一种探针结构、应用该探针的热电探针及测量方法技术

本发明专利技术属于天体探测设备技术领域，具体涉及一种探针结构、应用该探针的热电探针及测量方法，探针结构包括一体成型的空心壳体，壳体包括尖端、中端和尾端，尾端带有用来防止在贯入过程中探针产生轴向或/和周向位移的定位结构，在壳体内部搭载有用来探测星壤热物性和电物性的物性感知单元，以及壳体采用较小长径比。热电探针包括热电探针单元，热电探针单元包括：包含至少两根探针，探针根据程序设定可单独作为备用探针或共同配合用于获取测量数据；以及用来固定和支撑探针支撑组件。本发明专利技术设计的热电探针选用多根长径比较短的探针，同时具有贯入、触探和检测功能；通过一次贯入，可同时实现对星壤热物性和电物性的原位测量，测量适用范围广泛。量适用范围广泛。量适用范围广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种探针结构、应用该探针的热电探针及测量方法

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[0001]本专利技术属于天体探测设备
，具体涉及一种探针结构、应用该探针的热电探针及测量方法。

技术介绍
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[0002]地外天体的表层及次表层物质的理化特性蕴含着天体运行状态以及空间环境状态等丰富科学信息。太阳系内的固态行星、卫星及小天体上大多都覆盖有颗粒状或粉状多孔星壤。通过对天体星壤进行遥感探测、采样原位探测甚至更直接的原位接触式探测，可以获取天体表层的物理化学性质，进而推演天体衍化形成过程、表层及次表层地质组构、光照和气氛环境状态等典型科学信息。
[0003]自20世纪90年代起，陆续有科学家利用地基雷达、遥感卫星等手段，针对月球高纬度地区的表层及次表层进行探测，初步证实了月球极区存在水冰的可能性。但目前的探测结果均存在可质疑处和分辨率不足等问题，无法确切认证月壤水冰沿剖面深度的赋存状态。月壤水冰物质一方面可以通过太阳能转化为航天器燃料，另一方面可以作为月面基地构建材料，同时还是宇航员长期生存的必需品。目前美国、印度、欧盟、俄罗斯等国均有着明确的月球南极水冰原位探测及资源利用型号计划，中国在近期也将执行月球南极水冰原位探测任务，拟发射“四器一星”联合月球探测器，通过主器携带的侵彻器及飞跃器搭载的水冰物性探测载荷，获取表层及以下剖面的水冰物性信息，实现原位水冰精准勘查。
[0004]月球上的水冰物质富集于两极的永久阴影区，与早期美国和苏联的采样返回探测任务相比，月球南极水冰原位探测的难点在于：(1)欠能源，无法利用光照为航天器提供能量。(2)欠信息，永久阴影区地形地貌无法通过遥感及光学方法确知，航天器难以安全着陆于遥感探测水冰富集区。(3)欠资源，永久阴影区的底部最低温度可达30K，航天器难以为复杂探测载荷提供有效时长的搭载与热控能力。因此亟需低质量功耗代价的物性感测方法实现月极水冰物质赋存状态探测。相比于热重法及各种二次反演水含量的谱仪，热电物性探测载荷具有可共体设计、小型化、低能耗等显著特点，同时探测结果与含水量强相关，更适用于月壤水冰触探。在欧空局和NASA的型号任务上有初步的应用。
[0005]针对于土壤热学物性的测量方式可概括为：通过飞机或卫星进行遥感探测、利用实验室精准仪器测量、原位接触式感测以及便携式就位测量。目前针对星壤热电物性的探测大多是遥感观测手段，遥感方法为非接触式方法，探测范围较广，但受到空间分辨率不足、云层遮挡的问题；实验室精准测量仪器的测量方法需要进行样品采样，其对样本本身的组构有着不可逆的破坏，仅可进行有限度的复原，且样本返回地球进行实验室测量时很大可能会被地球环境污染，得到不太信服的数据；最合适的方法就是原位接触式感测以及便携式就位测量，利用侵入式或非侵入式土壤热学传感器进行针对于原土壤组构的实地测量。为此，本专利技术基于原位接触式感测方式，提供了一种结构紧凑、测量时间短、检测精度高的热电探针，为星壤热电物性的研究分析提供了可靠的数据支持。

