專利名稱：一種半攔截式高速微粒的速度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種半攔截式高速微粒的速度測量裝置。
技術(shù)背景在涉及高速微粒的應(yīng)用中，往往需要精確地測量高速微粒的速度，此處所說的 高速是指速度為千米/秒(km/s)量級及該量級以上?，F(xiàn)有技術(shù)中，用于測量高速微粒速度的技術(shù)，比如公開號為CN2812008的專利 "一種前向散射激光測速裝置"中公開的技術(shù)，該技術(shù)中通過收集微粒高速飛過位 于特定距離處的照明激光產(chǎn)生散射激光來測量微粒的達(dá)到時間，從而推算出微粒的 速度。但是，該文獻(xiàn)公開的技術(shù)存在的不足在于散射激光的信號微弱，對信號處 理的要求高，使得儀器組成相對復(fù)雜，從而使儀器的成本高、可靠性較差。壓電測 速是另外一種常使用的測量高速微粒速度的方法，該方法通過收集高速微粒撞擊位 于特定距離處的鋼性物體時產(chǎn)生的沖擊波信號得到微粒的到達(dá)時間，然后推算出微 粒的速度，而微粒撞擊到柔性物體或液體的時就無法收集到?jīng)_擊波信號，也就無法 測量微粒的到達(dá)時間和推算微粒的速度。同時，微粒撞擊壓電材料產(chǎn)生的信號具有 較長的振蕩周期，從而使得壓電測速很難分辨到達(dá)時間相離很近的撞擊信號，分辨 率較低。實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是克服壓電測速技術(shù)中存在的分辨率較低以及無 法測量高速微粒撞擊到柔性或液體物質(zhì)時的微粒速度和散射激光測速裝置中儀器復(fù) 雜、可靠性低、成本高的不足，提供一種簡單易行，測量精度高，信噪比高，抗電 磁干擾能力強，可靠性高的用于地面實驗室和空間航天器測量的半攔截式高速微粒 的速度測量裝置。為了達(dá)到上述目的，本實用新型采取如下的技術(shù)方案-一種半攔截式高速微粒的速度測量裝置，包括第一電路回路和第二電路回路，
其特征在于，還包括第一電源、第一中間夾有絕緣膜的對電極板、第一電阻串聯(lián)形 成第一電路回路；第二電源、第二中間夾有絕緣膜的對電極板、第二電阻串聯(lián)形成第二電路回路； 一具有測量至少兩路輸入的電壓檢測裝置， 一路是與第一電阻并聯(lián)， 另一路與第二電阻并聯(lián)；所述第一中間夾有絕緣膜的對電極板和第二中間夾有絕緣膜的對電極板對齊設(shè)置在一微粒運動路徑上。在上述技術(shù)方案中，進一步地，還可以包括第一分壓電阻和第二分壓電阻分別 串聯(lián)在所述第一電路回路和第二電路回路中。在上述技術(shù)方案中，進一步地，所述電壓檢測裝置是示波器。在上述技術(shù)方案中，所述第一中間夾有絕緣膜的對電極板和第二中間夾有絕緣 膜的對電極板結(jié)構(gòu)相同，都是由兩層是金屬膜和夾在金屬膜中間的絕緣膜組成。在上述技術(shù)方案中，進一步地，還包括第一支架和第二支架，所述兩個支架分 別包括圓環(huán)狀的夾子和底座固定在一起，所述第一中間夾有絕緣膜的對電極板和所 述第二中間夾有絕緣膜的對電極板分別夾持在所述第一支架和第二支架的圓環(huán)狀的夾子上。在上述技術(shù)方案中，進一步地，所述第一電源和第二電源可以是合并在一起具 有兩路供電的電源。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是1. 中間夾有絕緣膜的對電極板很薄，等離子體導(dǎo)通的時間特別短， 一般可以小 于微秒(US),所以得到的時間信號的精度高，從而得到的速度測量的精度高；2. 能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量，在應(yīng)用的過程中，采用工藝上盡可能薄的中間夾有絕緣 膜的對電極板，微粒撞擊并穿過中間夾有絕緣摸的對電極板僅損失很小的能量，即 微粒速度的測量對微粒速度的影響很小，或者進一步通過其它方法能夠定量評估出 微粒高速撞擊并穿過中間夾有絕緣膜的對電極板的過程對微粒速度的影響，能夠很 好的滿足高速微粒碰撞實驗的要求；3. 本實用新型提取直流電路瞬時閉合/斷開產(chǎn)生的大(mA量級甚至更高)電流/電壓脈沖信號進行速度測量，信噪比高，抗電磁干擾能力強，有效探測面積可以做的盡可能大，探測效率高；4. 本實用新型容易實施，工藝簡單，可靠性高，成本低。5. 本實用新型適合地面實驗應(yīng)用，由于其結(jié)構(gòu)和輸出信號形式簡單，可靠性高, 尤其適合與空間航天器應(yīng)用。

