探究轮静电检测器特征性能.docx
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探究轮静电检测器特征性能
CHARACTERIZINGTHEPERFORMANCEOFTHEWHEELELECTROSTATICSPECTROMETER
探究轮静电检测器特征性能
Abstract-AWheelElectrostaticSpectrometerhasbeendevelopedasasurveyingtooltobeincorporatedintoaplanetaryroverdesign.Electrostaticsensorswithvariousprotrudingcoverinsulatorsareembeddedintoaprototyperoverwheel.Whentheseinsulatorscomeintocontactwithasurface,achargedevelopsonthecoverinsulatorthroughtribocharging.Achargespectrumiscreatedbyanalyzingtheaccumulatedchargeoneachofthedissimilarcoverinsulators.Weeventuallyintendtoprovechargespectracanbeusedtodeterminedifferencesinplanetaryregolithproperties.Wetestedtheeffectsofresidualsurfacechargeonthecoverinsulatorsanddiscoveredaneedtodischargethesensorcoverinsulatorsaftereachrevolution.Weprovedtherepeatabilityofthemeasurementsforthissensorpackageandfoundthatthesensorrepeatabilitylieswithinonestandarddeviationofthenoiseinthesignal.
摘要—我们开发了一款轮静电检测器作为检测工具集成到行星探测器的设计中。
有各种不同凸起外壳的静电传感器镶嵌到原型探测器的轮上。
当这些传感器与任何表面接触时，因为摩擦生电传感器的外壳绝缘层上就会带电。
我们通过分析聚集在每个不同的外壳绝缘层上的电荷编制了电荷谱。
我们希望最终证明电荷谱可以用来区别行星表层土的不同特性。
我们测验了外壳绝缘层上的残余电荷的影响并且发现每转一圈传感器外壳绝缘层需要清除一次静电。
我们证明了这套传感器测量的可重复性并且发现传感器的重复性处于信号中噪声标准差范围内。
I.INTRODUCTION
CurrentMartiansurfaceexplorationmissionsincorporatetechnologiestostudythemineralmakeupoftheMartianregolithinsearchofvolatiles,suchasoxygen,thatareofgreatimportanceforamannedmissiontoMars.VolatilescanbeextractedfromtheMartianregoliththroughIn-SituResourceUtilization（ISRU）processesandusedtomakedrinkingwaterforastronautsandfuelforthereturntriptoEarth[1].Priortoamannedmission,itisimportanttodeterminelocationandconcentrationsofthesevolatilesandminerals.AsurveyinginstrumentisnecessarytooptimizetheuseofaMartianroverinsearchofthesecrucialelements.
Ⅰ.简介
目前的火星表面探测任务集成了多种技术在搜寻挥发物，如对载人火星任务至关重要的氧气的过程中研究火星表层土的矿物构成。
挥发物可以用现场资源设备（ISRU）运行从火星表层土中提取并且用于为宇航员制造饮用水和返回地球过程的燃料【1】。
在载人火星任务之前，确定这些挥发物和矿物质的位置和集中度极为重要。
优化搜寻这些关键物质的火星探测器使用的勘察设备必不可少。
WehavedevelopedtheWheelElectrostaticSpectrometer（WES）asapossiblesurveyingtooltobeincorporatedintoaMartianroverdesign.Electrostaticsensorswithvariouscoverinsulatorsareembeddedintoaprototypewheeltoanalyzehowtheseinsulatorschargeagainstothermaterials.Thesensorcoverinsulators-Teflon,Lucite,G10andLexan-werestrategicallychosenbasedontheirrespectivelocationsinthetriboelectricseries[2].Sinceeachofthedissimilarcoverinsulators
willchargedifferently,achargespectrumiscreatedwhentribochargedagainstthesameregolithsimulant.Intheory,Martianregolithtypeswithdifferentmineralcompositionsandvolatileconcentrationswillchargethevariouscoverinsulatorsdifferently,thusallowingscientiststodeterminewhentheMartianroverismovingoveradifferenttypeofregolith[3].Inaddition,thisinstrumentwillenablestudiesoftheMartianelectrostaticenvironment,asubjectnotyetstudiedindetailontheMartiansurface.Itmayevenbepossibletodeterminethetypeofregoliththattheroveristraversingthroughadetailedspectralcomparison[4].Fig.1showstheWheelElectrostaticSpectrometer.
