CN100523819C - 一种测量高速微粒速度和直径的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量高速微粒速度和直径的方法及装置。该方法包括步骤：(1)确定微粒的发出时刻和初始位置；(2)利用微粒撞击穿过位于第二位置的对电极板时产生的等离子体产生脉冲信号；(3)确定脉冲信号产生的时刻为微粒运动到达第二位置的时刻；(4)通过初始位置、第二位置、微粒发出时刻和到达第二位置的时刻来确定微粒的平均速度。(5)利用脉冲信号的幅度和相应微粒速度的大小推导出微粒的直径。该装置包括：直流电源和作为撞击靶的中间夹有绝缘膜的对电极板组成的回路；第一电阻串联在所述回路中，电压检测装置与第一电阻并联。本发明优点在于：在线测量、测量精度高、信噪比高、抗电磁干扰能力强、探测效率高、装置成本低。

Description

一种测量高速微粒速度和直径的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种测量高速微粒速度和直径的方法及装置。

背景技术

在涉及高速微粒的应用中，往往需要精确地测量高速微粒的速度，此处所说的高速是指速度为千米/秒(km/s)量级及该量级以上。

现有技术中，用于测量高速微粒速度的技术，比如公开号为CN2812008的专利“一种前向散射激光测速装置”中公开的技术，该技术中通过收集微粒高速飞过位于特定距离处的照明激光产生散射激光来测量微粒的达到时间，从而推算出微粒的速度。但是，该文献公开的技术存在的不足在于：散射激光的信号微弱，对信号处理的要求高，使得仪器组成相对复杂，从而使仪器的成本高、可靠性较差。压电测速是另外一种常使用的测量高速微粒速度的方法，该方法通过收集高速微粒撞击位于特定距离处的钢性物体时产生的冲击波信号得到微粒的到达时间，然后推算出微粒的速度，而微粒撞击到柔性物体或液体时就无法收集到冲击波信号，也就无法测量微粒的到达时间和推算微粒的速度。同时，微粒撞击压电材料产生的信号具有较长的振荡周期，从而使得压电测速很难分辨到达时间相离很近的撞击信号，分辨率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服压电测速技术中存在的分辨率较低以及无法测量高速微粒撞击到柔性或液体物质时的微粒速度和散射激光测速装置中仪器复杂、可靠性低、成本高的不足，提供一种简单易行，测量精度高，信噪比高，抗电磁干扰能力强，可靠性高的用于地面实验室和空间航天器测量高速微粒速度的装置，并且通过该装置能够在线测量和推导出微粒的直径大小。

为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种测量高速微粒速度的方法，包括如下步骤：

(1)确定微粒的发出时刻和初始位置；

(2)记录微粒撞击穿过位于第二位置的对电极板时产生的等离子体在信号检测装置中产生脉冲信号；

(3)确定脉冲信号产生的时刻为微粒运动到达第二位置的时刻；

(4)通过初始位置、第二位置、微粒发出时刻和到达第二位置的时刻来确定微粒的平均速度。

在上述技术方案中，进一步地，所述步骤(2)中的所述对电极板是由两片相对的金属膜构成。

在上述技术方案中，进一步地，两片相对的金属膜中间夹有一层绝缘膜。

一种测量高速微粒速度和直径的方法，包括如下步骤：

(1)确定微粒的发出时刻和初始位置；

(2)记录微粒撞击并穿过位于第二位置的对电极板时产生的等离子体在信号检测装置中产生脉冲信号；

(3)确定脉冲信号产生的时刻为微粒运动到达第二位置的时刻；

(4)通过初始位置、第二位置、微粒发出时刻和到达第二位置的时刻来确定微粒的平均速度。

(5)利用脉冲信号的幅度和相应微粒速度的大小得出微粒的直径。

在上述技术方案中，进一步地，所述步骤(2)中的所述对电极板是由中间夹有一层绝缘膜的两片相对金属膜构成。

一种利用上述方法的测量高速微粒速度和直径的装置，包括：一直流电源和一作为撞击靶的对电极板组成的回路；一电压检测装置与所述对电极板相串联。

一种利用上述方法测量高速微粒速度和直径的装置，包括：一直流电源和一作为撞击靶的中间夹有绝缘膜的对电极板组成的回路；一第一电阻串联在所述回路中，一电压检测装置与所述第一电阻并联。

