适用于朗缪尔探针的多功能测量电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及磁约束等离子体诊断技术领域，尤其涉及一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路及其控制方法。

背景技术

等离子体是一种物质状态，一般呈现出准电中性，广泛存在于宇宙中。等离子体在科技领域中有许多重要应用，例如气体放电、等离子体刻蚀、等离子体镀膜和受控聚变等。磁约束等离子体装置是利用特殊形态的磁场把电准中性的等离子体约束在特定空间内，主要应用于磁约束聚变领域，包括托卡马克和仿星器等聚变装置。由于等离子体普遍存在于自然界中，其关键参数如密度和温度，跨越范围很广，需要发展等离子体诊断技术来测量等离子体的关键参数。

朗缪尔探针是一种简单有效的诊断方法，可以测量等离子体的电子温度、电子密度、离子饱和流和悬浮电位等。朗缪尔探针已广泛应用于世界上各大磁约束聚变装置和低温等离子体装置，是获得等离子体信息的通用诊断方式。通常情况下，朗缪尔探针多工作于悬浮电位、单探针、马赫探针和三探针等电路模式下。由于朗缪尔探针应用灵活，往往需要根据不同的测量需求设计不同种类的朗缪尔探针系统，并为之配备相应的测量电路系统，这样导致测量效率低下，且维护成本和时间较高。因此，为了提高测量电路系统的运行效率，并节省维护成本和时间，需要研究一种标准化的多功能测量电路，以满足上述多种电路模式需求。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路及其控制方法，能够根据探针数量和测量需求自动切换至对应的电路模式，有效提高了测量电路系统的运行效率，节省了维护成本和时间。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路，包括第一朗缪尔探针、第二朗缪尔探针、第一电压取样模块、第二电压取样模块、电流取样模块、扫描电源、稳压电源、多个继电器开关以及控制模块；其中，所述继电器开关至少包括第一继电器开关、第二继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关、第五继电器开关和第六继电器开关；

所述第一朗缪尔探针的输出端与所述第二继电器开关的第一端连接，所述第二继电器开关的第二端与所述第一电压取样模块的第一端连接，所述第一电压取样模块的第二端接地；所述第一继电器开关的第一端与所述第一电压取样模块的第一端连接，所述第一继电器开关的第二端与所述第一电压取样模块的第二端连接；所述第一电压取样模块的第二端还与所述第六继电器开关的第一端连接，所述第六继电器开关的第二端与所述第二电压取样电路的第一端连接，所述第二电压取样电路的第二端与所述第二朗缪尔探针的输出端连接；

所述第三继电器开关的第一端与所述第一电压取样模块的第一端连接，所述第三继电器开关的第二端与所述电流取样模块的第一端连接，所述电流取样模块的第二端分别与所述第四继电器开关的第一端和所述第五继电器开关的第一端连接；所述第四继电器开关的第二端与所述扫描电源的第一端连接，所述扫描电源的第二端与所述第二朗缪尔探针的输出端连接；所述第五继电器开关的第二端与所述稳压电源的第一端连接，所述稳压电源的第二端与所述第二朗缪尔探针的输出端连接；

所述控制模块与每一所述继电器开关连接，用于控制每一所述继电器开关的通断，以使所述电路能够切换至不同的电路模式。

作为上述方案的改进，所述电流取样模块包括电流取样单元和电流支路单元；

所述电流取样单元并联在所述电流支路单元的两端，且所述电流支路单元包括多条并联连接的电流支路。

作为上述方案的改进，所述电流支路包括取样电阻以及与所述取样电阻串联的继电器开关，其中，所述取样电阻为大功率低阻值的电阻。

作为上述方案的改进，每条所述电流支路中的取样电阻的阻值不同。

作为上述方案的改进，所述第一电压取样模块包括第一电阻以及与所述第一电阻串联的第二电阻；所述第二电阻的两端与同轴电缆的两根导线分别连接，用于测量所述第一朗缪尔探针的电压；其中，所述第一电阻的阻值与所述第二电阻的阻值不同。

作为上述方案的改进，所述第二电压取样模块包括第三电阻以及与所述第三电阻串联的第四电阻；所述第三电阻的两端与同轴电缆的两根导线分别连接，用于测量所述第二朗缪尔探针的电压；其中，所述第三电阻的阻值与所述第四电阻的阻值不同。

作为上述方案的改进，所述电流取样单元包括第五电阻以及与所述第五电阻串联的第六电阻；所述第五电阻的两端与同轴电缆的两根导线分别连接，用于测量流过朗缪尔探针的电流；其中，所述第五电阻的阻值与所述第六电阻的阻值不同。