我们开发了轮静电检测器（WES）可集成到火星探测器的设计中。
有不同外壳绝缘层的传感器安装到原型轮上用来分析这些绝缘层与其它材料接触时任何带电。
这些传感器外壳绝缘层--Teflon,Lucite,G10和Lexan—都是根据它们在摩擦生电序列表中的位置精心选取的【2】。
因为这些不同的外壳绝缘层带电不同，我们编制了它们与相同的模拟火星表层土接触摩擦生电的电荷谱。
理论上讲，火星表层土因矿物质组成和挥发物集中程度不同而有不同类型，不同的外壳绝缘层带电也应该不同，因此科学家们可以确定什么时候火星探测器正在哪种不同类型的表层土上移动【3】。
此外，这个仪器使火星静电环境的研究成为可能，这个课题还没有在火星表面仔细研究。
甚至可能通过谱系比较确定探测器正在移动的地方的表层土的类型【4】。
图1.显示这个轮静电检测器。
（图片缺失）
Fig.1.-WESprototypepreparedtorollonMartianregolithsimulant.Thecircularinsulatorsareshownprotrudingfromthesurfaceofthewheel.
图1.准备碾压模拟火星表层土的轮静电检测器原型。
可以看到圆形的绝缘层从轮表面伸出。
Inthispaper,wedescribeseveralteststopartiallycharacterizetheperformanceofthepreviouslydevelopedWheelElectrostaticSpectrometer[2].Weexaminetheneedtoneutralizethesurfacechargeaftereachwheelrevolution.Inaddition,weassesstherepeatabilityofthesensorresponses.
本文描述了几个试验部分地给出了以前开发的轮静电检测器的特征性能【2】。
我们探究了轮每转一周就要中和电荷一次的需要。
此外，我们还评估了传感器响应的可重复性。
II.ELECTRONICS
TheelectronicsfortheWESarebasedontheMarsEnvironmentalCompatibilityAssessment（MECA）project.Thisdevicewasslatedtoflyonthe2001MarsSurveyorLander[5].However,thelanderportionofthemissionwascancelledandtheMECAelectrometerwasneverflown.
ThesignalfromeachsensorheadissenttoaonenFcapacitor.Thesensingheadoftheelectrometerismadeofapadelectrodewithtwoconcentricringelectrodes.Theinnerconcentricringservesasaguardwhiletheouterringactsasaground.Thevoltagegeneratedisamplifiedand
senttoaroutineforanalysis.Fig.2demonstratesthetribochargingprocesswhileFig.3displaysthesensorhead.
Ⅱ.电子学原理
轮静电检测器的电子学原理基于火星环境兼容性评估（MECA）项目。
这个设备被安排到2001年的火星勘察着陆器上【5】。
然而，这个任务的着陆器部分被取消，MECA项目从来没有启动。
来自传感器探头的信号被发送到一个1nF的电容器。
电量计的探头由一个有两个同心环电极的垫构成。
内同心环作为一个监测器而外同心环作为接地器。
监测到的电压被放大后发送到分析子程序。
图2.展示摩擦生电过程，图3.显示传感器探头。
（图片缺失）
Fig.2.-SimplifiedElectronicsDiagram[5].Thesensorontheleftshowsthecapacitorstatewhenincontactwiththeregolithwhilethesensordiagramontherightdisplaysthecapacitorstateaftertheinsulatorhasbeentribocharged.
（图片缺失）
图2.–简化的电子学原理图【5】。
左边的传感器显示接触到表层土时的电容状态而右侧的传感器图绝缘层摩擦生电后的电容器状态。
（图片缺失）
Fig.3.-WESelectronicssensorhead.Thesensorheadiscomprisedofalargecircularsensingpadandtwoconcentricringsthatactasaguardandaground.
图3.—轮静电探测器的电子传感器探头。
探头由一个大圆形传感垫和两个分别作为监测器和接地器的同心环构成。
III.Experiments
Theexperimentspresentedinthissectionwereconductedinalowhumidityenvironment（<4%RH）.ThedatawastakenfromeachsensorusingaNationalInstruments9201AnalogInputModule.ALabVIEWprogramwascreatedtoreadsignalsfromtheanaloginputmoduleandsavetheincomingdatatoatextfile.Thesamplingfrequencyineachofthepresenteddatasetsis100Hz.TheWESwasrolledbyhandinthediscussedexperiments.
A.SensorNormalization
Sensornormalizationwasperformedtoensurethatallsensorshadasimilarresponsewhenexposedtothesameelectricfield.Todothis,aprobewithroundededgeswasplaced3mmawayfromeachsensorinsulatorandaKeithley248HighVoltagePowerSupplywasusedtosupply2kVtotheprobe.
Fig.4displaystheresponsefromeachsensor.
