靜電成像檢測控制系統(tǒng)設計

1、引言

靜電探測是將目標周圍空間的電場作為探測源對目標進行探測的一種方法，靜電成像利用目標周圍靜電場對目標進行成像。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，靜電目標在一定距離范圍內呈現(xiàn)出目標的特征[1]，由于被動式靜電探測電極是全向性接收目標的電場信息，無法獲得目標的靜電圖像，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)，可將一定距離以內的帶電目標輪廓顯示出來[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，可在被探測目標的特定位置和方向構成一個靜電探測陣;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的灰度圖像，進行顯示或打印輸出。

2、靜電成像系統(tǒng)檢測模塊設計

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、目標尺寸以及目標距離等因素有關[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 檢測電路設計

靜電測試技術應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)探測目標帶電量變化緩慢的特點，設計了具有高頻開關的定頻開關掃描檢測電路。該電路利用定頻開關將探測電極與地反復導通，實現(xiàn)電極重復充放電。其檢測過程相當于使得探測電極的感應電量在定頻開關反復地打開和關閉期間不斷地累積和泄放，選擇適當?shù)拈_關頻率，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(wěn)定的比例關系。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(wěn)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。

定頻開關開通和關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是定頻開關打開的時間;U是電容C0達到穩(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)

在定頻開關閉合時，電容C0放電，因為定頻開關閉合時，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充電達到穩(wěn)態(tài)時的電壓 和帶電目標的電量成正比的關系，定頻開關的開關頻率選擇適當，帶電目標的帶電量即使發(fā)生緩慢的變化，電容 C0達到穩(wěn)態(tài)時的電壓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，從而能夠實現(xiàn)對帶電目標帶電量實時的測量。圖4為示波器顯示的檢測信號。