靜電成像檢測控制系統(tǒng)設(shè)計

1、引言

靜電探測是將目標(biāo)周圍空間的電場作為探測源對目標(biāo)進(jìn)行探測的一種方法，靜電成像利用目標(biāo)周圍靜電場對目標(biāo)進(jìn)行成像。任何使用發(fā)動機或移動的物體都必定會因為各種不同的帶電過程而帶上靜電，靜電目標(biāo)在一定距離范圍內(nèi)呈現(xiàn)出目標(biāo)的特征[1]，由于被動式靜電探測電極是全向性接收目標(biāo)的電場信息，無法獲得目標(biāo)的靜電圖像，為實現(xiàn)靜電成像，采用了具有屏蔽外筒的探測電極，使得探測具有一定的方向性，將多個具有屏蔽外筒的探測電極布設(shè)成陣列的形式，通過檢測系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)，可將一定距離以內(nèi)的帶電目標(biāo)輪廓顯示出來[2]。

靜電成像系統(tǒng)包括靜電探測陣列、檢測與控制系統(tǒng)及圖像處理模塊等三個部分，靜電探測陣列由活動支架和陣列板組成，可在被探測目標(biāo)的特定位置和方向構(gòu)成一個靜電探測陣;檢測與控制系統(tǒng)用于實現(xiàn)靜電場信號的檢測和整個靜電成像設(shè)備的控制。 圖像處理模塊完成將檢測陣列各點的信號組成目標(biāo)的灰度圖像，進(jìn)行顯示或打印輸出。

2、靜電成像系統(tǒng)檢測模塊設(shè)計

在靜電場中，普通靜電探測極板是全向接收的，由于采用了具有屏蔽外筒的探測電極，使得探測具有一定的方向性，探測電極的信號大小與探測電極屏蔽深度、探測陣元間距、目標(biāo)尺寸以及目標(biāo)距離等因素有關(guān)[3]。靜電成像系統(tǒng)檢測模塊用于檢測探測電極的信號。

2.1 檢測電路設(shè)計

靜電測試技術(shù)應(yīng)用中最常見的是靜電電位的測試，靜電電壓是帶電體表面某點的靜電電位和某個指定參考點電位之間的差值，通常取地為參考點。由于電位是與物體所帶電荷成正比的物理量，因此電位的高低就反映了物體所帶電荷量的多少。靜電成像系統(tǒng)采用非接觸測量，非接觸法又分為直感法、交流調(diào)制法和空氣電離法三類[4]。

直感法電路簡單，易于實現(xiàn)。其原理圖如圖1所示。圖中T是儀表的探頭，M是測試儀器等效輸入電路。

由于被測帶電體的電場作用，探頭上將產(chǎn)生感應(yīng)電位。若被測帶電體的對地電位為U，則探頭對地電位為

 (1)

式中，Cb為儀表輸入電容;Rb為儀表輸入電阻;Cw為儀表與被測帶電體之間的電容。t為放電時間。

由式(1)可以看出，直感式靜電計測試值Ub隨時間以指數(shù)規(guī)律衰減，時間常數(shù)為。為減小測試誤差，要求Rb或Cb充分大。但Cb增大將導(dǎo)致測試靈敏度降低，反而使測試發(fā)生困難，因而要求這種儀表有極高的輸入電阻，一般要求Rb在1012～1014Ω 量級。即使如此，也只能減緩衰減速度[5]。所以，對帶電量緩慢變化的帶電體不能做到實時監(jiān)控。因此該方法不適于被動式地面靜電探測系統(tǒng)。

