SPERF装置的真空同步性测量系统、方法及控制方法

sperf装置的真空同步性测量系统、方法及控制方法
技术领域
1.本发明属于空间等离子体环境模拟技术领域。


背景技术：

2.sperf装置(空间等离子体环境模拟与研究装置)中近地空间等离子体环境模拟舱的工作模式是准备好、触发的猝发模式，要求有效实验时间小于等于100ms，并且对各子设备的同步性要求也很高。真空罐内工质气体真空压力是等离子体实验的重要参数，事关实验的成败，所以就需要专门的设备来调整真空罐内工质气体真空压力。真空控制系统是近地空间等离子体环境模拟舱的重要组成部分，能够为近地空间等离子体环境模拟舱提供实验所需要的真空工作环境。
3.如图1所示，现有sperf装置的真空罐上安装了三个真空规(冷规)，均用来测量真空罐内壁侧的压力。真空控制系统通过rs485通讯方式从三个冷规中读取真空值，扫描周期为500ms。同时真空控制系统还通过dp通讯方式控制真空获取设备抽取真空罐内气体，以维持真空罐保持真空状态。充气系统由驱动器和8个压电陶瓷阀组成，充气系统用于向真空罐内充入工质气体(氢气h2)。其中驱动器通过同轴线向压电陶瓷阀供电，以控制压电陶瓷阀开关。定时同步系统通过触发光纤来触发驱动器，进而控制压电陶瓷阀的开启时间和关闭时间。定时同步系统、真空控制系统、充气系统驱动器分别以tcp/ip通讯、opc通讯、rs422通讯的方式与中央控制系统进行数据交互，接收中央控制系统的集中控制，数据交互周期为1s。
4.在sperf装置进行实验的过程中，为保证工质气体的浓度和压力，真空罐内压力控制采用边抽边充的模式，即：真空控制系统控制真空获取设备抽取真空罐内气体，将漏入的空气持续抽走，当真空罐内压力降至1e-4pa，充气系统则向真空罐内充入工质气体，来维持工质气体短时间内的浓度和压力。并且实验过程中要求在真空压力在9.9e-2pa至1e-2pa期间，当真空环境达标后，开启实验，且实验持续时间不大于100ms。
5.充气系统由定时同步系统触发，与近地空间等离子体环境模拟舱的其他设备保持高同步性工作(时间偏差小于1us级)。但是充气系统数据和真空规测量数据要在中央控制系统汇总，且数据汇总周期为1s，因此充气系统数据和真空规测量数据的同步性大于1s，无法准确测量到充气开始到真空满足条件时的时间延迟，不满足实验需求。


