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。
【技术实现步骤摘要】
一种空间微小碎片MOS电容传感器信号采集电路
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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
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2卫星上，此类探测器体积功耗大，设计复杂。
[0006]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
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TYPE MICROMETEROID DETECTORS,NASA
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N86
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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)。
技术实现思路
[0007]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)。
[0008]空间碎片MOS电容传感器结构基本是金属栅
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二氧化硅绝缘层
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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。
[0009]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
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探测器电容，Vb
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偏压值，Vs
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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，信号时序见本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：
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