交流調(diào)制法通常利用機械方式使探頭與被測帶電體之間產(chǎn)生一個交變電容分量，把感應(yīng)直流電壓轉(zhuǎn)換為含有交流分量的電壓信號，可以減小或克服儀器零點漂移以及被測量因儀器輸入電阻的存在而隨時間的衰減。由于靜電成像系統(tǒng)探測陣列由多個探測單元組成，采用機械振動的方法很難保證各探測單元的一致性。根據(jù)靜電成像系統(tǒng)探測目標(biāo)帶電量變化緩慢的特點，設(shè)計了具有高頻開關(guān)的定頻開關(guān)掃描檢測電路。該電路利用定頻開關(guān)將探測電極與地反復(fù)導(dǎo)通，實現(xiàn)電極重復(fù)充放電。其檢測過程相當(dāng)于使得探測電極的感應(yīng)電量在定頻開關(guān)反復(fù)地打開和關(guān)閉期間不斷地累積和泄放，選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率，可以使得檢測電路輸出電壓與探測電極的感應(yīng)電量保持相對穩(wěn)定的比例關(guān)系。電路原理圖如圖2所示。

圖2 信號檢測電路示意圖

圖2可等效為圖3所示的等效電路。其中帶電目標(biāo)體的電量等效為穩(wěn)流電源，帶電目標(biāo)體與探測電極等效為電容C0，高阻跟隨器的輸入電阻等效為R，信號調(diào)理電路的對地電容等效為C。

定頻開關(guān)開通和關(guān)斷的過程使輸入到高阻跟隨器的同相端的電壓為一個周期性變化的電壓。定頻開關(guān)打開時，探測電極充電，在高阻跟隨器的同相端的電壓是一個充電電壓

   (2)

式(2)中，t1是定頻開關(guān)打開的時間;U是電容C0達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的電位。

因電路中的穩(wěn)壓二極管反向偏置，穩(wěn)壓二極管不導(dǎo)通，此時高阻跟隨器的輸入電壓與電容C0兩端電壓相同，即：

   (3)

在定頻開關(guān)閉合時，電容C0放電，因為定頻開關(guān)閉合時，回路電阻為零，所以電容 C0上的電壓將瞬間放掉，而使電容C0上的電壓為零，即：

   (4)

式(4)中，T是定頻開關(guān)打開和閉合的周期。

從對等效電路的分析中可以看出，在定頻開關(guān)以一定的頻率打開和閉合的過程中，電容C0不斷的充電和放電，電容C0充電達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的電壓 和帶電目標(biāo)的電量成正比的關(guān)系，定頻開關(guān)的開關(guān)頻率選擇適當(dāng)，帶電目標(biāo)的帶電量即使發(fā)生緩慢的變化，電容 C0達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的電壓U也能反映帶電目標(biāo)電量的變化，而高阻跟隨器的同相輸入端的輸入電壓與電容C0兩端電壓相同，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對帶電目標(biāo)帶電量實時的測量。圖4為示波器顯示的檢測信號。

由于靜電探測系統(tǒng)的探測陣列由多個探測單元組成，為獲得好的成像效果，對各探測單元信號同步性要求較高。經(jīng)過軟件算法，對原始信號提取特征，得到探測單元的同步變化曲線，兩個探測單元的同步特性比較曲線如圖5所示。

經(jīng)實驗證明，兩個單元的測試同步性能良好，能夠快速反映目標(biāo)體的電壓變化。

2.2 濾波電路設(shè)計

經(jīng)高阻跟隨器放大后的靜電信號存在噪聲與干擾。為消除噪聲及干擾的影響，在跟隨信號后端增加了低通濾波電路，通頻帶寬為300Hz。電路芯片采用開關(guān)電容濾波芯片LTC1569-7，外圍電路簡單，僅需一個外置電阻REXT即可調(diào)節(jié)低通濾波帶寬[6]。

圖6中5腳選擇連接至V+，REXT=270kΩ，

3、靜電成像系統(tǒng)控制模塊設(shè)計

靜電成像系統(tǒng)控制模塊由中繼箱和PXI設(shè)備組成，中繼箱連接探測陣列和PXI設(shè)備，為探測陣列提供電源，對探測陣列的探頭進(jìn)行控制并接收和處理探測陣列的信號。中繼箱內(nèi)包含電源、電機驅(qū)動器、信號檢測電路及信號接口。電源用于為探測陣列和信號檢測提供電源;電機驅(qū)動器用于控制探測單元電極深度的調(diào)節(jié)。