在上述技术方案中，进一步地，还包括一用于分压的第二电阻串联在所述回路中。

在上述技术方案中，进一步地，所述电压检测装置是电压表或示波器。

一种利用上述方法的用于测量微粒速度和直径的装置，包括一直流电源、一电流检测装置和一作为撞击靶的中间夹有绝缘膜的两金属膜形成的对电极板组成的串联回路。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.对电极板，其极板很薄，等离子体导通的时间特别短，一般可以小于微秒，所以得到的时间信号的精度高，从而得到的速度测量的精度高；

2.能够实现在线测量，在应用的过程中，采用工艺上尽可能薄的对电极板，微粒撞击并穿过中间夹有绝缘摸的对电极板仅损失很小的能量，即微粒速度的测量对微粒速度的影响很小，或者进一步通过其它方法能够定量评估出微粒高速撞击并穿过对电极板的过程对微粒速度的影响，能够很好的满足高速微粒碰撞实验的要求；

3.本发明提取直流电路瞬时闭合/断开产生的大(mA量级甚至更高)电流/电压脉冲信号进行速度测量，信噪比高，抗电磁干扰能力强，有效探测面积可以做的尽可能大，探测效率高；

4.能够确定微粒的撞击能量，同时获取微粒的速度和直径。

5.本发明容易实施，工艺简单，可靠性高，成本低。

6.本发明适合地面实验应用，由于其结构和输出信号形式简单，可靠性高，尤其适合与空间航天器应用。

附图说明

图1是本发明进行高速微粒速度测量的原理示意图；

图2是本发明实施例1中的测量装置的电路图；

图3是本发明一实施例中的对电极板(在本实例中实际是一三明治结构的薄膜构成的中间夹有绝缘膜的对电极板，中间是一层绝缘的有机薄膜，两边是金属薄膜)的结构示意图；

图4是本发明一实施例中的对电极板及其支架示意图；

图5是本发明一实施例的电路图；

图6是本发明另一实施例的电路图；

图面说明：

1——对电极板                  2——电压检测装置    3——电源

4——电流检测装置              5——S₁点        6——靶点

7——金属膜                    8——绝缘膜          9——夹子

10——三明治结构的薄膜         11——螺丝           12——底座

13——螺孔                     14——第二电阻        15——第一电阻

16——示波器；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明是利用高速(速度为km/s量级以上)微粒(直径在几十～几百微米量级)撞击对电极板(即电容器)时产生的等离子体来瞬时导通电路，等离子体在很短时间内收集完，之后电路又成为断路状态，在这个过程中形成瞬时电流/电压脉冲；通过电压或电流脉冲，得到微粒到达特定距离的时间信号及该脉冲的幅度信号，再利用时间信号得到微粒速度，最后通过分析微粒的速度与信号检测装置上信号的幅度(电压检测装置或示波器上的电压信号的幅度或电流检测装置中的电流信号的幅度)推导出微粒的直径的高速微粒速度和直径的测量技术。

如图1所示，本发明所采用的速度测量的基本原理是飞行时间测量方法，通过测量微粒通过一段距离s的时间t，就可以得到微粒通过这段距离的平均速度 $v=\frac{s}{t}.$ 具体如图1所示：微粒在t₁时刻从S₁点5开始运动，t₂时刻运动到靶点6，运动的距离为S(在测量过程中S是一个已知的固定值)，所用的时间为t，其中t＝t₂-t₁；只要知道了微粒的运动距离S和与之对应的运动时间t就可以通过 $v=\frac{s}{t}$ 求得微粒的运动速度。微粒直径的推导原理如下：信号检测装置获得的信号的幅度同电路导通时回路中的电流的大小成正比(A∝I，A—信号检测系统获取的信号的幅度，I—回路中电流的大小)，而回路电流的大小和微粒撞击三明治结构的薄膜时产生的等离子体成正比，撞击过程中产生的等离子体与微粒的动能也有正比关系(I∝E，E—微粒的动能)，微粒的动能取决与微粒的速度和微粒的质量( $E=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2$ ，m—微粒的质量，v—微粒的速度)，而通过前面的分析微粒的速度已经推导出来了，微粒的质量是由微粒的密度和微粒的体积决定的( $m=\mathrm{\ρ\π}\frac{4}{3}{\left(\frac{d}{2}\right)}^3$ ，ρ—微粒的密度，d—微粒的直径)，微粒密度可以通过微粒的材料和组成来确定，这样就信号检测装置中获取的信号的幅度与微粒速度和微粒直径的关系如下：A∝v²d³，所以通过微粒的速度和信号检测装置获取的信号的幅度就可以推导出微粒的直径。通常微粒发出的时刻t₁和初始位置S₁点是已知的，因此需要准确确定的是微粒在S1点从t1时刻开始运动，到达位于特定距离处的S2点的时间t2以及该微粒撞击位于S2处的三明治结构的薄膜时在检测电路中产生的信号幅度的大小。