技术实现要素：

6.本发明是为了解决现有sperf装置实验时，无法准确测量到充气开始到真空满足条件时的时间延迟，不满足实验需求的问题，现提供sperf装置的真空同步性测量系统、方法及控制方法。
7.sperf装置的真空同步性测量方法，具体为：
8.在sperf装置的定时同步系统接出一路与触发光纤的触发时间和脉宽均相同的参考光纤，所述触发光纤为所述定时同步系统向sperf装置的充气系统输出触发信号的光纤；
9.通过所述参考光纤采集触发信号上升沿的时刻t0；
10.采集sperf装置进行第j次实验时第i个真空规采集到的模拟量电压信号，并记录该模拟量电压信号达到实验压力p0的时刻t
ij
，i＝1,2,...,i，i为sperf装置中真空规的数量，j≥5；
11.计算t0与t
ij
之间的时间间隔δt
ij
，以及两两时间间隔之差的绝对值；
12.选取最大绝对值作为触发信号上升沿至真空规测量值达到实验压力p0的时间抖动t。
13.sperf装置的真空同步性测量系统，所述真空同步性测量系统包括：采集单元、计时单元、计算单元和测量单元，
14.sperf装置的定时同步系统接有一路与触发光纤的触发时间和脉宽均相同的参考光纤，所述参考光纤与所述采集单元的触发信号输入端相连，使得所述采集单元能够与sperf装置的充气系统同时接收到触发信号，所述触发光纤为所述定时同步系统向sperf装置的充气系统输出触发信号的光纤；
15.sperf装置中真空规的模拟量电压信号输出端连接采集单元的模拟量电压信号输入端；
16.所述计时单元用于记录采集单元接收到触发信号上升沿的时刻t0，以及sperf装置进行第j次实验时第i个真空规采集到的模拟量电压信号达到实验压力p0的时刻t
ij
，i＝1,2,...,i，i为sperf装置中真空规的数量，j≥5；
17.所述计算单元用于计算t0与t
ij
之间的时间间隔δt
ij
，以及两两时间间隔之差的绝对值，
18.所述测量单元用于选取最大绝对值作为触发信号上升沿至真空规测量值达到实验压力p0的时间抖动t。
19.sperf装置的控制方法，具体为：
20.采用上述sperf装置的真空同步性测量方法测得时间抖动t；
21.通过调整sperf装置中驱动器的阈值电压控制压电陶瓷阀的开启阀位，直至δt
ba
＞t+t，其中δt
ba
为sperf装置的真空罐在充气过程中真空压力测量值从80％p0升至p0的时间间隔，t为sperf装置中真空规的测量反应时间，p0为实验压力；
22.通过调整触发信号的脉宽来调整压电陶瓷阀的脉宽，直至真空压力测量峰值达到p0，
23.通过sperf装置的真空控制系统调整真空获取设备的抽气速率，直至δt
ac
＞t+t，其中δt
ac
为sperf装置的真空罐在充气结束后真空压力测量值从p0降至80％p0的时间间隔。
24.进一步的，上述实验压力p0在9.9e-7pa至1e-2pa之间。
25.进一步的，上述sperf装置中真空规的模拟量电压信号的电压范围为0v～10v。
26.进一步的，上述参考光纤通过光电转换器与所述采集单元相连。
27.进一步的，上述t＝50ms。本发明具有以下效果：本发明可以测量充气系统与真空规测量值的高同步性，以及提供满足实验需求的真空工作环境。
28.本发明提出了适用于sperf装置的真空同步性测量系统、方法及控制方法，能够测量充气系统与真空规测量值的高同步性，根据充气系统和真空规特性给出了满足实验需求
的真空曲线要求，以及提供满足实验需求的真空压力和真空曲线的控制方法。
附图说明
29.图1为现有sperf装置中充气系统与真空控制系统的工作示意图；
30.图2为本发明所述sperf装置的真空同步性测量系统的结构示意图；
31.图3为实验压力需求示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.具体实施方式一：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的sperf装置的真空同步性测量方法，具体如下：
34.在sperf装置的定时同步系统接出一路与触发光纤的触发时间和脉宽均相同的参考光纤，所述触发光纤为所述定时同步系统向sperf装置的充气系统输出触发信号的光纤。
35.通过所述参考光纤采集触发信号上升沿的时刻t0。
36.采集sperf装置进行第j次实验时第i个真空规采集到的模拟量电压信号，并记录该模拟量电压信号达到实验压力p0的时刻t
ij
，i＝1,2,3，j≥5。
37.计算t0与t
ij
之间的时间间隔δt
ij
，并计算δt
ij
与其余的(3j-1)个时间间隔的差值绝对值。
38.选取最大绝对值作为触发信号上升沿至真空规测量值达到实验压力p0的时间抖动t。
39.其中，实验压力p0在9.9e-7pa至1e-2pa之间，sperf装置中真空规的模拟量电压信号的电压范围为0v～10v。
40.具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的sperf装置的真空同步性测量系统，真空同步性测量系统包括：采集单元、计时单元、计算单元和测量单元。采集单元的采样率为1m/s，采样通道为12个，输入电压范围为0v～100v。
41.本实施方式中，sperf装置的三个真空规具备模拟量输出端口，能够将模拟量电压信号接入采集单元的模拟量电压信号输入端。真空规通过模拟量输出的方式，能够实现真空规测量值至采集系统无延迟。
42.sperf装置的定时同步系统接有一路与触发光纤的触发时间和脉宽均相同的参考光纤，所述参考光纤通过光电转换器与所述采集单元的触发信号输入端相连，使得所述采集单元能够与sperf装置的充气系统同时接收到触发信号。驱动器输出电压控制压电陶瓷阀开关，向真空罐内充入工质气体，所述触发光纤为所述定时同步系统向sperf装置的充气系统输出触发信号的光纤。
43.所述计时单元用于记录采集单元接收到触发信号上升沿的时刻t0，以及sperf装置进行第j次实验时第i个真空规采集到的模拟量电压信号达到实验压力p0的时刻t
ij
，i＝
1,2,3，j≥5。
44.所述计算单元用于计算t0与t
ij
之间的时间间隔δt
ij
，并计算δt
ij
与其余的(3j-1)个时间间隔的差值绝对值。
45.所述测量单元用于选取最大绝对值作为触发信号上升沿至真空规测量值达到实验压力p0的时间抖动t。
46.其中，实验压力p0在9.9e-7pa至1e-2pa之间，sperf装置中真空规的模拟量电压信号的电压范围为0v～10v。
47.具体实施方式三：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的sperf装置的控制方法，考虑到真空规的测量反应时间t＝50ms，精度范围为20％，因此满足实验需求真空压力的真空曲线如图3所示，定时同步系统在d点时刻开始充气，在e点时刻结束充气；a点是真空压力测量峰值p0(实验压力)；充气过程中，真空压力测量值在b点时刻达到80％p0；充气结束后，真空压力测量值在c点时刻达到80％p0。
48.采用上述具体实施方式一所述sperf装置的真空同步性测量方法测得时间抖动t。
49.通过调整sperf装置中驱动器的阈值电压控制压电陶瓷阀的开启阀位，直至δt
ba
＞t+t，其中δt
ba
为sperf装置的真空罐在充气过程中真空压力测量值从80％p0升至p0的时间间隔，t为sperf装置中真空规的测量反应时间。
50.通过调整触发信号的脉宽来调整压电陶瓷阀的脉宽，直至真空压力测量峰值达到p0。
51.通过sperf装置的真空控制系统调整真空获取设备的抽气速率，直至δt
ac
＞t+t，其中δt
ac
为sperf装置的真空罐在充气结束后真空压力测量值从p0降至80％p0的时间间隔。
52.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

