一种空间大气面密度探测传感器及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种空间大气面密度探测传感器及其制作方法，能够实现对空间定点的大气面密度的直接探测，采用谐振式传感器对空间大气面密度进行探测，通过吸附在传感器探头表面上的大气物质，实现对大气面密度的直接测量，更好的研究大气面密度对航天器的阻力的关系；并且谐振式传感器功耗小，能够满足微纳卫星星座组网要求，借助微纳卫星星座组网方式，同时实现空域大尺度的大气面密度分布测量及轨道大气的实时测量。本发明专利技术所采用的谐振式传感器体积小，重量轻，能够通过传感器阵列模式实现不同位置，不同角度的大气面密度监测。本发明专利技术的数据处理单元能够气体采集模块进行分离，实现分布式测量，准确地确定航天器在轨飞行期间的大气面密度。

【技术实现步骤摘要】
一种空间大气面密度探测传感器及其制作方法
本专利技术涉及空间大气密度探测
，具体涉及一种空间大气面密度探测传感器及其制作方法。
技术介绍
目前现有空间大气密度探测主要有两种方式，一种为遥感方式，一种为原位探测方式。其中遥感方式所获得的是空域内的大气密度平均值，原位探测为具体某个位置的大气密度值。原位探测的方式主要有质谱仪，真空规等。所得到的为空间大气的体密度。目前，国内外对空间大气密度主要采用光学遥感、质谱计、轨道数据反演或GPS信号延迟方法。现有的空间大气密度探测装置中无法实现对大气密度的实时原位探测；另外，现阶段对于大气密度的监测方法，监测的是大气的体密度，不能直接获得大气的面密度，而在考虑大气密度对航天器的阻力时，更关注的是大气的面密度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种空间大气面密度探测传感器及其制作方法，能够实现对空间定点的大气面密度的直接探测。本专利技术的一种空间大气面密度探测传感器，包括由探头模块和电路模块组成的气体采集模块以及数据处理模块；所述探头模块包括测量晶振和参考晶振，测量晶振和参考晶振上均涂覆有分子吸附膜；所述测量晶振上的分子吸附膜用于吸附其表面附近的大气气体，参考晶振外设有用于防止其对空间大气气体进行吸附的密闭罩；所述电路模块包括分别给测量晶振与参考晶振提供振动能量的起振电路；以及分别对测量晶振与参考晶振的频率进行测量并将测量结果发送到数据处理模块的测振电路；所述数据处理模块通过接收到的测量晶振与参考晶振的频率，获得测量晶振表面的空间大气面密度。其中，所述探头模块还包括晶体盖、测量晶体座、定位销以及参考晶体座；测量晶振固定在测量晶体座上，参考晶振固定在参考晶体座上，晶体盖、测量晶体座和参考晶体座的相对位置通过定位销实现定位连接，晶体盖中心开口，使测量晶振涂覆有分子吸附膜的端面与大气接触。其中，所述晶振和分子吸附膜之间增设过渡层，分子吸附膜生长在过渡层上，并进行阳极离子化处理。其中，所述传感器还包括测温元件，用于采集探头模块的温度。其中，所述电路模块采用PCB板结构，气体采集模块以及数据处理模块集成在外壳内部，并通过外壳盖封装；外壳盖中心开口，使测量晶振涂覆有分子吸附膜的端面与大气接触。其中，所述气体采集模块以及数据处理模块为分体式。