圖1是本實用新型進行高速微粒速度測量的原理示意圖；圖2是本實用新型實施例中的測量裝置的一個電路回路的電路圖；圖3是本實用新型一實施例中的中間夾有絕緣膜的對電極板的結(jié)構(gòu)示意圖圖4是本實用新型一實施例中的中間夾有絕緣膜的對電極板及其支架示意圖；圖5是本實用新型一實施例的電路圖；圖面說明l-5-6-7--中間夾有絕緣膜的對電極板 3——第一電源 3'——第二電源 -第一中間夾有絕緣膜的對電極板所在的位置s,點-第二中間夾有絕緣膜的對電極板所在的位置s2點-金屬膜 8——絕緣膜-支架10—10，l卜is-17—-第 一 中間夾有絕緣膜的對電極板——第二中間夾有絕緣膜的對電極板-螺絲釘 12——第一底座 12'-螺孔 14——第一分壓電阻 14'-第一電阻 15'——第二電阻 16--第二底座 -第二分壓電阻-示波器-微粒運動的路線-具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細(xì)描述 本實用新型是利用高速(速度為km/s量級以上)微粒(直徑在幾十到幾百微米 量級)撞擊中間夾有絕緣膜的對電極板產(chǎn)生的等離子體瞬時導(dǎo)通原來處于斷路狀態(tài) 的電路，等離子體在很短時間內(nèi)收集完，之后電路又成為斷路狀態(tài)，在這個過程中 形成瞬時電流/電壓脈沖；通過電壓或電流脈沖，得到微粒的到達(dá)距離固定的兩個不 同位置處的時間信號，得到了時間，而兩位置間的距離是可以測量出來的，利用飛 行時間法得到微粒速度的高速微粒的速度測量技術(shù)。如圖1所示，高速微粒在tl時刻從Sl點撞擊并穿過薄膜，高速微粒撞擊薄膜 時在S1處會產(chǎn)生等離子體，在本實用新型中，所采用的薄膜是如圖2所示的三明治 結(jié)構(gòu)的薄膜，采用圖4所示的電路把薄膜連接起來，在兩金屬層上加上適當(dāng)?shù)碾妷海?br> 就可以在兩金屬層之間形成合適的電場，當(dāng)有等離子體產(chǎn)生的時候，原來處于短路 狀態(tài)的電路就導(dǎo)通了，等離子體在很短時間內(nèi)收集完，之后電路又成為斷路狀態(tài)， 在這個過程中形成瞬時電流/電壓脈沖；在圖5中，示波器上就會有一個電壓脈沖信 號出現(xiàn)，這個電壓脈沖信號就反映了高速微粒到達(dá)薄膜表面并從Sl點穿過的時間信 號tl。微粒從S1穿過后，其速度損失很小，繼續(xù)運動，到達(dá)第二片薄膜(第二片 薄膜與第一片薄膜結(jié)構(gòu)上完全一樣，電路連接圖也一樣)，并穿過這片薄膜。這樣微 粒到達(dá)第二片薄膜的時間信號也能夠測量出來。兩片薄膜之間的距離是一個固定值 也很容易確定，這樣微粒的速度就可以求出來。如圖5所示，半攔截式高速微粒的速度測量裝置，由第一電路回路和第二電路 回路組成，還包括第一電源3、第一中間夾有絕緣膜的對電極板10、第一電阻15 串聯(lián)形成第一電路回路；第二電源3'、第二中間夾有絕緣膜的對電極板10'、第二 電阻15'串聯(lián)形成第二電路回路；具有測量兩路輸入的電壓檢測裝置16， 一路是與 第一電阻15并聯(lián)，另一路與第二電阻15'并聯(lián)；所述第一中間夾有絕緣膜的對電 極板IO和第二中間夾有絕緣膜的對電極板10'對齊設(shè)置在微粒運動路徑上。還包 括第一分壓電阻14和第二分壓電阻14'分別串聯(lián)在所述第一電路回路和第二電路 回路中。所述電壓檢測裝置16是示波器。