靜電成像檢測控制系統設計

1、引言

靜電探測是將目標周?chē)臻g的電場(chǎng)作為探測源對目標進(jìn)行探測的一種方法，靜電成像利用目標周?chē)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/靜電">靜電場(chǎng)對目標進(jìn)行成像。任何使用發(fā)動(dòng)機或移動(dòng)的物體都必定會(huì )因為各種不同的帶電過(guò)程而帶上靜電，靜電目標在一定距離范圍內呈現出目標的特征[1]，由于被動(dòng)式靜電探測電極是全向性接收目標的電場(chǎng)信息，無(wú)法獲得目標的靜電圖像，為實(shí)現靜電成像，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(gè)具有屏蔽外筒的探測電極布設成陣列的形式，通過(guò)檢測系統和圖像處理系統，可將一定距離以?xún)鹊膸щ娔繕溯喞@示出來(lái)[2]。

靜電成像系統包括靜電探測陣列、檢測與控制系統及圖像處理模塊等三個(gè)部分，靜電探測陣列由活動(dòng)支架和陣列板組成，可在被探測目標的特定位置和方向構成一個(gè)靜電探測陣;檢測與控制系統用于實(shí)現靜電場(chǎng)信號的檢測和整個(gè)靜電成像設備的控制。 圖像處理模塊完成將檢測陣列各點(diǎn)的信號組成目標的灰度圖像，進(jìn)行顯示或打印輸出。

2、靜電成像系統檢測模塊設計

在靜電場(chǎng)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、目標尺寸以及目標距離等因素有關(guān)[3]。靜電成像系統檢測模塊用于檢測探測電極的信號。

2.1 檢測電路設計

靜電測試技術(shù)應用中最常見(jiàn)的是靜電電位的測試，靜電電壓是帶電體表面某點(diǎn)的靜電電位和某個(gè)指定參考點(diǎn)電位之間的差值，通常取地為參考點(diǎn)。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。靜電成像系統采用非接觸測量，非接觸法又分為直感法、交流調制法和空氣電離法三類(lèi)[4]。

直感法電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現。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(chǎng)作用，探頭上將產(chǎn)生感應電位。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(shí)間。

由式(1)可以看出，直感式靜電計測試值Ub隨時(shí)間以指數規律衰減，時(shí)間常數為。為減小測試誤差，要求Rb或Cb充分大。但Cb增大將導致測試靈敏度降低，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(shí)時(shí)監控。因此該方法不適于被動(dòng)式地面靜電探測系統。

交流調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(gè)交變電容分量，把感應直流電壓轉換為含有交流分量的電壓信號，可以減小或克服儀器零點(diǎn)漂移以及被測量因儀器輸入電阻的存在而隨時(shí)間的衰減。由于靜電成像系統探測陣列由多個(gè)探測單元組成，采用機械振動(dòng)的方法很難保證各探測單元的一致性。根據靜電成像系統探測目標帶電量變化緩慢的特點(diǎn)，設計了具有高頻開(kāi)關(guān)的定頻開(kāi)關(guān)掃描檢測電路。該電路利用定頻開(kāi)關(guān)將探測電極與地反復導通，實(shí)現電極重復充放電。其檢測過(guò)程相當于使得探測電極的感應電量在定頻開(kāi)關(guān)反復地打開(kāi)和關(guān)閉期間不斷地累積和泄放，選擇適當的開(kāi)關(guān)頻率，可以使得檢測電路輸出電壓與探測電極的感應電量保持相對穩定的比例關(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。其中帶電目標體的電量等效為穩流電源，帶電目標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，信號調理電路的對地電容等效為C。

定頻開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程使輸入到高阻跟隨器的同相端的電壓為一個(gè)周期性變化的電壓。定頻開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，探測電極充電，在高阻跟隨器的同相端的電壓是一個(gè)充電電壓

(2)

式(2)中，t1是定頻開(kāi)關(guān)打開(kāi)的時(shí)間;U是電容C0達到穩態(tài)時(shí)的電位。

因電路中的穩壓二極管反向偏置，穩壓二極管不導通，此時(shí)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(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電容C0放電，因為定頻開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，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(kāi)關(guān)打開(kāi)和閉合的周期。

從對等效電路的分析中可以看出，在定頻開(kāi)關(guān)以一定的頻率打開(kāi)和閉合的過(guò)程中，電容C0不斷的充電和放電，電容C0充電達到穩態(tài)時(shí)的電壓 和帶電目標的電量成正比的關(guān)系，定頻開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率選擇適當，帶電目標的帶電量即使發(fā)生緩慢的變化，電容 C0達到穩態(tài)時(shí)的電壓U也能反映帶電目標電量的變化，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，從而能夠實(shí)現對帶電目標帶電量實(shí)時(shí)的測量。圖4為示波器顯示的檢測信號。