СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ОДИНОЧНОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА ТОКА Российский патент 1995 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относится к метрологии, а именно к энергонезависимым способам регистрации основных параметров (амплитуды и длительности) одиночных электрических импульсов, и может быть использовано при проведении испытаний различных технических систем для регистрации, например, факта срабатывания и основных параметров сигналов датчиков однократного действия в аварийной ситуации, испытательных токов от мощных импульсных генераторов и т.п.

Известен способ измерения амплитуды одиночного прямоугольного электрического импульса, предусматривающий преобразование сигнала в нескольких параллельных каналах с различными постоянными времени, умножения проинтегрированного значения на соответствующий масштабный коэффициент и определение амплитуды.

Способ относится к традиционным способам регистрации электрических импульсов, связанных с использованием сложных электронных устройств с относительно большими габаритно-массовыми характеристиками, источников питания, измерительных линий. Поэтому использование способа ограничено в ряде применений, когда имеются жесткие лимиты по массе, габаритам, энергопотреблению, требуется постоянная готовность к работе.

В таких ситуациях могут быть использованы энергонезависимые способы регистрации, в которых для записи и сохранения информации о параметрах исследуемых импульсов не требуются источники питания. Информация в энергонезависимых способах записывается и сохраняется с помощью чувствительных элементов (ЧЭ), физическое состояние которых изменяется под воздействием электрического импульса или создаваемого им магнитного поля, а после воздействия сохраняется достаточно длительное время. Параметры исследуемого импульса оцениваются затем по степени изменения исходного состояния ЧЭ. Использование энергонезависимых способов позволяет, как правило, производить измерения с помощью постоянно готовых к работе миниатюрных регистраторов, размещаемых в непосредственной близости к нагрузке, в которую поступает исследуемый импульс.

Известны способы регистрации амплитуды электрического импульса, согласно которым об амплитуде судят по величине остаточной намагниченности ферромагнитных ЧЭ, намагничиваемых магнитным полем, создаваемым измеряемым импульсом. Однако использование этих способов целесообразно только для регистрации электрических импульсов в уединенных проводниках, поскольку для их реализации необходимо знать картину распределения магнитного поля, вклад в него исследуемого импульса и влияние посторонних токов, что само по себе часто представляет сложную задачу.

Наиболее близким к заявляемому является способ регистрации амплитуды одиночного импульса, основанный на измерении измененного под влиянием исследуемого импульса параметра ЧЭ, согласно которому исследуемым импульсом воздействуют на полупроводниковый элемент, вызывая его необратимый тепловой или лавинно-тепловой пробой, измеряют остаточное сопротивление пробитого полупроводникового элемента и по заранее полученной экспериментальной зависимости между амплитудой импульса и остаточным сопротивлением полупроводникового элемента определяют амплитуду исследуемого импульса.

Этот способ не позволяет одновременно с амплитудой импульса регистрировать его длительность. Кроме того, его можно использовать только для регистрации импульсов с достаточно большой длительностью, превышающей единицы миллисекунд. Использование в способе полупроводникового элемента, подключенного последовательно к нагрузке, сопротивление которого значительно изменяется в процессе регистрации, может привести к существенному искажению формы исследуемого импульса. Указанные выше недостатки снижают информативность способа и ограничивают область его практического применения.

Целью изобретения является повышение информативности и расширение области применения способа за счет использования для регистрации элементов из сегнетоэлектрика, обладающего аффинным током переключения поляризации, что позволяет установить взаимосвязь между параметрами импульса и степенью изменения под его влиянием поляризации сегнетоэлектрика.

Цель достигается тем, что по способу регистрации параметров одиночного электрического импульса, основанному на измерении измененного под воздействием исследуемого импульса параметра ЧЭ и определении амплитуды импульса по заранее полученной экспериментальной зависимости между параметрами импульса и ЧЭ, воздействуют импульсом одновременно на N ≥2 сегнетоэлектрических элементов, выполненных из одного и того же сегнетоэлектрика, обладающего аффинным током переключения поляризации, вызывая в них полное и(или) частичное переключение поляризации при различных значениях Е_j = =U_o ˙μ_j^-1 напряженности поля Е в сегнетоэлектрике, измеряют степень изменения поляризации сегнетоэлектрика ΔР_j в каждом j-м элементе, по измеренным значениям ΔР_j из первой заранее полученной экспериментальной зависимости ΔР = =f(t/ τ) определяют отношения η_j длительности исследуемого импульса Т_ок времени полного переключения сегнетоэлектрика τ_j при напряженности поля Е_j, из второй экспериментальной зависимости τ=ϕ (Е) по полученным значениям η_j и известным значениям μ_j определяют амплитуду U_o и длительность Т_о исследуемого импульса, где τ- время полного переключения сегнетоэлектрика; t - текущее время, начиная с момента t = 0 воздействия импульса на элемент; μ_j - коэффициент пропорциональности между амплитудой U_o исследуемого импульса и напряженностью поля Е_j, создаваемого им в сегнетоэлектрике j-го элемента, определяемый расстоянием между электродами и схемой подключения j-го элемента к нагрузке, в которой регистрируется импульс; j - номер элемента, j = 1, 2, ..., N.