技术特征：
1.sperf装置的真空同步性测量方法，其特征在于，在sperf装置的定时同步系统接出一路与触发光纤的触发时间和脉宽均相同的参考光纤，所述触发光纤为所述定时同步系统向sperf装置的充气系统输出触发信号的光纤；通过所述参考光纤采集触发信号上升沿的时刻t0；采集sperf装置进行第j次实验时第i个真空规采集到的模拟量电压信号，并记录该模拟量电压信号达到实验压力p0的时刻t
ij
，i＝1,2,...,i，i为sperf装置中真空规的数量，j≥5；计算t0与t
ij
之间的时间间隔δt
ij
，以及两两时间间隔之差的绝对值；选取最大绝对值作为触发信号上升沿至真空规测量值达到实验压力p0的时间抖动t。2.根据权利要求1所述的sperf装置的真空同步性测量方法，其特征在于，所述实验压力p0在9.9e-7pa至1e-2pa之间。3.根据权利要求1或2所述的sperf装置的真空同步性测量方法，其特征在于，sperf装置中真空规的模拟量电压信号的电压范围为0v～10v。4.sperf装置的真空同步性测量系统，其特征在于，所述真空同步性测量系统包括：采集单元、计时单元、计算单元和测量单元，sperf装置的定时同步系统接有一路与触发光纤的触发时间和脉宽均相同的参考光纤，所述参考光纤与所述采集单元的触发信号输入端相连，使得所述采集单元能够与sperf装置的充气系统同时接收到触发信号，所述触发光纤为所述定时同步系统向sperf装置的充气系统输出触发信号的光纤；sperf装置中真空规的模拟量电压信号输出端连接采集单元的模拟量电压信号输入端；所述计时单元用于记录采集单元接收到触发信号上升沿的时刻t0，以及sperf装置进行第j次实验时第i个真空规采集到的模拟量电压信号达到实验压力p0的时刻t
ij
，i＝1,2,...,i，i为sperf装置中真空规的数量，j≥5；所述计算单元用于计算t0与t
ij
之间的时间间隔δt
ij
，以及两两时间间隔之差的绝对值，所述测量单元用于选取最大绝对值作为触发信号上升沿至真空规测量值达到实验压力p0的时间抖动t。5.根据权利要求4所述的sperf装置的真空同步性测量系统，其特征在于，所述实验压力p0在9.9e-7pa至1e-2pa之间。6.根据权利要求4所述的sperf装置的真空同步性测量系统，其特征在于，sperf装置中真空规的模拟量电压信号的电压范围为0v～10v。7.根据权利要求4、5或6所述的sperf装置的真空同步性测量系统，其特征在于，所述参考光纤通过光电转换器与所述采集单元相连。8.sperf装置的控制方法，其特征在于，采用上述1至3任一权利要求所述sperf装置的真空同步性测量方法测得时间抖动t；通过调整sperf装置中驱动器的阈值电压控制压电陶瓷阀的开启阀位，直至δt
ba
＞t+t，其中δt
ba
为sperf装置的真空罐在充气过程中真空压力测量值从80％p0升至p0的时间间隔，t为sperf装置中真空规的测量反应时间，p0为实验压力；
通过调整触发信号的脉宽来调整压电陶瓷阀的脉宽，直至真空压力测量峰值达到p0，通过sperf装置的真空控制系统调整真空获取设备的抽气速率，直至δt
ac
＞t+t，其中δt
ac
为sperf装置的真空罐在充气结束后真空压力测量值从p0降至80％p0的时间间隔。9.根据权利要求8所述的sperf装置的控制方法，其特征在于，t＝50ms。10.根据权利要求8或9所述的sperf装置的控制方法，其特征在于，所述实验压力p0在9.9e-7pa至1e-2pa之间。

技术总结
SPERF装置的真空同步性测量系统、方法及控制方法，涉及空间等离子体环境模拟技术领域。本发明是为了解决现有SPERF装置实验时，无法准确测量到充气开始到真空满足条件时的时间延迟，不满足实验需求的问题。本发明提出了适用于SPERF装置的真空同步性测量系统、方法及控制方法，能够测量充气系统与真空规测量值的高同步性，根据充气系统和真空规特性给出了满足实验需求的真空曲线要求，以及提供满足实验需求的真空压力和真空曲线的控制方法。验需求的真空压力和真空曲线的控制方法。验需求的真空压力和真空曲线的控制方法。


技术研发人员：程江南 杨济华 金成刚 刘长雁 万杰 鄂鹏
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/8/16