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1、(10)申请公布号 CN 103413747 A (43)申请公布日 2013.11.27 CN 103413747 A *CN103413747A* (21)申请号 201310302876.7 (22)申请日 2013.07.18 H01J 37/32(2006.01) G01R 19/25(2006.01) (71)申请人 北京东方计量测试研究所 地址 100086 北京市海淀区知春路 82 号院 (72)发明人 宋瑞海 张书锋 张明志 贾军伟 柴昊 (74)专利代理机构 北京海虹嘉诚知识产权代理 有限公司 11129 代理人 吴小灿 (54) 发明名称 空间等离子体测量装置 (57) 。
2、摘要 空间等离子体测量装置， 有利于提高空间等 离子体参数测量的速度和精度， 包括 PCI6251 多 功能数据采集卡， 该卡一侧连接工控机， 另一侧通 过光电隔离电路分别连接探针扫描电源电路、 探 针电流检测电路和探针电压检测电路， 所述工控 机根据设定的扫描电压参数将电压值以数字信号 的形式传输给所述数据采集卡， 将所述电压值的 数字信号转换为模拟信号输出， 并在所述光电隔 离电路中经过一级光电隔离放大后， 再通过探针 扫描电源电路加到探针上 ； 探针电压检测电路测 量探针上的探针电压， 探针电流检测电路测量探 针上的探针电流， PCI6251 多功能数据采集卡的 A/D 端口将模拟信号转。
3、换为数字信号， 并传输给 所述工控机得出空间等离子体参数。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103413747 A CN 103413747 A *CN103413747A* 1/1 页 2 1. 空间等离子体测量装置， 其特征在于， 包括 PCI6251 多功能数据采集卡， 所述 PCI6251 多功能数据采集卡一侧连接工控机， 另一侧通过光电隔离电路分别连接探针扫描 电源电路、 探针电流检测电路和探针电压检测电路， 所述工控机。
4、根据设定的扫描电压参数 将电压值以数字信号的形式传输给所述 PCI6251 多功能数据采集卡， 所述 PCI6251 多功能 数据采集卡的 D/A 输出端口将所述电压值的数字信号转换为模拟信号输出， 并在所述光电 隔离电路中经过一级光电隔离放大后， 再通过探针扫描电源电路放大到指定倍数后作为扫 描电压加到探针上 ； 所述探针电压检测电路测量探针上的探针电压， 所述探针电流检测电 路测量探针上的探针电流， 所述探针电压和所述探针电流经过所述光电隔离电路放大后通 过所述 PCI6251 多功能数据采集卡的 A/D 端口将模拟信号转换为数字信号， 并将探针电压 数字信号和探针电流数字信号传输给所述工。
5、控机 ； 所述工控机根据所述探针电压数字信号 和探针电流数字信号计算得出空间等离子体参数。 2.根据权利要求1所述的空间等离子体测量装置， 其特征在于， 所述PCI6251多功能数 据采集卡具有24个数字端口和18个模拟端口， 所述数字端口以推挽形式驱动发光二极管。 3. 根据权利要求 2 所述的空间等离子体测量装置， 其特征在于， 所述 24 路数字 I/O 端 口中包括 1 个 2.5V 标准电压端口和 1 个 5V 供电电源端口， 2.5V 标准电压是通过数模转换 器 DAC 产生的， 5V 供电电源是由工控机提供的。 4. 根据权利要求 1 所述的空间等离子体测量装置， 其特征在于， 。