靜電成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及探測單元的調(diào)整均由信號調(diào)理模塊和PXI系統(tǒng)處理，PXI系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和控制器組成。PXI設(shè)備為中繼箱提供控制信號，采集中繼箱轉(zhuǎn)接過來的靜電探測信號;信號調(diào)理模塊是測試系統(tǒng)的電氣樞紐，其主要功能一個是處理探測單元的信號，并為高速開關(guān)提供驅(qū)動方波。探測單元電路使用高速光耦開關(guān)切換，將探測極板反復(fù)接地，實現(xiàn)快速的充放電，實時的感應(yīng)電場強度;所有探測單元的信號經(jīng)過前置電路處理后，返回信號調(diào)理模塊，匯總后由多功能數(shù)據(jù)采集卡的AI通道采入計算機。二是控制探測單元的屏蔽深度。多功能數(shù)據(jù)卡的AO通道輸出頻率可變的脈沖信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊處理后，輸出至電機驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機工作;屏蔽深度的兩個極限位置信息由接近開關(guān)反饋給信號調(diào)理模塊，由邏輯電路處理判斷電機的工作狀態(tài)，當(dāng)判斷達(dá)到極限位置后，停止屏蔽深度調(diào)節(jié)。

運行于PXI控制計算機上的軟件對整個靜電成像試驗設(shè)備進(jìn)行控制并采集靜電信號。軟件功能包括參數(shù)設(shè)置、信號采集、數(shù)據(jù)處理、成像試驗、試驗數(shù)據(jù)查詢回放功能，分別用幾個界面來實現(xiàn)人機交互。軟件的總體流程如圖7所示。

靜電成像系統(tǒng)利用圖像處理模塊將檢測系統(tǒng)得到的信號轉(zhuǎn)換成圖像的形式輸出。圖像處理模塊為采集成像流程中的子模塊，是靜電成像的關(guān)鍵組成。其對同時采入計算機的多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行分段計算，最后合成為256級灰度圖像。

4、結(jié)論

被動式的靜電探測技術(shù)具有隱蔽性強，抗人工干擾能力強等優(yōu)勢，從而使其在軍事目標(biāo)探測和重要部門安防等方面具有較好的應(yīng)用前景[7]。利用目標(biāo)周圍靜電場對其進(jìn)行成像是一種全新的嘗試，由于對探測電極引入接地屏蔽外筒，使得原來全向接收電場信號的一般探測電極具有了一定的方向性。作者在實驗室中根據(jù)靜電成像原理，采用所設(shè)計的探測陣列、檢測及控制系統(tǒng)和圖象處理模塊組成的靜電成像系統(tǒng)對一塊 “十”字型帶電金屬板的進(jìn)行了成像實驗，實驗結(jié)果證明由該靜電成像系統(tǒng)可以對帶電目標(biāo)進(jìn)行成像。圖8為實驗室中利用靜電成像系統(tǒng)成像結(jié)果。

靜電成像技術(shù)的研究還處于起步階段，靜電信號的檢測手段是靜電成像技術(shù)的關(guān)鍵問題之一，對提高探測距離和成像效果有著非常重要的意義;此外探測電極設(shè)計以及陣列布設(shè)與具體被測目標(biāo)的關(guān)系等方面還需進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

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[4] 劉尚合,魏光輝,劉直承.靜電理論與防護(hù)[M].北京:兵器 工業(yè)出版社，1999.

[5] Guru B S, Hizirogl H R. 電磁場與電磁波[M]. 周克定, 張肅文, 董天臨等譯. 北京:機械工業(yè)出版社, 2000.

[6] 李銀林.被動式靜電引信探測技術(shù)及信息處理[D].北京:北京理工大學(xué)機電工程學(xué)院.2000.

[7] 陳曦.被動式地面靜電探測技術(shù)研究[D].北京:北京理工大學(xué)機電工程學(xué)院.2005.