作为上述方案的改进，所述电路还包括第一保护模块、第二保护模块和第三保护模块；

所述第一保护模块的第一端与所述第一朗缪尔探针的输出端连接，所述第一保护模块的第二端与所述第二继电器开关的第一端连接；

所述第二保护模块的第一端与所述第二朗缪尔探针的输出端连接，所述第二保护模块的第二端与所述第二电压取样模块的第二端连接；

所述第三保护模块的第一端与所述扫描电源的第二端或所述稳压电源的第二端连接，所述第三保护模块的第二端与所述第二保护模块的第二端连接。

作为上述方案的改进，所述继电器开关还包括第七继电器开关和第八继电器开关；

所述第七继电器开关的第一端与所述扫描电源的第二端连接，所述第七继电器开关的第二端与所述第二朗缪尔探针的输出端连接；

所述第八继电器开关的第一端与所述稳压电源的第二端连接，所述第八继电器开关的第二端与所述第二朗缪尔探针的输出端连接。

本发明实施例还提供了一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的控制方法，应用于上述任一项所述的适用于朗缪尔探针的多功能测量电路，包括：

控制模块控制继电器开关满足第一预设条件时，所述电路处于悬浮电位模式；其中，所述第一预设条件为：第二继电器开关处于闭合状态，第一继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关、第五继电器开关和第六继电器开关均处于断开状态；或，第六继电器开关处于闭合状态，第一继电器开关、第二继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关和第五继电器开关均处于断开状态；或，第二继电器开关和第六继电器开关均处于闭合状态，第一继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关和第五继电器开关均处于断开状态；

控制模块控制继电器开关满足第二预设条件时，所述电路处于单探针模式；其中，所述第二预设条件为：第一继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关和第六继电器开关均处于闭合状态，第二继电器开关和第五继电器开关均处于断开状态；

控制模块控制继电器开关满足第三预设条件时，所述电路处于马赫探针模式；其中，所述第三预设条件为：第一继电器开关、第三继电器开关、第五继电器开关和第六继电器开关均处于闭合状态，第二继电器开关和第四继电器开关均处于断开状态；

控制模块控制继电器开关满足第四预设条件时，所述电路处于三探针模式；其中，所述第四预设条件为：第二继电器开关、第三继电器开关、第五继电器开关和第六继电器开关均处于闭合状态，第一继电器开关和第四继电器开关均处于断开状态。

相对于现有技术，本发明实施例提供的一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路及其控制方法的有益效果在于：该电路包括第一朗缪尔探针、第二朗缪尔探针、第一电压取样模块、第二电压取样模块、电流取样模块、扫描电源、稳压电源、多个继电器开关以及控制模块；第一朗缪尔探针的输出端与第一电压取样模块的第一端连接，第一电压取样模块的第二端与第二电压取样电路的第一端连接，第二电压取样电路的第二端与第二朗缪尔探针的输出端连接；第一电压取样模块的第一端还与电流取样模块的第一端连接，电流取样模块的第二端与扫描电源或稳压电源连接；其中，每条支路上都连接有继电器开关，控制模块与每一继电器开关连接，用于控制每一继电器开关的通断，以使该电路能够切换至不同的电路模式。本发明实施例能够根据探针数量和测量需求自动切换至对应的电路模式，有效提高了测量电路系统的运行效率，节省了维护成本和时间。

附图说明

图1是本发明提供的一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的一个优选实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的另一个优选实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的一个优选实施例的电路原理图；

图4是本发明提供的一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的一个优选实施例中不同电路模式下继电器开关的状态示意图。

具体实施方式

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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，是本发明提供的一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的一个优选实施例的结构示意图。所述适用于朗缪尔探针的多功能测量电路，包括第一朗缪尔探针1、第二朗缪尔探针2、第一电压取样模块、第二电压取样模块、电流取样模块、扫描电源、稳压电源、多个继电器开关以及控制模块；其中，所述继电器开关至少包括第一继电器开关S

所述第一朗缪尔探针1的输出端与所述第二继电器开关S

所述第三继电器开关S

所述控制模块与每一所述继电器开关连接，用于控制每一所述继电器开关的通断，以使所述电路能够切换至不同的电路模式。

具体的，该多功能测量电路包括第一朗缪尔探针、第二朗缪尔探针、第一电压取样模块、第二电压取样模块、电流取样模块、扫描电源、稳压电源、多个继电器开关以及控制模块。第一朗缪尔探针的输出端与第一电压取样模块的第一端连接，第一电压取样模块的第二端与第二电压取样电路的第一端连接，第二电压取样电路的第二端与第二朗缪尔探针的输出端连接；第一电压取样模块的第一端还与电流取样模块的第一端连接，电流取样模块的第二端与扫描电源或稳压电源连接；其中，每条支路上都连接有继电器开关。控制模块与每一继电器开关连接，用于控制每一继电器开关的通断，以使该电路能够切换至不同的电路模式，具体的控制方法如下：