Наличие признаков, новых по сравнению с прототипом, обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Указанные отличительные признаки в известных технических решениях не обнаружены, что обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

Следует отметить, что сегнетоэлектрики используются в вычислительной технике для записи и хранения в течение длительного времени логической информации в так называемых энергонезависимых запоминающих устройствах (ЗУ), содержащих ряд идентичных сегнетоэлектрических запоминающих элементов. Запись информации осуществляется обычно в двоичном коде путем подачи на элемент стандартного управляющего импульса с заданными амплитудой и длительностью, при этом производится перевод элемента из одного логического состояния (например, логического "0") в другое (например, логической "1"). Логическим состояниям "0" или "1" соответствуют физические состояния сегнетоэлектрика, характеризующиеся максимальной величиной поляризации (-Р_о или +Р_о). Возможно использование и промежуточных (но вполне определенных) частично-переключенных физических состояний. Считывание информации с элемента производится также стандартным (известным) импульсом.

В заявляемом техническом решении рассматривается обратная задача: определение неизвестных параметров электрического импульса (амплитуды и длительности) по известному до (Р_j = P_o) и измеренным после (Р_j = P_kj) подачи импульса значениям поляризации Р_j сегнетоэлектрика в элементах. Более того в предлагаемом решении этой задачи существенное в вычислительной технике свойство сегнетоэлектрика сохранять в течение длительного времени реализовавшееся после подачи импульса частично или полностью поляризованное состояние не является необходимым. Действительно в предлагаемом решении сохранение реализовавшегося состояния необходимо лишь в течение относительно короткого интервала времени, достаточного для измерения Р_kj.

Сущность заявляемого способа заключается прежде всего в использовании свойства аффинности (т.е. сохранения при изменении приложенного поля формы) импульса тока переключения поляризации некоторых сегнетоэлектриков. Именно это свойство и позволяет в конечном итоге определить вклады полевого (U_o) и временного (Т_о) факторов, вносимые последними в процессе импульсного переключения сегнетоэлектрика в интегральную характеристику этого процесса - степень изменения поляризации сегнетоэлектрика ΔР_j = P_o - P_kj. Определение этих вкладов, т. е. нахождение величин U_o и Т_о, оказывается, как показано ниже, возможным, если в эксперименте зарегистрировать величины Δ Р_j для одного и того же сегнетоэлектрика по крайней мере при двух различных значениях действующего в нем электрического поля Н_j.

Для реализации такой возможности по заявляемому способу исследуемым импульсом воздействуют одновременно на N ≥2 элементов, вызывая в них полное и(или) частичное переключение поляризации сегнетоэлектрика при различных Е_j. Последнее легко обеспечить, например, за счет выбора элементов с различной толщиной Х_j слоя сегнетоэлектрика между электродами и параллельного подключения элементов непосредственно к нагрузке или за счет подключения идентичных элементов к нагрузке через соответствующие высокоомные делители напряжения и т.п. При этом обеспечивается линейная зависимость между амплитудой приложенного к нагрузке напряжения U_o и величиной напряженности поля Е_j в _j-м элементе, характеризуемая коэффициентом пропорциональности μ_j. В первом из рассмотренных случаев μ_j = X_j, во втором μ_j = X_o˙ R_2j(R_1j + R_2j)^-1, где Х_о = Х_j = =const; R_1j, R_2j - сопротивления в плечах высокоомного делителя, к последнему из которых в данном примере подключается j-й элемент.