6、所述探针电流检测电 路包括采样电阻， 所述采样电阻串联在探针回路中， 将探针电流转化成探针电压以进行测 量。 5. 根据权利要求 1 所述的空间等离子体测量装置， 其特征在于， 所述探针电流检测电 路包括隔离放大芯片 ISO100AP。 6. 根据权利要求 1 所述的空间等离子体测量装置， 其特征在于， 所述探针电压检测电 路采用电阻分压式电路。 7. 根据权利要求 1 所述的空间等离子体测量装置， 其特征在于， 所述探针电压检测电 路包括隔离放大芯片 ISO100AP， 并采用 ISO100AP 单极输入接法使得所述探针电压检测电 路作为同相放大器使用。 权 利 要 求 书 CN 10341。
7、3747 A 2 1/3 页 3 空间等离子体测量装置 技术领域 0001 本发明涉及空间等离子体诊断测试技术， 特别是一种空间等离子体测量装置。 背景技术 0002 空间等离子体探针诊断技术和其他测试技术一样， 在其发展过程中要求不断的提 高测量的速度和精度， 减少测量对象的扰动。 按照空间等离子体性质的不同， 在测量方法上 逐渐形成了两大测试技术 “静态测试技术” 和 “瞬态测量技术” 。对于稳态空间等离子体， 由 于其处于稳态， 可以在任意时刻内记录采集数据， 为此采用静态测量技术。 研究瞬态空间等 离子体时， 由于衰减和波动的存在， 必须瞬时记录数据， 为此采用动态测量技术。不管是采 。
8、用哪种测量技术， 有一点是相同的， 那就是都需要迅速改变探针对空间等离子体的电位， 同 时测得该电位所对应的探针电流， 从而完成探针伏安特性的测量。现有技术中的空间等离 子体探针测量装置的产品多用 PLC 或单片机实现， 系统的扫描速度和测量精度不够理想， 抗干扰能力不强， 软件编程较复杂， 不够直观。 另有部分研究人员仍在使用分离元件搭建诊 断系统， 系统的电压扫描依靠手动调节完成， 数据的读取与选择也是由人工完成， 这直接影 响了测量的速度与准确性， 测量结果不能真实反映空间等离子体的参数。急需研制出一种 适合不同密度空间等离子体的测量装置以满足研究需要。从研究需要来说， 空间等离子体 探。
9、针测量装置的发展必然朝着以下几个趋势 ： 以快速的自动扫描和数据采集代替传统的 手动测量方式， 以提高测量速度， 在更短的时间内得到更多的信息数据。 采用高精度的扫 描输出和数据采集元件， 以提高数据的精度， 尽量减少因装置本身引起的实验误差 ； 增强装 置的抗干扰能力， 努力提高测量结果的准确性和可靠性。提高集成度， 且使装置能于 PC 机相连， 借助 PC 机的强大功能进行高速数据处理和丰富直观的结果显示。提高装置的通 用性， 使之能满足不同空间等离子体的测量要求。 加装探针的机械扫描部分， 使得装置能 够一次测量不同点的空间等离子体参数， 从而获得空间等离子体参数的空间分布。提供 友好的。
10、人机操作界面， 使得使用者能直观方便的设置测量参数和读取测量结果。 发明内容 0003 本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足， 提供一种空间等离子体测量装置， 有 利于提高空间等离子体参数测量的速度和精度。 0004 本发明的技术方案如下 ： 0005 空间等离子体测量装置， 其特征在于， 包括 PCI6251 多功能数据采集卡， 所述 PCI6251 多功能数据采集卡一侧连接工控机， 另一侧通过光电隔离电路分别连接探针扫描 电源电路、 探针电流检测电路和探针电压检测电路， 所述工控机根据设定的扫描电压参数 将电压值以数字信号的形式传输给所述 PCI6251 多功能数据采集卡， 所述 PCI6。
11、251 多功能 数据采集卡的 D/A 输出端口将所述电压值的数字信号转换为模拟信号输出， 并在所述光电 隔离电路中经过一级光电隔离放大后， 再通过探针扫描电源电路放大到指定倍数后作为扫 描电压加到探针上 ； 所述探针电压检测电路测量探针上的探针电压， 所述探针电流检测电 说 明 书 CN 103413747 A 3 2/3 页 4 路测量探针上的探针电流， 所述探针电压和所述探针电流经过所述光电隔离电路放大后通 过所述 PCI6251 多功能数据采集卡的 A/D 端口将模拟信号转换为数字信号， 并将探针电压 数字信号和探针电流数字信号传输给所述工控机 ； 所述工控机根据所述探针电压数字信号 和。