控制模块控制①第二继电器开关S

控制模块控制第一继电器开关S

控制模块控制第一继电器开关S

控制模块控制第二继电器开关S

可以理解的是，该多功能测量电路具有两个朗缪尔探针输入通道，可根据实际测量需求调整接入通道的数量，并选择对应的电路模式。该多功能电路具有多个输出参数，在每种电路模式下对应相应的物理量，可根据工作的电路模式调整输出接口。

示例性的，本实施例中的扫描电源为商用扫描电源，能实现较高频率的电压扫描，输出多种波形，可远程设置扫描电源的电压范围、扫描频率、波形和输出状态，扫描电源可工作于单探针模式。稳压电源为探针提供偏压，可采用低噪声的稳压电源，或采用大容量电容器，稳压电源可工作于马赫探针模式和三探针模式。朗缪尔探针一般采用石墨或金属等导体材料制成，能耐高温，探入等离子体中并获取局域的等离子体信息。继电器开关为高压直流继电器，能在高压条件下工作，均为常开开关，即未收到控制指令的情况下均处于断开状态。继电器开关均受控制模块的控制，通过设置多个继电器开关闭合和断开的状态组合，能够将电路切换至悬浮电位模式、单探针模式、马赫探针模式或三探针模式。控制模块的主要功能是根据测量需求实现对电路模式的切换，即对多个继电器开关状态的控制。控制模块的硬件主要是控制器，可采用NI和简仪等厂家生产的商用采集卡，也可采用数模转换器和控制器组建控制模块。控制程序通过控制模块硬件，可使得多功能测量电路分别运行于悬浮电位模式、单探针模式、马赫探针模式、或三探针模式。

需要说明的是，该多功能测量电路可集成到PCB电路板，适合于批量生产；也可通过焊接集成到环氧绝缘板和金属板等组成的电路盒内。在使用过程中，可根据实际测量需求，采用多张电路板协同工作，分别运行于适当的电路模式下，以获得所需测量的物理量。

本实施例提供的多功能测量电路具备了朗缪尔探针测量等离子体信息的主要功能，能够根据探针数量和测量需求通过控制模块远程控制切换至对应的电路模式，有效提高了探针测量电路系统的运行效率，节省了维护成本和时间。此外，该电路还具有信号质量可靠和噪声小的特点，适用于高时间分辨和高精度的物理测量。

参见图2所示，是本发明提供的一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的另一个优选实施例的结构示意图，在另一个优选实施例中，所述电流取样模块包括电流取样单元和电流支路单元；

所述电流取样单元并联在所述电流支路单元的两端，且所述电流支路单元包括多条并联连接的电流支路。

具体的，电流取样模块包括电流取样单元和电流支路单元。其中，电流取样单元并联在电流支路单元的两端，以测量通过电流的大小。由于通过电流变化范围较大，为了保证较高的测量信噪比并保护采集系统，本实施例中的电流支路单元包括多条并联连接的电流支路。

本实施例对于变化范围较大的测量参数，电路中设置有多种参数区间，可根据实际情况选择最优组合，优化测量参数量程，制成标准化电路模块。

作为优选方案，所述电流支路包括取样电阻R

具体的，每条电流支路包括取样电阻R

作为优选方案，每条所述电流支路中的取样电阻的阻值不同。

具体的，由于通过电流变化范围较大，为了保证较高的测量信噪比并保护采集系统，本实施例中的电流支路单元包括多条并联连接的电流支路，每条电流支路中的取样电阻的阻值不同，可根据实际测量需求选择最优的大功率低阻值电阻，并接通所在支路的继电器开关。例如，根据实际情况选择最优的大功率电阻R

参见图3所示，是本发明提供的一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的一个优选实施例的电路原理图，进一步的，所述第一电压取样模块包括第一电阻R

具体的，第一电压取样模块包括第一电阻R

进一步的，所述第二电压取样模块包括第三电阻R

具体的，第二电压取样模块包括第三电阻R

进一步的，所述电流取样单元包括第五电阻R

具体的，电流取样单元包括第五电阻R

进一步的，所述电路还包括第一保护模块F

所述第一保护模块F

所述第二保护模块F

所述第三保护模块F

具体的，该多功能测量电路还包括第一保护模块、第二保护模块和第三保护模块。其中，第一保护模块的第一端与第一朗缪尔探针的输出端连接，第一保护模块的第二端与第二继电器开关的第一端连接。第二保护模块的第一端与第二朗缪尔探针的输出端连接，第二保护模块的第二端与所述第二电压取样模块的第二端连接。第三保护模块的第一端与所述扫描电源的第二端或稳压电源的第二端连接，所述第三保护模块的第二端与所述第二保护模块的第二端连接。