После воздействия исследуемого импульса измеряют степень изменения поляризации ΔР_j сегнетоэлектрика в каждом j-м элементе. Измеренные значения ΔР_j и известные значения μ_j = U_o˙ E_j^-1 несут в себе информацию о параметрах исследуемого импульса. Извлечение этой информации осу- ществляется с помощью экспериментальных зависимостей ΔР = f(t/τ ) и τ=ϕ (Е), получаемых заранее из результатов исследования импульсных токов переключения поляризации сегнетоэлектрика. В общепринятой редакции опытов в таких исследованиях регистрируется временная зависимость тока переключения при воздействии на поляризованный до насыщения (Р = Р_о) сегнетоэлектрический элемент прямоугольного импульса напряжения в направлении, противоположном вектору поляризации сегнетоэлектрика. Форма импульса плотности тока переключения (поляризационного тока) i(t) показана на фиг. 1. Она характеризуется наличием пика i_m в соответствующий момент t_m, а также временем τ полного переключения сегне- тоэлектрика. Для большинства исследованных сегнетоэлектриков полученные экспериментальные зависимости τ=ϕ(Е) имеют вид
τ = τ_∞· exp(α/E) (1) при этом i_m ≈ τ^-1, где τ_∞, α - константы ( α - поле активации). Формула (1) справедлива в широком интервале времен τ от ≈10^-7 до 10⁵ с. На фиг. 2 приведены зависимости τ = ϕ (Е) для кристаллических титаната бария (ВаТiО₃) и титаната висмута (Вi₄Ti₃О₁₂) в плоскости координат (lg τ ^-1 , E^-1). Как видно из фиг. 2, в этих координатах они могут быть аппроксимированы прямыми линиями вида
lg τ ^-1 = A˙E^-1 + B, (2) где Aи В - постоянные коэффициенты.

В процессе импульсного переключения происходит изменение поляризации сегнетоэлектрика в соответствии с соотношением ΔP(t) = i(t)dt, т.е. степень изменения поляризации Δ P(t) равна площади под кривой i(t) на фиг. 1. При этом, если длительность Т приложенного импульса напряжения Т ≥τ, то происходит полное переключение поляризации сегнетоэлектрика ( ΔР = 2Р_о), если Т < τ- частичное переключение (ΔP = i(t)dt < 2P_o).Следует отметить, что зависимость Δ Р(t/τ ), используемая в предлагаемом способе, неоднозначна в случае выбора произвольного сегнетоэлектрика, поскольку форма импульса i(t), в частности отношение t_m/ τ, зависит от действующего поля Е. Однако для некоторых сегнетоэлектриков, например кристаллов ВаТiО₃ и Вi₄Ti₃О₁₂, форма импульса i(t) идентична для различных Е в широком интервале полей (указанном приблизительно на фиг. 2), т.е. кривая на фиг. 1 остается неизменной (в единицах измерения i_m и τ или координатах i(t)/i_m; t/τ ), причем уменьшение τ и соответствующее увеличение i_m происходит в одинаковой пропорции (i_m τ=const), а площадь под кривой i(t) остается, естественно, постоянной и равной 2Р_о. Такой ток переключения называется аффинным, так как различные кривые i(t) можно привести, как следует из сказанного выше, к одному виду (фиг. 1) с помощью простого аффинного преобразования сжатия-растяжения плоскости относительно осей координат, другими словами с помощью соответствующего выбора масштаба по осям координат для каждой кривой i(t).

Соотношение площадей квадрируемых фигур, как известно, остается неизменным при аффинных преобразованиях. В частности, остается неизменным отношение площади заштрихованной фигуры, определяемой интервалом (0, Т/ τ) по оси абсцисс на фиг. 1, к общей площади под кривой i(t). Более того, как уже отмечалось, общая площадь под кривой i(t) остается постоянной и равной 2Р_о. Поэтому площадь заштрихованной фигуры, равная Δ Р(Т/τ ), также остается постоянной при аффинных преобразованиях. Следовательно, зависимость Δ Р(t/ τ) однозначна для аффинного тока переключения (при изменении Е в широких пределах) (фиг. 3). На практике зависимость ΔР(t/τ ) можно легко получить, проинтегрировав конкретную кривую i(t) и выбрав за единицу измерения по оси абсцисс соответствующее значение τ . В заявляемом способе полученная таким образом экспериментальная зависимость ΔР(t/τ ) используется для определения по измеренным значениям ΔР_j отношений η_j длительности Т_о исследуемого импульса к времени полного переключения сегнетоэлектрика τ_j при напря- женностях поля Е_j η_j= T_o ˙τ_j^-1 (фиг. 3). Затем по известным значениям η_jиμ_j с помощью второй экспериментальной зависимости τ (Е) (фиг. 2) определяют амплитуду U_o и длительность Т_о исследуемого импульса, например, следующим образом. Во-первых, можно подставить в известную зависимость (1) выражения τ= Т_о˙η^-1 и Е = U_o ˙μ^-1 и получить уравнение
T_o= τ_∞· η · exp(α·μ· V-o

¹)
Далее, подставив в это уравнение значения ηиμ для двух различных элементов, можно получить систему двух уравнений с двумя неизвестными и решить ее относительно U_o и Т_о. В результате несложных преобразований имеют (j = k, l)
V_o= (3)
T_o= τ_∞· η_k· exp
Отсюда следует, что N ≥2.

