一种指向敏感可调的静电探测系统及其探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种指向敏感可调的静电探测系统及其探测方法。本发明专利技术利用电场的边缘效应和驻极体产生强静电场的特性，静电感应探头的驻极体隔板的驻极体膜和屏蔽环对目标电场具有吸引能力，精准划分空间三维探测区域，使单个感应电极具有指向敏感探测的特性；利用压电片的逆压电效应，使驻极体隔板弯曲变形，并通过调控压电片上的电位使驻极体隔板弯曲不同的角度，改变其上驻极体膜对感应电极的屏蔽效能，进而调控感应电极的感应范围的大小，具有较强的探测环境适应性；并且对不同极性的目标都具有指向敏感可调的探测能力；本发明专利技术能够得到探测范围内的人体目标的数量及位置，具有高灵敏度、高目标区分度和强探测环境适应性等特点。特点。特点。

【技术实现步骤摘要】
一种指向敏感可调的静电探测系统及其探测方法


[0001]本专利技术涉及静电探测技术，具体涉及一种指向敏感可调的静电探测系统及其探测方法。

技术介绍

[0002]在生产安全、家居安防等领域中，人体是一类主要的目标，对其准确识别有助于在生产、安防中预警以减少人员受伤事故的发生以及在战场中获悉敌方的兵力调动以采取相应反制对策。因此，专家学者们开展了对入侵警戒区域的人体目标所处位置、行进方向以及具体姿态特征的探测识别研究。
[0003]目前的相关研究中，国内外提出了被动红外、震动、雷达、超声、视觉成像以及静电等方法探测人体目标。被动红外、震动和静电探测方法分别基于人体的红外辐射、产生地面震动和静电场辐射的特征以实现探测；雷达和超声则是基于人体对电磁波波束和声波波束的反射信号实现探测；而视觉成像依靠摄像头实时观测探测区域中目标。被动红外法仅适用于夜晚探测，应用场景局限性较大；震动法会受到其他类目标信号的干扰，且无法区分多个人体目标；雷达法和超声法需主动向外发射信号，能耗较高，且对人体姿态的识别性能不佳；视觉成像法存在探测单向性，能耗较高的问题。相比之下，静电法基于静电场辐射范围广、沿全向辐射、长时间存在以及难以消除的特性探测人体目标，具有抗干扰，反隐身，功耗低以及盲区极小的优点，是一种应用前景广阔的目标探测方法。但是，由于金属极板全向感应电场的特性，现有静电探测系统无法实现指向敏感探测且探测范围大小不可调，仅能用于获取单一人体目标的运动信息，无法区分多个不同位置处的人体目标，也不能对进入探测区域的矮小静电目标加以分辨。