示例性的，本实施例中的保护模块可采用玻璃保险丝、陶瓷保险丝或自恢复保险丝，用于保护电路元件和采集系统。

进一步的，所述继电器开关还包括第七继电器开关S

所述第七继电器开关S

所述第八继电器开关S

具体的，继电器开关还包括第七继电器开关和第八继电器开关。其中，第七继电器开关的第一端与扫描电源的第二端连接，第七继电器开关的第二端与第二朗缪尔探针的输出端连接。本实施例在扫描电源的两端分别串联一个继电器开关，以便于对扫描电源进行更换时，切断扫描电源两端的连接。第八继电器开关的第一端与稳压电源的第二端连接，第八继电器开关的第二端与第二朗缪尔探针的输出端连接，以便于对稳压电源进行更换。本实施例在稳压电源的两端分别串联一个继电器开关，以便于对稳压电源进行更换时，切断稳压电源两端的连接。

参见图4所示，是本发明提供的一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的一个优选实施例中不同电路模式下继电器开关的状态示意图。

本实施例中悬浮电位模式有三种，第一种为悬浮电位1：输入探针为第一朗缪尔探针1，输出信号为第一朗缪尔探针1的电压V

单探针模式，输入探针数量为一根，即第二朗缪尔探针2，通过扫描电源扫描施加在第二朗缪尔探针2上的偏压，输出信号V

马赫探针模式，输入探针数量为一根，即第二朗缪尔探针2，通过稳压电源施加稳定偏压获得饱和离子流，输出信号为第二朗缪尔探针2的电压V

三探针模式，输入探针数量为两根，即第一朗缪尔探针1和第二朗缪尔探针2，通过稳压电源对两根探针施加偏压，输出信号为第一朗缪尔探针1的电压V

相应地，本发明还提供一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的控制方法，应用于上述任一项所述的适用于朗缪尔探针的多功能测量电路。所述适用于朗缪尔探针的多功能测量电路的控制方法，包括：

控制模块控制继电器开关满足第一预设条件时，所述电路处于悬浮电位模式；其中，所述第一预设条件为：第二继电器开关处于闭合状态，第一继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关、第五继电器开关和第六继电器开关均处于断开状态；或，第六继电器开关处于闭合状态，第一继电器开关、第二继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关和第五继电器开关均处于断开状态；或，第二继电器开关和第六继电器开关均处于闭合状态，第一继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关和第五继电器开关均处于断开状态；

控制模块控制继电器开关满足第二预设条件时，所述电路处于单探针模式；其中，所述第二预设条件为：第一继电器开关、第三继电器开关、第四继电器开关和第六继电器开关均处于闭合状态，第二继电器开关和第五继电器开关均处于断开状态；

控制模块控制继电器开关满足第三预设条件时，所述电路处于马赫探针模式；其中，所述第三预设条件为：第一继电器开关、第三继电器开关、第五继电器开关和第六继电器开关均处于闭合状态，第二继电器开关和第四继电器开关均处于断开状态；

控制模块控制继电器开关满足第四预设条件时，所述电路处于三探针模式；其中，所述第四预设条件为：第二继电器开关、第三继电器开关、第五继电器开关和第六继电器开关均处于闭合状态，第一继电器开关和第四继电器开关均处于断开状态。

具体的，控制模块控制①第二继电器开关S

控制模块控制第一继电器开关S

控制模块控制第一继电器开关S

控制模块控制第二继电器开关S

可以理解的是，该多功能测量电路具有两个朗缪尔探针输入通道，可根据实际测量需求调整接入通道的数量，并选择对应的电路模式。该多功能电路具有多个输出参数，在每种电路模式下对应相应的物理量，可根据工作的电路模式调整输出接口。

本发明实施例提供了一种适用于朗缪尔探针的多功能测量电路及其控制方法，该电路包括第一朗缪尔探针、第二朗缪尔探针、第一电压取样模块、第二电压取样模块、电流取样模块、扫描电源、稳压电源、多个继电器开关以及控制模块；第一朗缪尔探针的输出端与第一电压取样模块的第一端连接，第一电压取样模块的第二端与第二电压取样电路的第一端连接，第二电压取样电路的第二端与第二朗缪尔探针的输出端连接；第一电压取样模块的第一端还与电流取样模块的第一端连接，电流取样模块的第二端与扫描电源或稳压电源连接；其中，每条支路上都连接有继电器开关，控制模块与每一继电器开关连接，用于控制每一继电器开关的通断，以使该电路能够切换至不同的电路模式。本发明实施例能够根据探针数量和测量需求自动切换至对应的电路模式，有效提高了测量电路系统的运行效率，节省了维护成本和时间。

需说明的是，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的系统实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。