Во-вторых, по известным значениям η_jиμ_j можно построить в плоскости координат (lg η,μ) зависимость lg ηотμ, аппроксимировать ее прямой линией видa lg η= a ˙μ+ b и определить коэффициенты а и b. Подставив затем в уравнение полученной прямой выражения для ηи μ , приводят его к виду (2), т.е.

lg τ^-1 = (a˙U_o)˙E^-1 + (b - lgT_o). (4)
Отсюда, сравнивая выражения (2) и (4), находят U_o = A/a и lgT_o = b - B.

Таким образом, по заявляемому способу в отличие от известных удается зарегистрировать не только амплитуду, но и длительность исследуемого импульса. Кроме того, диапазон измерения по сравнению с прототипом существенно расширяется за счет возможности регистрации сигналов в микросекундной области (фиг. 2). Более того параллельное подключение сегнетоэлектрических элементов к нагрузке, их высокое сопротивление, а также возможность подключения элементов через высокоомный делитель позволяют в отличие от прототипа регистрировать сигналы без искажения их формы, в частности, в низкоомной нагрузке. Отмеченные преимущества повышают информативность и обуславливают расширение области применения способа.

На фиг. 1 представлена временная зависимость плотности тока переключения поляризации i(t) сегнетоэлектрического элемента; на фиг. 2 -зависимость lg τ^-1(E^-1) логарифма обратного времени полного переключения от обратной напряженности поля для кристаллических титаната бария (кривая 1) и титаната висмута (кривая 2); на фиг. 3 - зависимость Δ Р(t/ τ) степени изменения поляризации ΔP аффинного сегнетоэлектрика от приведенного времени t/ τ; на фиг. 4 - схема сегнетоэлектрического регистратора для реализации предлагаемого способа, где 3 - сегнетоэлектрический регистратор, 4 - сегнетоэлектрические элементы, 5 - электроды, 6, 7 - выводы регистратора, 8 - нагрузка (с сопротивлением R), маленькими стрелками показаны направления векторов поляризации сегнетоэлектрика в элементах при указанной (знаками "+" и "-") полярности исследуемого импульса, большой - направление действующего в сегнетоэлектрике электрического поля.

Наиболее простой сегнетоэлектрический регистратор 3 (фиг. 4) для реализации предлагаемого способа содержит N ≥2 элементов 4. Элементы 4 могут быть выполнены в виде пластин из поляризованного сегне- тоэлектрика, обладающего аффинным током переключения, например из кристаллических титаната бария (ВаТiО₃) или титаната висмута (Вi₄Ti₃О₁₂), с электродами 5 на двух противоположных гранях и с различными расстояниями (толщинами элементов) Х_j меж- ду электродами. Вектор поляризации сегнетоэлектрика перпендикулярен электродам. Элементы соединяются друг с другом параллельно согласно с образованием общих выводов 6, 7 и помещаются в диэлектрическую среду, например трансформаторное масло.

Тип сегнетоэлектрика и геометрические размеры элементов выбираются, исходя из ожидаемых значений амплитуды U_ож и длительности Т_ожисследуемого импульса в нагрузке 8 с помощью экспериментальной зависимости (1) (фиг. 2). Толщины Х_j элементов выбираются по известному значению U_ож (или Т_ож) так, чтобы ожидаемые значения поля в сегнетоэлектрике Е_jож = U_ож ˙ X_j^-1 лежали в средней части указанного на фиг. 2 диапазона полей. Площадь электродов S_j и количество N элементов выбираются из условия, чтобы суммарный ток I_Σ ≈ 2P_o·TS_j, протекающий через регистратор был значительно меньше ожидаемого тока в нагрузке I_ож = U_ож ˙ R^-1, т.е. чтобы выполнялось соотношение
2P_o·TS_j ≪ V_ож·R^-1
Предлагаемый способ регистрации одиночного прямоугольного электрического импульса осуществляется следующим образом.