技术实现思路

[0004]针对上述提及现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种指向敏感可调的静电探测系统及其探测方法。
[0005]本专利技术的一个目的在于提出一种指向敏感可调的静电探测系统。
[0006]本专利技术的指向敏感可调的静电探测系统包括：静电感应探头、直流电机、信号调理电路、控制电路以及上位机；其中，静电感应探头位于地面之上，距离地面的高度大于矮小静电目标的高度；静电感应探头的中心安装在直流电机的转轴上，静电感应探头的感应敏感面位于水平面，直流电机的转轴垂直于感应敏感面；静电感应探头连接至信号调理电路；信号调理电路连接至控制电路，控制电路连接至上位机；控制电路还连接至直流电机；
[0007]静电感应探头包括互相平行放置的上传感组件和下传感组件，上传感组件的感应敏感面朝上，下传感组件的感应敏感面朝下；上传感组件和下传感组件分别包括感应单元阵列、屏蔽环和基底；基底为圆形的平板，在基底的一个表面形成感应单元阵列，形成感应单元阵列的表面作为感应敏感面，在基底的感应敏感面上且位于感应单元阵列外设置有环形的屏蔽环；每一个感应单元包括一片感应电极和两个驻极体隔板，在感应电极的两侧分
别设置一个驻极体隔板，感应电极平行于基板设置在基板的感应敏感面上，沿着径向越靠近圆心感应电极的宽度越小，感应电极的中心线穿过基底的圆心，驻极体隔板的中心线穿过基底的圆心，驻极体隔板的长度大于感应电极的长度；每一个驻极体隔板包括基电极、压电片和驻极体膜，基电极所在的平面垂直于基底，在基电极朝向感应电极的表面设置压电片，对压电片进行极化，位于同一感应单元阵列的感应电极两侧的驻极体隔板的压电片的极化方向相反，在压电片朝向感应电极的表面设置驻极体膜，位于同一感应单元阵列的感应电极两侧的驻极体隔板的驻极体膜相对，即均朝向感应电极，并且驻极体膜的极性相同；相邻的感应单元阵列的靠近的压电片的极化方向相反，即施加同样极性的电位，弯曲方向相反，相邻的感应单元阵列的驻极体膜的极性相反；每一个感应电极通过连接至导线连接至信号调理电路的一个独立的信号通道；屏蔽环接地；所有压电片均连接至控制电路的程控放大模块；
[0008]控制电路包括微处理器、电机转换开关和程控放大模块；微处理器连接至程控放大模块；微处理器经电机转换开关连接至直流电机；微处理器连接至上位机；电机转换开关具有启动档和关闭档；微处理器设置程控放大模块的放大倍数。
[0009]由于着装材质的差异以及外界环境的影响，待探测的运动目标在运动过程中积累的净电荷将会呈现正极性或负极性，当驻极体膜的极性与运动目标的极性相同时，其难以对目标电场产生吸引，屏蔽效果大打折扣，感应范围的调控也不能如愿，本专利技术的静电感应探头的相邻感应单元的驻极体膜的极性相反，能够实现在探测不同极性的运动目标情况下都能调节感应电极的感应范围。
[0010]信号调理电路包括：跨阻放大模块、差分放大模块、带通滤波模块、相敏检波模块、低通滤波模块和模数转换模块；其中，跨阻放大模块连接至差分放大模块，差分放大模块连接至带通滤波模块，带通滤波模块连接至相敏检波模块，相敏检波模块连接至低通滤波模块，低通滤波模块连接至模数转换模块，模数转换模块连接至微处理器；上位机还通过微处理器反馈信号至相敏检波模块，为相敏检波模块提供参考信号；来自感应电极的感应电流信号传输至跨阻放大模块，跨阻放大模块将感应电流信号转换为感应电压信号，然后传输至差分放大模块；差分放大模块放大感应电压信号，并消除共模干扰，然后传输至带通滤波模块；带通滤波模块的中心滤波频率与静电感应探头的旋转频率一致，以消除其他噪声信号，然后传输至相敏检波模块；相敏检波模块根据上位机提供的参考信号，提取出对应旋转频率的电压信号，然后传输至低通滤波模块；低通滤波模块滤除高频信号，提取出包含运动目标的运动信息的低频电压信号并传输至模数转换模块；模数转换模块将模拟电压信号转换为数字电压信号后传输至微处理器。
[0011]进一步，还包括过孔和背电极，在基底上与每一个感应电极相对应的位置开设过孔，并且在基底的背面与每一个感应电极相对应的位置设置背电极，每一个感应电极通过相对应的过孔和背电极经导线连接至信号调理电路的一个独立的信号通道。
[0012]静电感应探头能够探测到以自身为圆心，探测半径范围内的目标，探测半径与感应电极以及驻极体隔板的尺寸、驻极体隔板的压电片施加的电位以及信号调理电路的放大倍数有关，结构尺寸越大，压电片上电位越接近0，信号调理电路的放大倍数越大，探测半径越大。此外，静电感应探头安装在距地面高70cm～80cm位置处。
[0013]静电感应探头的基底为圆盘形，半径为10～40mm，厚度为0.5～3mm，感应电极材料
为铝，形状为扇形，内径为1～3mm，外径比基底半径小3mm～4mm，数目为8～12个，驻极体隔板为长方体形，驻极体隔板的长度比基底半径小2～3mm，高度为5mm～10mm，数目是感应电极数目的两倍，感应电极两侧的驻极体隔板之间的初始夹角为30
°
～45
°