III.试验
本节描述的试验是在低湿度环境（<4%RH）下进行的。
数据是用每个传感器中的NationalInstruments公司的模拟输入模块9201采集的。
我们编制了LabVIEW程序读出来自模拟输入模块的信号并且把读出数据保存成文本文件。
对这些数据集的采样频率是100Hz。
在这个试验中轮静电检测器是用手转动的。
A.传感器正则化
我们进行了传感器正则化来保证所有传感器处在同样的静电场中有相似的响应。
为了实现这个目的，我们用一个有圆形刃的探棒放在距传感器绝缘层3mm的地方，用Keithley248高压电源加2kV电压。
图4.显示每个传感器的响应
（图片缺失）
Fig.4.-2kVappliedtoroundedprobewith3mmgap.NoticeadrasticdifferenceintheresponsevoltagefromtheGI0sensorcomparedtotheTeflonandLexansensors.
图4.–2kV加到圆形探棒上，与传感器间有3mm间隙。
注意GI0传感器与Teflon和Lexan传感器的电压响应的不同。
Fig.4demonstratesthatanormalizationfactorwasneededduetothevarianceintheamplificationofeachsensor.Thisvarianceispossiblytheresultofalooseresistortolerancewhenthecircuitwasdesigned.Acorrectionfactorwasappliedtoeachsensorbasedonthisdata.ThenormalizationfactorsforGI0,Lexan,Lucite,andTeflonwerefoundtobe1,1.50,1.21,and1.61,respectively.Thesenormalizationfactorswereverifiedwithanadditionaltestthatappliedthenormalizationfactorspriortosavingthedata.Fig.5displaystheresultsfromthisexperiment.
图4显示因为每个放大器的分散性我们需要一个正则化系数。
这个分散性可能是电路设计时电阻的容差过宽造成的。
根据这个结果我们给每个传感器一个修正系数。
GI0,Lexan,Lucite,和Teflon传感器的正则化系数分别为1,1.50,1.21和1.61。
这些正则化系数在另外一次试验中得到了验证，在这个试验中数据在保存前都乘以正则化系数了。
图5显示这个试验的结果。
（图片缺失）
Fig.5.-2kVappliedtoroundedprobewithapproximately3mmgapafternormalizationisapplied.Thesensors'responsevoltagesarenearlyidenticalafterthenormalizationisapplied.
图5.正则化后–2kV加到圆形探棒上，与传感器间有3mm间隙。
正则化后传感器的电压响应几乎相同。
AsshowninFig.5,thenormalizationfactorsgreatlyreducethevariancebetweenthefoursensors'peakvalues.Itshouldbenotedthatthegapdistanceisslightlygreaterthaninthefirstexperiment,ascanbeeasilyshownbytheresponsevoltagechangeintheGI0sensor.Minorgapchanges
causegreatdifferencesinthesensorresponsevoltages.
如图5所示，正则化系数大大地减少了四个传感器峰值的分散性。
值得注意的是这个间隙比前一个试验的略大一点，在可以GI0传感器的电压响应变化上很容易地看出。
间隙的微小变化会造成传感器电压响应的巨大变化。
B.ChargeNeutralization
Thisexperimentwasdesignedtotesttheneedtoneutralizethesurfacechargeontheinsulatorsaftereachwheelrevolution.JSCIAlunarsimulantwasusedineachtest[7].Itshouldbenotedthatpostprocessingwascompletedoneachofthedatasetsdisplayed.A6-pointmovingaveragewasusedtoimprovethesignal-to-noiseratioandthenormalizationfactorsdescribedinSensorNormalizationwereapplied.
B.电荷中和
本试验是为了检验绝缘层在轮每转一周后需要中和表面电荷而设计的。
每次试验都用了JSC1A月球模拟土层【7】。
值得注意的是每组数据都经过了后处理。
我们用6点移动平均法来改进信噪比并且在用到传感器正则化的地方我们都给出了正则化系数。
Inthefirstexperiment,thewheelwasrolledoverthesimulanttoalloweachinsulatortobetribocharged.Afterthe10-seconddataacquisitionperiodwascomplete,thecapacitorwasdischarged.Whiledischarging,a3MBenchtopAirIonizerwasusedtoneutralizethesurfacechargeoneachofthetribochargedinsulators.Thisprocesswasrepeatedseveraltimes.Fig.6showstheLucitesensorresponsefromthepreviouslydescribedexperiment.
在第一个试验中，轮滚过模拟土层让每个绝缘层摩擦带电。
10秒后数据采集周期完成，电容器放电。
在放电时，我们用3M公司的Benchtop空气离子发生器来中和每个传感器绝缘层因摩擦带的电荷。
这个过程重复了几次。
图6显示前面提到的试验中Lucite传感器的响应。
（图片缺失）
Fig.6.-LuciterolledonJSC1Alunarsimulant.Thesurfacechargewasneutralizedaftereachrun.Luciteseparatesfromtheregolithsimulantatapproximately3seconds.Theshapeandthemagnitudeofthesensorresponsevoltageisapproximatelythesameineachtrial.
图6.–Lucite在JSC1A模拟月球土层上滚过。
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