所述第一中間夾有絕緣膜的對電極板和第 二中間夾有絕緣膜的對電極板結(jié)構(gòu)相同，都是由兩層是金屬膜和夾在金屬膜中間的 絕緣膜組成。第一支架和第二支架,所述兩個支架分別包括圓環(huán)狀的夾子和底座固定在一起， 所述第一中間夾有絕緣膜的對電極板和所述第二中間夾有絕緣膜的對電極板分別夾 持在所述第一支架和第二支架的圓環(huán)狀的夾子上。本實施例中的中間夾有絕緣膜的對電極板，其主要結(jié)構(gòu)是如圖3所示的三明治 結(jié)構(gòu)，兩邊是金屬膜7，兩片金屬膜7中間是一層絕緣膜8，這樣就構(gòu)成了一個中間 夾有絕緣膜的對電極板，其中兩邊的金屬膜7的材料為鋁膜，厚度為幾微米到幾十 微米，金屬膜7的直徑為5cm;絕緣膜8的材料為有機膜，厚度為幾微米到幾十微 米um，絕緣膜8完全均勻充滿兩個金屬膜7之間。當(dāng)在金屬膜7上加電壓的時候， 在兩金屬膜7之間就形成了一個電場，當(dāng)高速微粒撞擊到金屬膜7上的時候就會產(chǎn) 生等離子體，原來處于斷路狀態(tài)的電路就會導(dǎo)通，等離子體在很短時間內(nèi)收集完， 之后電路又變?yōu)閿嗦窢顟B(tài)。圖4所示的中間夾有絕緣膜的對電極板支架包括圓環(huán)狀的夾子9、底座12，通過圓環(huán)狀的夾子9將圖3所示平行板中間夾有絕緣膜的對電極板固定后就形成了 測量裝置中的靶，相當(dāng)于圖1中的靶點6。從兩個金屬膜7上引出電極，三明治結(jié) 構(gòu)的薄膜IO就構(gòu)成了時間獲取系統(tǒng)電路中的中間夾有絕緣膜的對電極板。其中，為 了使得在速度的測量過程中高速微粒的速度損失更小，中間夾有絕緣膜的對電極板 可以做的更薄。如圖2所示，直流電源的電壓為幾十伏到幾百伏，當(dāng)沒有微粒撞擊三明治結(jié)構(gòu) 的薄膜時，示波器上沒有信號，當(dāng)有高速微粒撞擊三明治結(jié)構(gòu)的薄膜時，將有等離 子體產(chǎn)生，等離子體把原來處于斷路狀態(tài)的電路導(dǎo)通，并且等離子體在很短的時間 內(nèi)收集完，之后電路又變?yōu)槎搪窢顟B(tài)，在這個過程中在示波器上將會有一個的電壓 脈沖信號，通過這個電壓脈沖就可以得到微粒到達(dá)三明治結(jié)構(gòu)的薄膜的時間信號。 其中，電源的電壓選擇必須合適，既要滿足當(dāng)微粒通過三明治結(jié)構(gòu)的薄膜時電路能 夠?qū)ǎ忠ＷC三明治結(jié)構(gòu)的薄膜不會被擊穿，其中第一電阻和第二電阻的選擇 必須合適，以保證電路中的電流不要過大從而導(dǎo)致器件的損壞，這些設(shè)置可以根據(jù) 具體的應(yīng)用條件進行調(diào)整，本領(lǐng)域技術(shù)人員是可以勝任的，其中第一電阻是一個分 壓電阻。通過理論分析和實驗研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高速微粒撞擊本實例所采用的三明治結(jié)構(gòu)的 薄膜時產(chǎn)生的等離子體的導(dǎo)通時間很短(在微秒以內(nèi))，所以，本發(fā)明應(yīng)用于高速微 粒速度測量時，微粒到達(dá)時間的測量精度高，從而使得速度的測量精度高。本發(fā)明利用高速微粒撞擊物體表面時產(chǎn)生的等離子體，來導(dǎo)通原來處于斷路狀 態(tài)的電路，并且等離子體在很短時間內(nèi)被收集完，之后電路又?jǐn)嚅_，這樣在電路回 路中將形成一個脈寬很小的電流/電壓脈沖信號，通過該脈沖信號得到微粒到達(dá)物體 表面的時間信號，得到了時間信號，以及微粒在這段時間內(nèi)運動的距離，利用飛行 時間法就很容易推導(dǎo)出微粒的速度。本實施例測量微粒直徑范圍為10um—1000um， 微粒速度范圍為5km/s—20km/s。實際上，在圖1中，如果把時刻t,和位置S,點看作是微粒發(fā)出的時刻t,和初始 位置S,點，通常微粒發(fā)出的時刻t,和初始位置S,點是己知的，因此需要準(zhǔn)確確定微 粒運動一段距離后的位置和時刻就可以測量微粒的速度。這種情況下，就可以采取 實施例1中其中某一個電路回路就可以準(zhǔn)確確定微粒從發(fā)出到運動一段距離后的位 置和微粒到達(dá)該位置時刻，進而測得其速度，這樣顯然節(jié)省一些電路成本。并且，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該知道，如果不采用電壓檢測裝置，也可以采用在