，屏蔽环的外径比基底半径外径小1～2mm，高度为1.5mm～3mm，过孔以及背电极均为圆形，过孔半径为0.3mm～0.5mm，背电极半径1.5mm～2mm。基底的材料为印制电路板PCB，具有轻质、绝缘、耐高压的优点。感应电极、过孔和背电极均采用标准印刷电路板工艺制备在基底上，结构简单、价格低廉。驻极体隔板的基电极材料为铝，压电片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种指向敏感可调的静电探测系统，其特征在于，所述指向敏感可调的静电探测系统包括：静电感应探头、直流无刷电机、信号调理电路、控制电路以及上位机；其中，静电感应探头位于地面之上，距离地面的高度大于矮小静电目标的高度；静电感应探头的中心安装在直流电机的转轴上，静电感应探头的感应敏感面位于水平面，直流电机的转轴垂直于感应敏感面；静电感应探头连接至信号调理电路；信号调理电路连接至控制电路，控制电路连接至上位机；控制电路还连接至直流电机；静电感应探头包括互相平行放置的上传感组件和下传感组件，上传感组件的感应敏感面朝上，下传感组件的感应敏感面朝下；上传感组件和下传感组件分别包括感应单元阵列、屏蔽环和基底；基底为圆形的平板，在基底的一个表面形成感应单元阵列，形成感应单元阵列的表面作为感应敏感面，在基底的感应敏感面上且位于感应单元阵列外设置有环形的屏蔽环；每一个感应单元包括一片感应电极和两个驻极体隔板，在感应电极的两侧分别设置一个驻极体隔板，感应电极平行于基板设置在基板的感应敏感面上，沿着径向越靠近圆心感应电极的宽度越小，感应电极的中心线穿过基底的圆心，驻极体隔板的中心线穿过基底的圆心，驻极体隔板的长度大于感应电极的长度；每一个驻极体隔板包括基电极、压电片和驻极体膜，基电极所在的平面垂直于基底，在基电极朝向感应电极的表面设置压电片，对压电片进行极化，位于同一感应单元阵列的感应电极两侧的驻极体隔板的压电片的极化方向相反，在压电片朝向感应电极的表面设置驻极体膜，位于同一感应单元阵列的感应电极两侧的驻极体隔板的驻极体膜相对，即均朝向感应电极，并且驻极体膜的极性相同；相邻的感应单元阵列的靠近的压电片的极化方向相反，即施加同样极性的电位，弯曲方向相反，相邻的感应单元阵列的驻极体膜的极性相反；每一个感应电极通过连接至导线连接至信号调理电路的一个独立的信号通道；屏蔽环接地；所有压电片均连接至控制电路的程控放大模块；控制电路包括微处理器、电机转换开关和程控放大模块；微处理器连接至程控放大模块；微处理器经电机转换开关连接至直流电机；微处理器连接至上位机；电机转换开关具有启动档和关闭档；微处理器设置程控放大模块的放大倍数。2.如权利要求1所述的指向敏感可调的静电探测系统，其特征在于，所述信号调理电路包括：跨阻放大模块、差分放大模块、带通滤波模块、相敏检波模块、低通滤波模块和模数转换模块；其中，跨阻放大模块连接至差分放大模块，差分放大模块连接至带通滤波模块，带通滤波模块连接至相敏检波模块，相敏检波模块连接至低通滤波模块，低通滤波模块连接至模数转换模块，模数转换模块连接至微处理器；上位机还通过微处理器反馈信号至相敏检波模块，为相敏检波模块提供参考信号。3.如权利要求1所述的指向敏感可调的静电探测系统，其特征在于，还包括过孔和背电极，在基底上与每一个感应电极相对应的位置开设过孔，并且在基底的背面与每一个感应电极相对应的位置设置背电极，每一个感应电极通过相对应的过孔和背电极经导线连接至信号调理电路的一个独立的信号通道。4.如权利要求1所述的指向敏感可调的静电探测系统，其特征在于，所述静电感应探头的基底为圆盘形，半径为10～40mm，厚度为0.5～3mm；感应电极的材料采用金属，形状为扇形，内径为1～3mm，外径比基底半径小3mm～4mm。5.如权利要求1所述的指向敏感可调的静电探测系统，其特征在于，所述驻极体隔板为长方体形，长度为7～8mm，高度为5mm～10mm，感应电极两侧的驻极体隔板之间的初始夹角
为30
°
～45
°
。6.如权利要求1所述的指向敏感可调的静电探测系统，其特征在于，所述屏蔽环的外径比基底半径外径小1～2mm，高度为1.5mm～3mm。7.一种如权利要求1所述的指向敏感可调的静电探测系统的静电探测方法，其特征在于，所述静电探测方法包括以下步骤：1)驻极体隔板
‑
感应电极
‑
驻极体隔板的交错排布结构和屏蔽环精确划分空间三维探测区域：驻极体膜是一种无需电源的稳定强静电源，对空间电场产生比感应电极更强的吸引作用，因此感应电极两侧的驻极体隔板的驻极体膜和屏蔽环能够更强吸引目标激发的空间电场，从而降低感应电极感应的目标电场强度，以屏蔽感应电极，缩小感应电极的感应范围，将感应电极的感应范围从原本孤立状态下的全向感应范围缩小至以感应电极为中心向外发散的半圆锥体形的感应范围，驻极体隔板能够屏蔽感应敏感面内位于感应范围外的目标激发的空间电场，屏蔽环能够屏蔽感应敏感面外位于感应电极平面下的目标电场；由于电场的边缘效应，每一个感应电极的感应范围的张角大于感应单元的驻极体隔板之间的夹角，水平面内，感应范围的边界由感应电极的外边缘的中点与驻极体膜的最靠近基底的外边缘的点的连线决定，改变驻极体隔板所处的位置即能够调控感应范围的张角；位于感应范围外的目标在感应电极处激发的感应电流远小于在感应范围内目标激发的感应电流，即认为感应电极对感应范围外的目标不敏感，无法探测到感应范围外的目标，即每一个感应电极具有对应的感应范围，从而静电感应探头具有指向敏感的特性，所有感应电极的感应范围组成指向敏感可调的静电探测系统的探测范围，相邻的感应电极的感应范围之间存在重叠；上传感组件感应位于其感应敏感面之上的半球空间目标激发的空间电场，下传感组件感应位于其感应敏感面之下的半球空间目标激发的空间电场，上下传感组件实现空间三维探测区域内的全向指向敏感探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯跃，王文龙，周子隆，韩炎晖，饶泽泓，周小军，罗浩舜，尹云可，骆润东，王瑞国，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：