一种静电测向系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测向系统，具体涉及一种静电测向系统。
【背景技术】
[0002]目标运动中产生的静电场是一种可以利用的信息源，任何使用发动机或移动的物体都必定会因为各种不同的带电过程而带上静电，静电探测是通过感应目标物体与探测单元之间的静电场而获得目标物体静电信息的一种探测体制。静电探测的理论基础是静电场原理，利用感应电极和带电体运动时距离变化引起感应电场变化，通过检测电路获取信号，从而获得运动带电体的信息。静电探测技术由于其采用被动式的探测方式，具有结构简单、方便灵活等优势，可应用于医疗检测、安保系统、人机交互以及运动训练等方面。由于静电探测系统成本低，可大量安装在如医院等需要进行监护的场所，对被监护者的运动状况进行跟踪检测。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种静电测向系统，具有高输入阻抗、高灵敏度、实时性好、延时短、可靠性尚等优点。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种静电测向系统，包括静电传感器、信号调理电路、A/D转换器、FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块，所述静电传感器通过感应获得静电目标信号，所述静电目标信号进过信号调理电路，达到A/D转换器的输入电平要求，再经由A/D转换器将其转换为数字信号，所述数字信号经过FIR数字滤波器滤除高频噪声，然后由算法实现模块进行计算得到结果，最终由串口传输模块将结果输出；所述FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块由一片FPGA芯片实现，所述FPGA芯片上还连接有晶振和EPR0M。
[0005]所述静电传感器包括静电探测电极和静电传感器检测电路。所述的静电传感器检测电路包括第一级放大电路、第二级放大电路和陷波器；信号首先由第一级放大电路和第二级放大电路放大后，然后再经陷波器进行滤波。所述第一级放大电路采用场效应管作为放大电路。所述第二级放大电路采用三极管放大电路。
[0006]所述静电测向系统还包括静电传感器标定系统，所述静电传感器标定系统包括可调稳压电源、电阻分压网络和平行板电容箱，所述平行板电容箱由2块平行的上下金属极板构成，极板间采用绝缘支架支撑，所述上极板是完整的平面，下极板在中心开孔，标定时将静电探测电极放置在孔上，紧贴下极板，所述电阻分压网络围绕在平板电容箱四周，所述可调稳压电源加载在2块金属极板上。所述绝缘支架的材料的聚四氟乙烯。
[0007]本发明的静电测向系统，针对静电信号的特点，要求静电信号检测电路具有高输入阻抗和高灵敏度，采用了基于场效应管的第I级放大电路和基于运算放大器的第2级放大电路设计结构；由于采用探测电极阵列实现测向，各路电极输出一致性对测向精度影响较大，设计了静电传感器标定系统保证静电探测阵列各路一致性；在信号处理电路的设计中采用FPGA器件作为时序控制和信号处理的处理器，将使系统电路设计更加简洁、可靠、灵活，特别是其可重复编程的特点，将可以有效地缩短开发周期，并降低开发成本。
【附图说明】
[0008]图1为静电场矢量探测法示意图；
[0009]图2为静电传感器框图；
[0010]图3为滤波电路原理图；
[0011 ]图4为标定原理示意图；
[0012]图5为标定系统组成图；
[0013]图6为静电测向系统组成框图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合实施例对本发明的内容作进一步叙述。
