以确定出撞击对应的能量以及撞击事件。
[0013]
如果较大体积的超高速金属颗粒撞击到mos电容传感，可能导致电容短路，需要在电路设计短路隔离及检测电路。
[0014]
空间中变化等离子体对传感器表面充电，产生干扰电压信号，设计阈值用于剔除干扰。
[0015]
本公开的技术解决方案是：为提升基于mos电容微小空间碎片探测用探测设备性能和空间适应性，设计一种可消除空间等离子体电流干扰影响、能够进行传感器短路检测及信号放大的阈值电路、采集和编码电路。
[0016]
总的电路组成参见图3，包括：直流电源，mos电容阵列探头，信号放大电路，撞击事件逻辑电路(包括阈值比较电路及编码电路)，多路模拟开关和模数转器组成的采集电路；其中，编码电路输出采集开始信号、启动信号采集；信号采集后输入到数据处理电路。
[0017]
其具体工作原理如下：
[0018]
空间碎片撞击到一个mos电容传感器，产生放电、充电电流信号，经采样电阻变为电压信号(outa)后，经过放大、积分，在比较器输入端与阈值电压比较，产生电压脉冲，并被锁存(d触发器)，锁存信号经过编码(hc148)产生事件逻辑信号(outm)，对多路模拟开关控
制，将电压信号(outa)选通输入到adc(模数变换)，并控制adc转换，80c32连续读入adc输出，对电压信号(outa)采集，对事件逻辑信号(outm)进行采集，获得撞击事件以及在确定mos传感器上的电流变化信号(图4)；采集完成后，由80c32进行复位及状态检查。信号时序见图4，一次信号采集时间由限流电阻(约1mω)和mos电容值(约50nf)确定，约为150ms，信号时序见图5。
[0019]
一路mos电容传感器电路包括mos电容、限流电阻rp1、采样电阻rs1和运放跟随电路；其中，采样电阻将电流转为电压信号；rs1阻值与mos电容空间等离子体电流和测量范围相关；当空间碎片撞击到mos电容导致其瞬间短路，则rs1与rp1串联分压；确定mos电容最大输出电压约0.9v，则rs1为31kω。
[0020]
电压放大电路，由高输入阻抗的运算放大器(tl084)组成，第一级为跟随器，为隔离作用，由于输入阻抗大(10
12
ω)，消除了对流经rs1的电流测量的影响；第二级为电压放大，电压放大倍数为2(r1-2/r1-1)；反馈电阻r1-2(20kω)上并联电容c1-1(10nf)，对电压信号进行延迟、峰值积分，在时序上产生adc采集开始控制信号(adc_srt)和撞击事件逻辑。
[0021]
阈值电路，由高稳定精密电压参考源(ad584)、分压电阻(r1-6和r1-7)以及运放跟随电路组成，ad584输出2.5v，由电阻分压至阈值电压，阈值相对于最大干扰电流具有2倍以上余量；阈值电压经运放跟随器隔离并提高输出能力，可以提供50路以上的输出能力。
[0022]
撞击事件逻辑电路，包括：比较电路(lm139)、逻辑信号产生及锁定电路(74hc74)，编码电路(74hc148)；
[0023]
采集电路，包括模拟多路开关(cd4051)，模数转换adc(ad7892)，采集控制模块(80c32)。
[0024]
如果一个mos电容传感器在撞击后短路，则其输出稳定的0.9v直流电压，经放大后为直流1.8v电压；经80c32控制adc进行循环采样，如存在一个直流1.8v电压输出，则可以认为此mos电容短路失效，进行标记。
[0025]
通过设计比较器(lm139)阈值电压，可以消除空间等离子体电流的干扰。
[0026]
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
[0027]
(1)采用电阻采样方式对mos电容传感器的电流信号进行测量，对空间碎片撞击产生的等离子电流、充电电流进行测量，采用限流电阻调整合适的充电电流并隔离mos电容失效故障。
[0028]
(2)以8路(8个mos电容)为一个模块的信号采集和状态检测电路，接口统一，易于扩展集成安装。
[0029]
(3)采用设置比较阈值电压的方法，通过比较电路，消除空间等离子体以及其他电磁干扰信号，准确测量撞击事件。
[0030]
(4)通过周期对mos电容输出采样方式，由电压信号波形差异识别是否短路。
附图说明
[0031]
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0032]
图1为mos电容传感器撞击测量原理及电路示意图；
[0033]
图2为mos电容传感器充放电仿真结果；
[0034]
图3为根据本公开的采集单元电路组成结构图；
[0035]
图4为采集单元电路功能图；
[0036]
图5为mos电容传感器采集信号时序图；
[0037]
图6为mos电容传感器电路；
[0038]
图7为阈值电路；
[0039]
图8为撞击事件逻辑电路；
[0040]
图9为8路mos电容传感器采集电路单元。
具体实施方式
[0041]