本专利技术还提供了一种空间大气面密度探测传感器的制作方法，包括如下步骤：步骤1，制作测量晶振和参考晶振，包括如下子步骤：步骤1.1，制作切型为AT切型、切角范围为23°18′～23°48′、电极为金电极、基频为5MHz～15MHz、初始标称频率误差<1％的石英晶振；步骤1.2，在步骤1得到的石英晶振的金电极表面镀制二氧化硅薄膜，得到镀膜石英晶振；步骤1.3，对镀膜石英晶振的表面先用分析纯的丙酮进行超声波清洗，再用无水酒精进行超声波清洗，然后自然风干备用；步骤1.4，将镀膜石英晶振在恒温恒湿箱子中进行温度循环老化，得到候选石英晶振；步骤2，选取测量晶振和参考晶振，包括如下子步骤：步骤2.1，对步骤1获得的候选石英晶振进行性能参数测试，得到性能参数测试结果，其中，性能参数包括Q值、串联频率、并联频率、等效电容、等效电阻以及等效电感；步骤2.2，依据步骤2.1的性能参数测试结果，从候选石英晶振中选取串联频率之差小于基频的0.01％、Q值均大于75K且性能参数最接近的两个，分别作为测量晶振和参考晶振；步骤3，在测量晶振和参考晶振上镀制同样的分子吸附膜或采用原位生长方式生长分子吸附膜；步骤4，组装传感器探头模块；步骤5，将测量晶振与参考晶振与对应的测振电路和起振电路连接，将电路模块与数据处理模块连接，完成传感器的制作。有益效果：本专利技术采用谐振式传感器对空间大气面密度进行探测，通过吸附在传感器探头表面上的大气物质，实现对大气面密度的直接测量，更好的研究大气面密度对航天器的阻力的关系；并且谐振式传感器功耗小，能够满足微纳卫星星座组网要求，借助微纳卫星星座组网方式，同时实现空域大尺度的大气面密度分布测量及轨道大气的实时测量。本专利技术所采用的谐振式传感器体积小，重量轻，能够通过传感器阵列模式实现不同位置，不同角度的大气面密度监测。本专利技术的数据处理单元能够气体采集模块进行分离，实现分布式测量，准确地确定航天器在轨飞行期间的大气面密度。附图说明图1为本专利技术大气面密度探测传感器的探测原理图；图2为本专利技术中大气面密度探测传感器探头模块结构示意图；其中1-外壳盖，2-晶体盖，3-测量晶振，4-橡胶圈，5-测量晶体座，6-定位销，7-参考晶振，8-参考晶体座，9-外壳。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本实施例提供了一种空间大气面密度探测的传感器，所述传感器为谐振式传感器，探测原理图如图1所示。在测量晶振和参考晶振上涂覆有分子吸附膜，参考晶振外设置有用于防止其表面对空间大气进行吸附的密闭罩；由于测量晶振的分子吸附膜吸附了传感器表面附近的空间大气气体，测量晶振频率与参考晶振频率相比形成频率漂移，利用频率漂移量可以计算得到传感器表面附近的空间大气气体的大气面密度，实现在轨大气面密度的监测。大气面密度计算公式如下：式中，Δf为增加的频率差即频率漂移量，f0为基频，A为电极面积，Δm/A为大气面密度。本实施例的一种空间大气面密度探测的传感器包括探头模块及电路模块。探头模块结构示意图如图2所示，探头模块包括晶体盖2、测量晶振3、橡胶圈4、测量晶体座5、定位销6、参考晶振7以及参考晶体座8。其中橡胶圈4有两个，测量晶振3通过橡胶圈固定在测量晶体座5的凹槽内，参考晶振7也通过橡胶圈固定在参考晶体座8的凹槽内。晶体盖2、测量晶体座5和参考晶体座8依次通过定位销实现同轴定位连接；晶体盖2中心开口，测量晶振处于开口的下方。测量晶振3和参考晶振7均涂覆有分子吸附膜。为了增加镀膜层的吸附能力，本实施例在晶振和分子吸附膜之间增设过渡层。分子吸附膜生长在过渡层上，并进行阳极离子化处理，实现对惰性气体的动态吸附，使得分子吸附膜受热后也不易释放惰性气体，吸附系数得到了增加。如图1所示，参考晶振7外设有密闭罩，密闭罩用于防止参考晶振7的分子吸附膜对空间大气进行吸附。另外，还可以在参考晶体座8底部集成测温元件，测温元件可实时采集探头模块的温度，为消除晶振的温度漂移效应提供数据。测温元件可采用贴片式温度传感器，测温范围为-140℃～150℃。