实施例1

用于测量微粒速度的方法，包括：(1)确定微粒的发出时刻和初始位置；(2)利用微粒撞击位于第二位置的中间夹有绝缘膜的对电极板表面产生等离子体；(3)通过在所述中间夹有绝缘膜的对电极板上加电压，并由极板收集等离子体来控制电路的导通和中断来确定产生等离子体的时刻，该时刻为微粒运动到达第二位置的时刻；(4)通过微粒的初始位置、第二位置、发出时刻和到达第二位置的时刻来确定微粒的平均速度。(5)通过信号检测装置中获取的信号的幅度(电压检测装置或示波器上的电压信号的幅度或电流检测装置中的电流信号的幅度)与微粒的速度推导出微粒的直径。

如图2所示，利用上述方法测量微粒速度的专用装置，包括：一直流电源3和一对电极板1组成的回路，此处的对电极板1为三明治结构的薄膜构成的中间夹有绝缘膜的对电极板，还包括第一电阻15串联在所述回路中，电压检测装置2与所述第一电阻15并联，还包括一用于分压的第二电阻14串联在所述回路中。所述电压检测装置2是示波器，上述部件均采用市场所售常规器件。

本实施例中的中间夹有绝缘体的电极板，其具体结构是如图3所示的三明治结构的薄膜，两边是金属膜7，两片金属膜7中间是一层绝缘膜8，其中两边的金属膜7的材料为铝膜，厚度为几微米～几十微米，金属膜7的直径为5cm；绝缘膜8的材料为有机膜，厚度为几微米～几十微米，绝缘膜8完全均匀充满两个金属膜7之间。当在金属膜7上加电压的时候，在两金属膜7之间就形成了一个电场，当高速微粒撞击到金属膜7上的时候就会产生等离子体，由于金属膜7上加了电压，处于断路状态的电路在等离子体产生的瞬间就会导通，等离子体在很短时间内收集完，之后电路又成为断路状态，在这个过程中形成瞬时电流/电压脉冲。

图4所示的三明治结构的薄膜的支架包括：圆环状的夹子9、底座12，通过圆环状的夹子9将图3所示三明治结构的薄膜固定后就形成了测量装置中的靶，相当于图1中的靶点6。从两个金属膜7上引出电极，三明治结构的薄膜10就构成了测量系统电路中的中间夹有绝缘膜的对电极板。

如图2所示，直流电源的电压为几十伏～几百伏，当没有微粒撞击三明治结构的薄膜时，电路是断开的，示波器上没有信号，当有高速微粒撞击三明治结构的薄膜时，在撞击区域将产生等离子体，等离子体在电场的作用下，将把整个电路导通，这时候示波器上将会有电压脉冲信号，通过这个电压脉冲信号就可以得到微粒到达三明治结构的薄膜的时间信号。其中，电源的电压选择必须合适，既要满足当微粒撞击并通过三明治结构的薄膜时电路能够导通，又要保证三明治结构的薄膜不会被击穿，其中第一电阻和第二电阻的选择必须合适，以保证电路中的电流不要过大从而导致器件的损坏，这些设置可以根据具体的应用条件进行调整，本领域技术人员是可以胜任的，其中第一电阻是一个分压电阻。

通过理论分析和实验研究，发现当高速微粒撞击本实例所采用的三明治结构的薄膜时产生的等离子体的导通时间很短(在微秒以内)，所以，本发明的应用于高速微粒速度和直径测量时，微粒到达时间的测量精度高，从而使得速度的测量精度高。

本发明利用高速微粒撞击物体表面时产生的等离子体，来导通原来处于断路状态的电路，并且等离子体在很短时间内被收集完，之后电路又断开，这样在回路中将形成一个脉宽很小的电流/电压脉冲信号，通过该脉冲信号得到微粒到达物体表面的时间信号，得到了时间信号，以及微粒在这段时间内运动的距离，利用飞行时间法就很容易推导出微粒的速度，通过速度和信号检测装置中相应的信号幅度还可以推导出微粒的直径。本实施例测量微粒直径范围为10um—1000um，微粒速度范围为5km/s—20km/s。