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，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使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0042]
本发明提出一种空间微小碎片mos电容传感器信号采集电路，包括：mos电容传感器电路及电压信号放大电路，阈值电路，撞击事件逻辑电路(包括阈值比较电路和编码电路)，信号采集电路，完成对碎片撞击信号采集以及mos电容短路状态检查。
[0043]
一种示例性实施例的电路组成如附图3所示。图中，直流电源依次连接限流电阻、mos电容阵列、采样电阻；采样电阻的一端引出电压信号，经过电压放大电路，在阈值比较电路中与阈值电路产生的阈值电压进行比较，当超过阈值电压时：阈值比较电路的输出信号经过编码电路生成撞击事件逻辑信号；同时选通并启动多路电压采集电路，对相应的mos电容输出电压信号进行采样；连续读入采到的电压信号和撞击事件逻辑信号。
[0044]
(1)mos电容传感器电路
[0045]
一路mos电容传感器电路包括mos电容、限流电阻rp1、采样电阻rs1和运放跟随电路，见图6；采样电阻将电流转为电压信号。rp1为1mω；在直流电压为-30v时，在mos电容充电最大电流为60μa；rs1阻值与mos电容空间等离子体电流和测量范围相关；在充电电流为100na/cm2下，mos电容有效面积为19.6cm2时，在rs1上电流为1960na；当空间碎片撞击到mos电容导致其瞬间短路，则rs1与rp1串联分压；确定mos电容最大输出电压约0.9v，则rs1为31kω。充电电流在rs1产生电压最大为60.6mv。
[0046]
运放跟随器由运算放大器(tl084)组成直流电压放大器，其高输入阻抗(10
12
ω)可消除对流经rs1的电流测量的影响，起到隔离作用，输出负电压脉冲v
mos
。对直流电压放大倍数为2(r
1-2
/r
1-1
)，电压反馈电阻r
1-2
(20k)上并联电容c
1-1
(10nf)，对电压信号进行延迟、峰值积分，在时序上起到延时作用，相对脉冲v
mos
前沿，输出电压脉冲outa的峰值延迟(t1-t0)约100μs。
[0047]
(2)阈值电路
[0048]
阈值电路由高稳定精密电压参考源(ad584)、分压电阻(r1-6和r1-7)以及运放跟随电路组成，见图7；其中，ad584输出2.5v，由电阻分压至200mv电压，由运算放大器(tl084)组成的跟随器输出阈值(200mv)vth；相对于mos电容的最大干扰电压60.6mv，vth具有2倍以上余量；
[0049]
阈值电压经运放跟随器隔离并提高输出能力，跟随器输出电流不大于5ma，输入到单路比较器(lm139)电流为25μa，则可以提供200路以上的输出能力。
[0050]
3)撞击事件逻辑电路
[0051]
电压脉冲outa输入到比较器(lm139)反相端，当电压脉冲outa上升沿超过阈值电压(vth1(200mv))，在比较器输出端信号vcp产生负向跳变，由5v变为0v，持续到outa下降沿低于200mv；
[0052]
vcp信号经过施密特反相器(74hc14)输出正脉冲信号oute，并被d触发器(74hc74)锁存；锁存信号outm经过编码电路(74hc148)，产生撞击事件逻辑信号，等待采集控制模块(80c32)采集；
[0053]
outm同步输入到模拟多路开关(cd4051)选通控制端，将电压脉冲outa输出到模数转换电路(ad7892-1)输入端；编码电路(74hc148)同步输出启动模数转换电路信号(adc_srt)，连续启动ad7892对电压脉冲outa采集，由模数转换结束信号(adc_eoc)控制模数转化器数据选通信号(adc_cs)，输出12位的模数转换结果，并通知80c32连续读入数据，实现outm电压脉冲采集。
[0054]
模数转换电路一次转换时间为1.47μs(12位600 ksps)。输入电压范围为
±
5.0v。采集控制模块(80c32)采样周期为10μs，对电压脉冲outm一次采集时间长度为150ms(t2*-t2)。
[0055]
在t3时刻(t2*+300ms)控制模块(80c32)输出清零复位信号(clrm)，对电路和锁存器进行复位清零，完成一次撞击事件的采集。
[0056]
在空闲时段(t4～t5)，控制模块(80c32)对8路outa信号(outa0～outa7)进行顺序采集，如果一个mos电容传感器在撞击后短路，则其输出稳定的0.9v直流电压，经放大后为直流1.8v电压；经80c32控制adc进行循环采样，如存在一个直流1.8v电压输出，则可以认为此mos电容短路失效，进行标记。
[0057]
4)采集电路单元
[0058]