Регистратор 3 с помощью выводов 6, 7 подключается к нагрузке 8 так, чтобы электрическое поле, генерируемое исследуемым импульсом в сегнетоэлектрике, было направлено против вектора остаточной поляризации (направления поля и векторов поляризации показаны на фиг. 4 большой и маленькими стрелками соответственно). При неизвестной полярности исследуемого импульса следует, очевидно, взять два регистратора и подключить их параллельно-встречно. Затем подают исследуемый импульс в нагрузку. Воздействие импульса на элементы приводит к возникновению в их объеме различных по величине электрических полей Е_j = U_o ˙ X_j^-1, действующих (по крайней мере в одном из двух регистраторов) против вектора поляризации сегнетоэлектрика и вызывающих его переключение с различной интенсивностью в разных элементах. После прохождения импульса элементы электрически разъединяют и измеряют известными методами реализовавшееся значение поляризации Р_kj сегнетоэлектрика в каждом j-м элементе с учетом знака (при изменении вектором поляризации своего направления на противоположное значение Р_kj считается отрицательным). Далее находят степень изменения поляризации ΔР_j = P_o - P_kj в каждом элементе. По полученным значениям ΔР_j из первой заранее полученной экспериментальной зависимости Δ Р = f(t/τ ) (фиг. 3) определяют отношения η_j = T_o τ _j^-1 . Из второй экспериментальной зависимости τ=ϕ (Е) (фиг. 2) по найденным значениям η_j и известным значениям μ_j = X_jопределяют амплитуду U_o и длительность Т_о исследуемого импульса, например, по формулам (3).

На практике произведена апробация предлагаемого способа регистрации одиночного прямоугольного электрического импульса, которая показала его осуществимость и практическую ценность.

Технико-экономические преимущества заявляемого способа по сравнению с известными заключается в повышении информативности за счет возможности регистрировать не только амплитуду, но и длительность исследуемого импульса, расширении диапазона измерения за счет возможности регистрации сигналов в микросекундной области, возможности регистрации сигналов без искажения их формы, в частности, в низкоомной нагрузке за счет использования регистратора с большим входным сопротивлением, подключаемого параллельно к нагрузке. Указанные преимущества обуславливают повышение информативности и расширение области применения способа.

Использование: в энергонезависимых способах регистрации амплитуды и длительности одиночных электрических импульсов. Сущность изобретения: измеряют параметр чувствительного элемента под воздействием исследуемого импульса, определяют амплитуду импульса по заранее полученной экспериментальной зависимости между параметрами импульса и чувствительного элемента, исследуемым импульсом воздействуют одновременно на N ≥ 2 сегнетоэлектрических чувствительных элементов, выполненных из одного и того же сегнетоэлектрика, обладающего аффинным током переключения поляризации, вызывают в них частичное или полное переключение поляризации при различных значениях E_j= V_o· μ-j

¹ напряженности поля E в сегнетоэлектрике, измеряют степень изменения поляризации сегнетоэлектрика, по измеренным значениям ΔP_j из первой заранее полученной экспериментальной зависимости ΔP = f(t/τ) определяют отношение длительности исследуемого импульса T_о к времени полного переключения сегнетоэлектрика τ_j при напряженностях поля E_j из второй экспериментальной зависимости τ = ϕ(E) по полученным значениям η_j и известным значениям μ_j определяют амплитуду V_o и длительность T_o исследуемого импульса. 4 ил.

СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ОДИНОЧНОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА ТОКА, заключающийся в том, что измеряют измененный под воздействием исследуемого импульса параметр чувствительного элемента и определяют амплитуду импульса по заранее полученной экспериментальной зависимости между параметрами импульса и чувствительного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности и расширения области применения, воздействуют исследуемым импульсом одновременно на N (N ≥ 2) сегнетоэлектрических чувствительных элементов, выполненных из одного и того же сегнетоэлектрика, обладающего аффинным током переключения поляризации, вызывая в них полное и (или) частичное переключение поляризации при различных значениях E_j = V_oμ-j

¹ напряженности поля E в сегнетоэлектрике, измеряют степень изменения поляризации сегнетоэлектрика ΔP_j в каждом j-м чувствительном элементе, по измеренным значениям ΔP_j из первой заранее полученной экспериментальной зависимости ΔP = f(t/τ) определяют отношения η_j длительности исследуемого импульса T_о к времени полного переключения сегнетоэлектрика τ_j при напряженностях поля E_j, из второй экспериментальной зависимости τ = ϕ/E по полученным значениям η_j и известным значениям μ_j определяют амплитуду V₀ и длительность T_о иследуемого импульса, где τ - время полного переключения сегнетоэлектрика, t - текущее время, начиная с момента t = 0 воздействия исследуемого импульса на чувствительный элемент, m_j - коэффициент пропорциональности между амплитудой V₀ исследуемого импульса и напряженностью поля E_j, создаваемого им в сегнетоэлектрике j-го чувствительного элемента, определяемый расстоянием между электродами и схемой подключения j-го чувствительного элемента к нагрузке, в которой регистрируется импульс, j - номер чувствительного элемента, j = 1,2, ...,N.