12、探针电流数字信号计算得出空间等离子体参数。 0006 所述PCI6251多功能数据采集卡具有24条双向通道数字I/O线和18个模拟端口， 所述数字端口以推挽形式驱动发光二极管。 0007 所述 24 个数字端口中包括 1 个 2.5V 标准电压端口和 1 个 5V 供电电源端口， 2.5V 标准电压是通过数模转换器 DAC 产生的， 5V 供电电源是由工控机提供的。 0008 所述探针电流检测电路包括采样电阻， 所述采样电阻串联在探针回路中， 将探针 电流转化成探针电压以进行测量。 0009 所述探针电流检测电路包括隔离放大芯片 ISO100AP。 0010 所述探针电压检测电路采用电阻分压式。
13、电路。 0011 所述探针电压检测电路包括隔离放大芯片 ISO100AP， 并采用 ISO100AP 单极输入 接法使得所述探针电压检测电路作为同相放大器使用。 0012 本发明的技术效果如下 ： 本空间等离子体测量装置， 其包括高精度的 PCI6251 多 功能数据采集卡、 探针扫描电源电路、 探针电压检测电路、 探针电流检测电路和光电隔离电 路等五部分， 使之提高了空间等离子体参数测量的速度和精度。 本发明能够实现指标如下 ： 电压扫描范围 ： 最大 100V 100V， 范围无级可调， 能实现不对称范围的电压扫描输出。 最大探针电流 ： 100mA。电压扫描速度 ： 更新速率 2.86M。
14、S/s。电压扫描精度 ： 最小步 长 0.01V。电压检测精度 ： 0.01V。电流检测精度 ： 0.01mA。数据采集速度 ： 采样率 1.25MS/s。 还能利用虚拟仪器软件完成基本的输出与采集功能， 实时显示电流、 电压、 I-V曲 线， 并将数据以表格的形式输出， 以方便进行后期处理。 附图说明 0013 图 1 是实施本发明的空间等离子体测量装置示意图。 具体实施方式 0014 下面结合附图 1 对本发明进行说明。 0015 图 1 是实施本发明的空间等离子体测量装置示意图。如图 1 所示， 空间等离子体 测量装置， 包括 PCI6251 多功能数据采集卡， 所述 PCI6251 多。
15、功能数据采集卡一侧连接工 控机， 另一侧通过光电隔离电路分别连接探针扫描电源电路、 探针电流检测电路和探针电 压检测电路， 所述工控机根据设定的扫描电压参数将电压值以数字信号的形式传输给所述 PCI6251多功能数据采集卡， 所述PCI6251多功能数据采集卡的D/A输出端口将所述电压值 的数字信号转换为模拟信号输出， 并在所述光电隔离电路中经过一级光电隔离放大后， 再 通过探针扫描电源电路放大到指定倍数后作为扫描电压加到探针上 ； 所述探针电压检测电 路测量探针上的探针电压， 所述探针电流检测电路测量探针上的探针电流， 所述探针电压 和所述探针电流经过所述光电隔离电路放大后通过所述 PCI6。
16、251 多功能数据采集卡的 A/D 端口将模拟信号转换为数字信号， 并将探针电压数字信号和探针电流数字信号传输给所述 工控机 ； 所述工控机根据所述探针电压数字信号和探针电流数字信号计算得出空间等离子 说 明 书 CN 103413747 A 4 3/3 页 5 体参数。所述 PCI6251 多功能数据采集卡具有 24 条双向通道数字 I/O 线端口和 18 个模拟 端口。所述 24 个数字端口中包括 1 个 2.5V 标准电压端口和 1 个 5V 供电电源端口， 2.5V 标 准电压是通过数模转换器 DAC 产生的， 5V 供电电源是由工控机提供的。所述探针电流检测 电路包括采样电阻， 所述。