mos电容传感器信号多路采集电路单元包括8路采集电路，可以对8个mos电容传感器进行采集，电路单元对控制模块的接口包括数据总线(db[0-11])、事件逻辑信号(outn[0-3])、复位清零信号(clrm)、模数转换读选通(adc_cs)和结束信号(adc_eoc)；采集电路单元接口简单，易于集成、组合满足多mos电容传感器的信号采集，电路见图8。
[0059]
控制模块为典型的微控制器组成电路，如80c32模块，8路mos电容传感器采集电路见图9。
[0060]
可见，本公开采用电阻采样方式对mos电容传感器的电流信号进行测量，对空间碎片撞击产生的等离子电流、充电电流进行测量，采用限流电阻调整合适的充电电流并隔离mos电容失效故障；
[0061]
采用8路(8个mos电容)为一个单元模块的信号采集和状态检测电路，接口统一，易于扩展集成安装；
[0062]
采用设置阈值电压的方法，通过比较电路消除空间等离子体以及其他电磁干扰信号，准确测量撞击事件。
[0063]
上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本
发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

技术特征：
1.一种空间微小碎片mos电容传感器信号采集电路，其特征在于，包括：mos电容传感器电路，阈值电路，撞击事件逻辑电路，以及信号采集电路，其中：mos电容传感器电路，用于在超高速金属颗粒撞击到mos电容传感器时输出电压信号；阈值电路，用于提供阈值比较电压信号；撞击事件逻辑电路，用于将mos电容传感器输出的电压信号与阈值电压比较，产生撞击事件逻辑信号，同时控制启动信号采集；信号采集电路，用于对mos电容传感器电路输出的电压信号、以及所述撞击事件逻辑信号进行采集。2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述mos电容传感器采用mos电容传感器阵列，其中，一路所述mos电容传感器电路包括：与直流电源依次串联的限流电阻、mos电容传感器、采样电阻、以及电压放大电路，其中：采样电阻，用于将mos电容传感器受到空间碎片撞击时产生的充放电电流信号转为电压信号；限流电阻，用于当空间碎片撞击mos电容导致其瞬间短路时，与所述采样电阻串联分压，不影响其他mos电容；电压放大电路，采用高输入阻抗的运算放大器，用于对所述电压信号进行延迟、峰值积分，在时序上产生开始采集启动信号和撞击事件逻辑。3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述阈值电路包括：依次相连的高稳定精密电压参考源、分压电阻以及运放跟随电路，其中，所述电压参考源输出的电压由所述分压电阻分压至阈值电压，阈值电压经所述运放跟随电路隔离并提供多路输出能力。4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述撞击事件逻辑电路包括：阈值比较电路及编码电路，阈值比较电路又包括比较器，反相器，及触发器，其中：所述比较器的反相端用于输入mos电容传感器电路输出的电压脉冲；当电压脉冲上升沿超过阈值电压时，比较器输出端信号产生负向跳变信号，经过反相器，输出正脉冲信号，并被d触发器锁存；锁存信号经过编码电路，产生撞击事件逻辑信号，等待采集；同时，编码电路输出信号，启动对mos电容传感器电路输出的电压信号的采集。5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述信号采集电路包括：模拟多路开关，模数转换电路，采集控制模块，其中：所述模拟多路开关，用于对多路mos电容传感器的输出信号进行选通；模数转换电路，用于在所述编码电路的启动下，对选通的mos电容传感器电路输出的电压信号进行转换；采集控制模块，用于连续读入模数转换电路的输出，对所述电压信号进行采集，对撞击事件逻辑信号进行采集，获得撞击事件以及mos传感器上的电流变化。6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述信号采集电路包括8路采集电路，用于对8个mos电容传感器进行采集。

技术总结
一种空间微小碎片MOS电容传感器信号采集电路，利用空间碎片撞击到MOS电容传感器产生的电压脉冲信号，包括放大器、阈值比较器、事件记录电路、脉冲信号采集电路，MOS电容传感器输出的电压脉冲经放大后；一路信号在大于设置阈值时经比较器输出为数字(状态)信号，数字信号在寄存器中保持，并编码；另一路信号经成滤波后输入到ADC，进行实施采集。电路针对MOS电容传感器的开路和短路模式，设置测量电阻和阈值，消除MOS电容表面接受的空间等离子充电电流信号引起的干扰、对MOS电容传感器工作状态是否短路、开路进行测量。开路进行测量。开路进行测量。


技术研发人员：向宏文 贾晓宇 郝志华 于立佳 蔡震波 李衍存 张志平 曲少杰 郑玉展 杨小平
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/9/14