所述电路模块包括测量晶振与参考晶振各自且相同的起振电路和测振电路，所述起振电路用于给测量晶振和参考晶振提供振动能量；所述测振电路对测量晶振与参考晶振的频率进行测量并将测量结果发送到数据处理模块；所述起振电路和测振电路采用差频电路，其等效电容电阻之差在5％之内，响应时间小于300ms；所述起振电路起振频率范围为5MHz～15MHz，所述测振电路频率测量范围为5MHz～15MHz，频率测量精度不低于1Hz。电路模块采用PCB板结构，整体功耗不超过1瓦，并用厚度为1.5mm～2mm的铝板进行封装，铝板上表面有中心孔间距为40mm的两处M2螺丝孔，用于固定探头模块；电路模块与探头模块集成在外壳9内部，并通过外壳盖1封装；外壳盖1中心开口，测量晶振处于开口的下方。传感器外壳9通过螺钉固定在航天器表面上。本实施例中外壳9采用厚度为1mm～1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间大气面密度探测传感器，其特征在于，包括由探头模块和电路模块组成的气体采集模块以及数据处理模块；所述探头模块包括测量晶振(3)和参考晶振(7)，测量晶振(3)和参考晶振(7)上均涂覆有分子吸附膜；所述测量晶振(3)上的分子吸附膜用于吸附其表面的大气气体，参考晶振(7)外设有用于防止其对空间大气气体进行吸附的密闭罩；所述电路模块包括分别给测量晶振(3)与参考晶振(7)提供振动能量的起振电路；以及分别对测量晶振(3)与参考晶振(7)的频率进行测量并将测量结果发送到数据处理模块的测振电路；所述数据处理模块通过接收到的测量晶振(3)与参考晶振(7)的频率，获得测量晶振表面的空间大气面密度。

【技术特征摘要】
1.一种空间大气面密度探测传感器，其特征在于，包括由探头模块和电路模块组成的气体采集模块以及数据处理模块；所述探头模块包括测量晶振(3)和参考晶振(7)，测量晶振(3)和参考晶振(7)上均涂覆有分子吸附膜；所述测量晶振(3)上的分子吸附膜用于吸附其表面的大气气体，参考晶振(7)外设有用于防止其对空间大气气体进行吸附的密闭罩；所述电路模块包括分别给测量晶振(3)与参考晶振(7)提供振动能量的起振电路；以及分别对测量晶振(3)与参考晶振(7)的频率进行测量并将测量结果发送到数据处理模块的测振电路；所述数据处理模块通过接收到的测量晶振(3)与参考晶振(7)的频率，获得测量晶振表面的空间大气面密度。2.如权利要求1所述的一种空间大气面密度探测传感器，其特征在于，所述探头模块还包括晶体盖(2)、测量晶体座(5)、定位销(6)以及参考晶体座(8)；测量晶振(3)固定在测量晶体座上，参考晶振(7)固定在参考晶体座上，晶体盖(2)、测量晶体座(5)和参考晶体座(8)的相对位置通过定位销实现定位连接，晶体盖(2)中心开口，使测量晶振涂覆有分子吸附膜的端面与大气接触。3.如权利要求1所述的一种空间大气面密度探测传感器，其特征在于，所述晶振和分子吸附膜之间增设过渡层，分子吸附膜生长在过渡层上，并进行阳极离子化处理。4.如权利要求1所述的一种空间大气面密度探测传感器，其特征在于，所述传感器还包括测温元件，用于采集探头模块的温度。5.如权利要求1所述的一种空间大气面密度探测传感器，其特征在于，所述电路模块采用PCB板结构，气体采集模块以及数据处理模块集成在外壳9内部，并通过外壳盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭兴，杨生胜，矫义，薛玉雄，庄建宏，石红，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62