技术实现思路
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[0006]本专利技术提供了一种探针结构、应用该探针的热电探针及测量方法，通过改进现有探针结构，使应用该探针结构的热电探针通过一次贯入，即可同时实现对星壤热物性和电物性的原位测量。
[0007]本专利技术采用的技术方案在于：一种探针结构，包括：一体成型的空心壳体，用来以贯入方式侵入到星壤内进行测量，所述壳体包括尖端、中端和尾端，所述尖端呈锥形，所述中端呈圆柱形，所述尾端带有轴向和周向定位结构，用来防止在贯入过程中探针产生轴向或/和周向位移；以及
[0008]在壳体内部搭载有用来探测星壤热物性和电物性的物性感知单元；以及
[0009]所述壳体整体的长径比在三以下。
[0010]优选地，所述轴向和周向定位结构包括轴向定位凸台结构和周向定位凸块结构，所述轴向定位凸台结构以中端的圆柱形外壁为基准水平向外延伸；所述周向定位凸块结构固定在轴向定位凸台结构的端面上，且周向定位凸块结构沿探针的轴向方向延伸。
[0011]优选地，所述物性感知单元包括热物性感知单元和电物性感知单元，所述热物性感知单元包括温度传感器和加热丝，所述电物性感知单元包括电极线，所述加热丝以环形缠绕方式设置在探针的内底，所述温度传感器垂直插入到加热丝内，且加热丝缠绕高度低于轴向定位凸台结构，在壳体内底灌装有没过加热丝的导热硅脂，所述电极线焊接在周向定位凸块结构上；在探针内部剩余孔隙用密封胶灌装。
[0012]一种应用上述探针的热电探针，包括热电探针单元，所述热电探针单元包括：
[0013]包含至少两根探针，所述探针根据程序设定可单独作为备用探针或共同配合用于获取测量数据；以及
[0014]支撑组件，用来固定和支撑探针，所述支撑组件包括基板、固定座和支撑座，所述基板插接在固定座前端，探针夹持在基板与固定座之间，并且探针的尾端受到轴向及周向的限制，所述基板和固定座安装并固定在支撑座内，且探针内的加热丝置于支撑座外侧。
[0015]优选地，在所述基板与固定座上分别加工有用来减少探针根部间产生热传导的绝热孔一和绝热孔二。
[0016]优选地，所述热电探针还包括传感检测单元，所述传感检测单元包括：
[0017]所述压力传感器，安装在热电探针单元内，用来检测贯入后热电探针单元与星壤间的接触压力。
[0018]优选地，所述热电探针还包括连接单元和贯入单元，所述贯入单元和热电探针单元依次安装在连接单元内，所述贯入单元采用火工贯入方式，通过贯入单元推动热电探针单元，使推动热电探针单元的前端贯入到星壤内。
[0019]优选地，所述传感检测单元还包括：位移传感器，设置在连接单元与热电探针单元之间，用来判断检测热电探针单元是否完成贯入。
[0020]优选地，所述贯入单元包括密封塞、堵头、阻尼活塞套、活塞套和活塞，所述堵头与阻尼活塞套依次套装在密封塞内，所述阻尼活塞套与堵头共同围合形成用来安装火工动作器的密封空间，所述阻尼活塞套与活塞套内的活塞抵接，在活塞与阻尼活塞套相邻的后端面上开设有用来容纳火工动作器爆燃产生气体的气体容纳腔，通过爆炸产生的冲击力推动热电探针单元贯入星壤内。
[0021]一种采用上述热电探针对星壤热电物性进行原位触探的测量方法，具体步骤包括：
[0022]S1：待侵彻式勘察仪侵彻完成，并且整体达到稳定后，启动火工动作器，在爆炸后气体的推动作用下热电探针单元向星壤方向运动，使中探针的尖端部分被贯入星壤内，基板与星壤表面接触；
[0023]S2：开启热电探针单元的温度测量、电容测量功能，并持续进行监测；
[0024]S3：待上述测量数值稳定后，开始进行热电物性测量；
[0025]S31：在测量热学特性时，以一根探针作为备用探针，其他探针作为测量探针，将测量探针中的一根探针作为热源激励端并施加恒定功率加热，同时采集其他探针的温度数据，通过瞬态单针法和双针法反演星壤导热系数和体积热容；
[0026]S32：在测量电学特性时，以部分探针作为发射探针，其余探针作为接收探针，发射探针作为电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探针结构，包括：一体成型的空心壳体，用来以贯入方式侵入到星壤内进行测量，所述壳体包括尖端、中端和尾端，所述尖端呈锥形，所述中端呈圆柱形，其特征在于，所述尾端带有轴向和周向定位结构，用来防止在贯入过程中探针产生轴向或/和周向位移；以及在壳体内部搭载有用来探测星壤热物性和电物性的物性感知单元；以及所述壳体整体的长径比在三以下。2.如权利要求1所述的探针结构，其特征在于：所述轴向和周向定位结构包括轴向定位凸台结构(11
‑
6)和周向定位凸块结构(11
‑
7)，所述轴向定位凸台结构(11
‑
6)以中端的圆柱形外壁为基准水平向外延伸；所述周向定位凸块结构(11
‑
7)固定在轴向定位凸台结构(11
‑
6)的端面上，且周向定位凸块结构(11
‑
7)沿探针(11)的轴向方向延伸。3.如权利要求2所述的探针结构，其特征在于：所述物性感知单元包括热物性感知单元和电物性感知单元，所述热物性感知单元包括温度传感器(11
‑
1)和加热丝(11
‑
2)，所述电物性感知单元包括电极线(11
‑
4)，所述加热丝(11
‑
2)以环形缠绕方式设置在探针(11)的内底，所述温度传感器(11
‑
1)垂直插入到加热丝(11
‑
2)内，且加热丝(11
‑
2)缠绕高度低于轴向定位凸台结构(11
‑
6)，在壳体内底灌装有没过加热丝(11
‑
2)的导热硅脂(11
‑
3)，所述电极线(11
‑
4)焊接在周向定位凸块结构(11
‑
7)上；在探针(11)内部剩余孔隙用密封胶(11
‑
5)灌装。4.一种应用如权利要求1至3所述探针结构的热电探针，其特征在于，包括热电探针单元(10)，所述热电探针单元(10)包括：包含至少两根探针(11)，探针(11)根据程序设定可单独作为备用探针或共同配合用于获取测量数据；以及支撑组件(12)，用来固定和支撑探针(11)，所述支撑组件(12)包括基板(12
‑
1)、固定座(12
‑
2)和支撑座(12
‑
3)，所述基板(12
‑
1)插接在固定座(12
‑
2)前端，探针(11)夹持在基板(12
‑
1)与固定座(12
‑
2)之间，并且探针(11)的尾端受到轴向及周向的限制，所述基板(12
‑
1)和固定座(12
‑
2)安装并固定在支撑座(12
‑
3)内，且探针(11)内的加热丝(11
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：姜生元，张伟伟，卢孜筱，段骁航，迟关心，李红浪，刘珊，丁源，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：