实施例2

在实施例1的情况下，如图5所示，实施方式还可以简化为仅包括一直流电源3和一中间夹有绝缘膜的对电极板1组成的回路，并且电压检测装置2与所述中间夹有绝缘膜的对电极板串联。其它同实施例1。在本实施例的情况下，当高速微粒撞击中间夹有绝缘膜的对电极板时，通过电压检测装置测量到电压的变化，没有微粒撞击到中间夹有绝缘膜的对电极板上时，电压检测装置上的电压为零，当有微粒撞击到中间夹有绝缘膜的对电极板上时，电压检测装置上的电压将升高。如果检测到电压升高，则可以确定电压升高的时刻就是微粒到达中间夹有绝缘膜的对电极板的时刻。当然，为了保护装置中的器件不受损坏，也可以在回路中串联限流电阻。

实际上，本实施例中上述电压检测装置2还可以与所述中间夹有绝缘膜的对电极板并联。这种情况下，当没有微粒撞击到中间夹有绝缘膜的对电极板上时，电压检测装置上的测得电压就是电源的断路电压，当有微粒撞击到膜上时，电压检测装置上的电压将下降。如果检测到电压下降，则可以确定电压下降的时刻就是微粒到达中间夹有绝缘膜的对电极板的时刻。

实施例3

本发明还可以有另外一种具体实施例，如图6所示，该实施例的微粒速度测量装置包括一直流电源3和一中间夹有绝缘膜的对电极板1组成的回路，并且包括一电流测量装置4与所述中间夹有绝缘膜的对电极板1串联在回路中。其他比如中间夹有绝缘膜的对电极板、支架等同实施例1。在本实施例的情况下，当高速微粒撞击中间夹有绝缘膜的对电极板时，通过电流测量装置直接测量回路中电流的变化来确定微粒到达中间夹有绝缘膜的对电极板的时间。没有微粒撞击中间夹有绝缘膜的对电极板时，电流测量装置检测到电路中没有电流，当有微粒撞击中间夹有绝缘膜的对电极板时，电流测量装置检测到电路中产生电流。电流测量装置检测到电路中产生电流的时刻可以认为是微粒撞击到中间夹有绝缘膜的对电极板的时刻。当然，为了保护装置中的器件不受损坏，也可以在回路中串联限流电阻。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种测量高速微粒速度的方法，包括如下步骤：

(1)确定微粒的发出时刻和初始位置；

(2)记录微粒撞击并穿过位于第二位置的对电极板时产生的等离子体在信号检测装置中产生的脉冲信号；

(3)确定脉冲信号产生的时刻为微粒运动到达第二位置的时刻；

(4)通过初始位置、第二位置、微粒发出时刻和到达第二位置的时刻来确定微粒的速度。

2、根据权利要求1所述测量高速微粒速度的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的所述对电极板是由两片相对的金属膜构成。

3、根据权利要求2所述测量高速微粒速度的方法，其特征在于，两片相对的金属膜中间夹有一层绝缘膜。

4、一种测量高速微粒速度和直径的方法，包括如下步骤：

(1)确定微粒的发出时刻和初始位置；

(2)记录微粒撞击穿过位于第二位置的对电极板时产生的等离子体在信号检测装置中产生的脉冲信号；

(3)确定脉冲信号产生的时刻为微粒运动到达第二位置的时刻；

(4)通过初始位置、第二位置、微粒发出时刻和到达第二位置的时刻来确定微粒的速度；

(5)通过脉冲信号的幅度和相应微粒速度的大小得出微粒的直径。

5、根据权利要求4所述测量高速微粒速度和直径的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的所述对电极板是由中间夹有一层绝缘膜的两片相对金属膜构成。

6、一种利用权利要求4所述方法的测量高速微粒速度和直径的装置，包括：

一直流电源和一作为撞击靶的对电极板组成的回路；

用一电压检测装置作为信号检测装置与所述对电极板相串联。

7、一种利用权利要求4所述方法的测量高速微粒速度和直径的装置，包括：

一直流电源和一作为撞击靶的中间夹有绝缘膜的对电极板组成的回路；

一第一电阻串联在所述回路中，用一电压检测装置作为信号检测装置与所述第一电阻并联。

8、根据权利要求7所述测量高速微粒速度和直径的装置，其特征在于，还包括一用于分压的第二电阻串联在所述回路中。

9、根据权利要求7所述测量高速微粒速度和直径的装置，其特征在于，所述电压检测装置是电压表或示波器。

10、一种利用权利要求4所述方法的用于测量高速微粒速度和直径的装置，包括一直流电源、一用作信号检测装置的电流检测装置和一作为撞击靶的中间夹有绝缘膜的两金属膜形成的对电极板组成的串联回路。

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