靜電成像檢測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)或移動的物體都必定會因?yàn)楦鞣N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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)靜電探測陣;檢測與控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)靜電場信號的檢測和整個(gè)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(diǎn)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(jì)

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(jì)

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(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(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(shí)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(shí)間。

由式(1)可以看出，直感式靜電計(jì)測試值Ub隨時(shí)間以指數(shù)規(guī)律衰減，時(shí)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(shí)時(shí)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(jī)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(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(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(tǒng)探測陣列由多個(gè)探測單元組成，采用機(jī)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)周期性變化的電壓。定頻開關(guān)打開時(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是定頻開關(guān)打開的時(shí)間;U是電容C0達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(shí)高阻跟隨器的輸入電壓與電容C0兩端電壓相同，即：

(3)

在定頻開關(guān)閉合時(shí)，電容C0放電，因?yàn)槎l開關(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(shí)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(shí)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(shí)時(shí)的測量。圖4為示波器顯示的檢測信號。