[0015]一种静电测向系统，包括静电传感器、信号调理电路、A/D转换器、FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块，所述静电传感器通过感应获得静电目标信号，所述静电目标信号进过信号调理电路，达到A/D转换器的输入电平要求，再经由A/D转换器将其转换为数字信号，所述数字信号经过FIR数字滤波器滤除高频噪声，然后由算法实现模块进行计算得到结果，最终由串口传输模块将结果输出；所述FIR数字滤波器、算法实现模块和串口传输模块由一片FPGA芯片实现，所述FPGA芯片上还连接有晶振和EPR0M。
[0016]本系统采用的测向原理是静电场矢量探测法。4块静电感应电极正交敷设，如图1所示，电极A、B位于X轴，对称于坐标原点；电极C、D位于J轴，对称于坐标原点。这两对极板的连线正交，每对极板间距为口。在OXYZ空间有一点电荷Q，其携带电量为q，距坐标原点的距离为R。在原点附近足够小的范围内，可以认为由该点电荷形成的静电场层为匀强场，其在XOY平面的投影与X轴正向的夹角为Θ，该角度即为目标的方位角。由于静电场的作用，此电场在极板对AB、⑶上产生电势差UAB、Ucd,根据几何关系，可得:
[0017]Uab= [q/(4 π ε O ε rR2) ] *a*sin β *cos Θ
[0018]Ucd= [ ( — q) / (4 it ε 0 ε rR2) ] *a*sin β *sin Θ
[0019]式中:ε。是真空介电常数，ε ^为点电荷周围介质的相对介电常数。如果测得UAB、Um，则可求出区域内的静电场强度，进而得到区域内静电目标的方位角Θ。
[0020]Θ = arccos [UAB/(UAB2+UCD2)]
[0021]在本系统中，利用4个静电传感器组成探测阵列，可实现对带电运动目标方向的识别。静电传感器由探测电极连接检测电路组成，利用4个静电传感器接收到的静电信号的差别，可实时计算目标的方位角。由于该测向算法利用4路传感器输出幅值进行计算，因此对静电传感器输出信号的幅值一致性和相位一致性要求较高。
[0022]所述静电传感器包括静电探测电极和静电传感器检测电路。所述的静电传感器检测电路包括第一级放大电路、第二级放大电路和陷波器；信号首先由第一级放大电路和第二级放大电路放大后，然后再经陷波器进行滤波。所述第一级放大电路采用场效应管作为放大电路。所述第二级放大电路采用三极管放大电路。
[0023]在静电测向系统中，静电传感器尤为重要。静电传感器主要包括静电探测电极和静电传感器检测电路2部分。探测电极的功能是感知目标周围空间的静电场变化而产生的微弱电流，而静电传感器检测电路的功能是对采样电压进行放大，后端的滤波电路对电压信号进滤波，提高信噪比。静电传感器检测电路的系统框图如图2所示。
[0024]由于静电探测电极上感应到的电流是极微弱的(通常为10 12A级别)，因此要求电极的基材具有良好的绝缘性，同时要求电极在外界环境变化时可以保持性能的稳定，以避免感应电流受到影响。在本系统中采用静电传感器检测电路，为实现高精度测向指标，要求静电传感器电路具有高灵敏度，以满足对探测电极感应到的微弱电流的获取；为了减小电路的输入电阻对采样电阻的影响，要求其具有大输入电阻。此外，基于多路传感器的测向算法对静电传感器性能的一致性提出了很高的要求。静电传感器检测电路采用采样电阻及多级电压放大电路结构。该电路首先通过采样电阻对微弱电流采样，在采样电阻上输出采样电压，放大电路对采样电压进行放大，以达到能够被后续电路处理的强度。由于放大电路以采样电压为输入信号，采样电阻需与放大电路并联，为实现高输入阻抗及高灵敏度，放大电路分为2级。第I级采用场效应管作为放大电路，场效应管输入端电流极小，输入电阻很大(一般在百兆欧左右)，相比于集成运放，场效应管价格低廉，也可降低成本。第2级采用三级管放大电路，主要作用是提供较高的增益来达到指标要求。利用Muhisim软件对电路进行仿真，在第I级电路的输入端加上一个幅值为50pA、频率为60Hz的电流信号作为被检测的微弱电流信号。
[0025]由于放大电路增益设置极高，电路中的噪声随之放大，尤其是实验室环境中50Hz的工频干扰严重地影响着电路的正常工作。因