電路回路中串聯(lián)電流檢測裝置的方法來檢測電路的導(dǎo)通與否，進而判斷微粒撞擊中 間夾有絕緣膜的對電極板的時刻。最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制。 盡管參照實施例對本實用新型進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本實用新型技術(shù)方案的 精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1、一種半攔截式高速微粒的速度測量裝置，包括第一電路回路和第二電路回路；其特征在于，第一電源、第一中間夾有絕緣膜的對電極板、第一電阻串聯(lián)形成第一電路回路；第二電源、第二中間夾有絕緣膜的對電極板、第二電阻串聯(lián)形成第二電路回路；一具有測量至少兩路輸入的電壓檢測裝置，一路是與第一電阻并聯(lián)，另一路與第二電阻并聯(lián)；所述第一中間夾有絕緣膜的對電極板和第二中間夾有絕緣膜的對電極板對齊設(shè)置在一微粒運動路徑上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述半攔截式高速微粒的速度測量裝置，其特征在于，還包 括第一分壓電阻和第二分壓電阻分別串聯(lián)在所述第一電路回路和第二電路回路中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述半攔截式高速微粒的速度測量裝置，其特征在于，所述 電壓檢測裝置是示波器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述半攔截式高速微粒的速度測量裝置，其特征在于，所述 第一中間夾有絕緣膜的對電極板和第二中間夾有絕緣膜的對電極板結(jié)構(gòu)相同，都是 由兩層是金屬膜和夾在金屬膜中間的絕緣膜組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述半攔截式高速微粒的速度測量裝置，其特征在于，還包 括第一支架和第二支架，所述兩個支架分別包括圓環(huán)狀的夾子和底座固定在一起， 所述第一中間夾有絕緣膜的對電極板和所述第二中間夾有絕緣膜的對電極板分別夾 持在所述第一支架和第二支架的圓環(huán)狀的夾子上。
專利摘要本實用新型公開了一種半攔截式高速微粒的速度測量裝置，包括第一電路回路和第二電路回路，第一電源、第一中間夾有絕緣膜的對電極板、第一電阻串聯(lián)形成第一電路回路；第二電源、第二中間夾有絕緣膜的對電極板、第二電阻串聯(lián)形成第二電路回路；一具有測量至少兩路輸入的電壓檢測裝置，一路是與第一電阻并聯(lián)，另一路與第二電阻并聯(lián)；所述第一中間夾有絕緣膜的對電極板和第二中間夾有絕緣膜的對電極板對齊設(shè)置在一微粒運動路徑上。本實用新型優(yōu)點在于能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量、速度測量精度高、信噪比高、抗電磁干擾能力強、裝置成本低、探測效率高。
文檔編號G01P3/64GK201016990SQ20062013408
公開日2008年2月6日 申請日期2006年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月17日
發(fā)明者全榮輝, 封國強, 張振龍, 李宏偉, 李小銀, 蔡明輝, 韓建偉, 黃建國 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心