17、采样电阻串联在探针回路中， 将探针电流转化成探针电压以进行 测量。 所述探针电流检测电路包括隔离放大芯片ISO100AP。 所述探针电压检测电路采用电 阻分压式电路。 所述探针电压检测电路包括隔离放大芯片ISO100AP， 并采用ISO100AP单极 输入接法使得所述探针电压检测电路作为同相放大器使用。 0016 美国国家仪器 (NI) 公司的 PCI6251 多功能数据采集卡为本发明的核心元件。在 此， 采集卡主要实现了以下功能 ： 提供高速 PCI 通道与计算机通讯， 使得整个系统能与计 算机相连 ； 实现高速高精度的 D/A 数据转换输出 ； 实现高速高精度的 A/D 数据转换与 采集。。
18、PCI6251 的数字端口输入、 输出电压范围为 ： 0V 5V， 端口具有很高的输入阻抗。 0017 PCI6251 多功能数据采集卡自身能提供 24 条双向通道数字 I/O 线， 并通过 SPI 总 线分别控制一个模数转换器 （ADC） 提供 16 个模拟输入端口 （AI0 AI15） 、 两个数模转换器 （DAC） 提供 2 个模拟输出端口 （AO0,AO1） 。最终由这些端口与对应模拟输入、 输出终端和数 字输入、 输出终端相连。PCI6251 有 24 个双向数字端口。2.5V 的标准电压端口是通过 DAC 产生的， 5V 的供电电源是由计算机提供。PCI6251 有 18 个模拟端。
19、口， 其中 16 个差分模拟输 入端口 （AI0AI15） ， 2个模拟输出端口 （AO0和AO1） ， 16个模拟地端口。 在模拟地端口中， AI0 和 AI4、 AI1 和 AI5、 AI2 和 AI6、 AI3 和 AI7 分别共用一个模拟地端口， 另外两个模拟地 端口分别对应 AO0 和 AO1。 0018 电流检测部分采用的是利用采样电阻串联进探针回路， 将探针电流转化成电压的 方法来进行测量的。电压最大输出范围为 100V 100V， 电压跨度不是很大， 故采用一般 的电阻分压式电路便能达到测量精度要求。电路采用 ISO100AP 单极输入接法作为同相放 大器使用， 电压检测电路采。
20、用电阻分压式电路， 在探针供电处对地并联一个由限流电阻 R5 和取样电阻 RPot6 组成的串联电路， 这样电阻 RPot6 上的电压 URPot6=VpR5/RPot6。这个 电压经一级光电隔离放大 K3 倍后进入采集卡的 A/D 输入端口， 合理的选取 R5 与 RPot6 的 阻值， 使得 URPot6 和 K3URPot6 分别不超过光电隔离放大器和采集卡 A/D 输入端的极限 电压值。最后采集到的 K3URPot6 通过软件放大 R5/K3RPot6 倍后即为探针驱动电压真实 值， 这样就完成了对探针电压的数据采集。扫描电源电路工作原理如下 ： 首先， 由采集卡的 模拟端口输出探针所。
21、需的扫描电压 V0， 经过 ISO100AP 隔离放大得到 V0（实际上此处的放 大倍数为 1， ISO100AP 起电压隔离跟随的作用， 故有 V0=V0） ； 然后， 由于采集卡的模拟输出 是双极性的电压输出， 将隔离后的电压信号 V0 送入大功率运放 PA93 放大 K 倍后得到探针 所需要的电压 Vp。 0019 在此指明， 以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明， 但并非限制本发明创造 的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、 修饰改进和 / 或删繁从简而进行的实施， 均落入本发明创造的保护范围。 说 明 书 CN 103413747 A 5 1/1 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 103413747 A 6 。