УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к методам и средствам неразрушающего контроля и может быть использовано для измерения напряженности электростатического поля.

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее последовательно соединенные датчик, дифференциальный усилитель и регистратор (авт. св. N 1355950, кл. G 01 R 29/12, 1987).

Однако это устройство имеет низкую чувствительность и точность измерения при измерении малых электрических полей.

Известно также устройство для измерения электростатического поля, содержащее два датчика, усилитель на двух истоковых повторителях со следящими обратными связями по току, два инвертора, сумматор и регистратор (авт. св. N 951191, кл. G 01 R 29/12, 1982).

Недостаток известного устройства состоит в невысокой точности и стабильности контроля параметров электростатического поля, что обусловлено малой чувствительностью датчиков и разрешающей способностью измерительной схемы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство динамического считывания электростатического рельефа (авт. св. N 1215063, кл. G 01 R 29/12, 1986), содержащее последовательно соединенные в замкнутый контур и образующие измерительный мост, переход исток сток первого транзистора, первый, второй, третий, четвертый резисторы и переход исток сток второго полевого транзистора причем источник питания подключен между соединением первого и второго, а также третьего и четвертого резисторов, щелевую электродинамическую головку в виде конденсатора, обкладки которого включены между затворами полевых транзисторов, и две цепи, состоящие из последовательно соединенных резистора и дросселя.

Однако и это устройство имеет недостаточную точность и разрешающую способность при измерении электростатических полей в широком диапазоне напряженности поля за счет того, что нет возможности регулировать коэффициент передачи входного сигнала и нарушается условие "дифференциальности" неидентичностью транзисторов и резисторов и стабилизации тока при изменении температуры и сопротивления нагрузки.

Цель изобретения повышение точности, разрешающей способности и расширения диапазона измерений электростатических потенциалов за счет повышения стабильности показаний, обеспечения возможности изменения коэффициента усиления без ухудшения стабильности и применения более чувствительных измерительных электродов в виде полевых транзисторов с изолированными затворами.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения электростатических потенциалов, содержащее два полевых транзистора, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, причем источник питания одной полярности подключен к соединению первого и второго резисторов, а источник питания другой полярности к соединению третьего и четвертого резисторов, снабжено первым и вторым транзисторами, подключенными своими коллекторами соответственно к стокам первого и второго полевых транзисторов, эмиттерами к источнику питания положительной полярности, а базы соединены друг с другом и подключены к истоку первого полевого транзистора, третьим и четвертым транзисторами, подключенными своими коллекторами соответственно к истокам первого и второго полевых транзисторов, базы соединены друг с другом, а эмиттером третий транзистор соединен с вторым выводом четвертого резистора, последовательно соединенными седьмым резистором, коллектор-эмиттером пятого транзистора и стабилитроном, подключенными анодом стабилитрона к источнику питания отрицательной полярности, а вторым выводом седьмого резистора к общей шине устройства, причем база и коллектор пятого транзистора соединены между собой и подключены к базам третьего и четвертого транзисторов, восьмым резистором, подключенным одним вводом к эмиттеру четвертого транзистора, а вторым к источнику питания отрицательной полярности, девятым резистором, включенным между истоками первого и второго полевых транзисторов, переменным резистором, подключенным своими крайними выводами к второму и третьему резисторам, а средним выводом к затвору второго полевого транзистора, усилителем, подключенным неинвертирующим входом к второму выводу первого резистора, инвертирующим входом к коллектору второго транзистора, а входами питания положительной и отрицательной полярности к соответствующим источникам питания десятым резистором, подключенным одним выводом к источнику второго полевого транзистора, а вторым выводом к выходу усилителя, выход которого является выходом устройства, причем пятый и шестой резисторы одними выводами подключены к общей шине устройства, а вторыми выводами соответственно к инвертирующему входу усилителя и к истоку первого полевого транзистора, а в качестве первого и второго полевых транзисторов взяты полевые транзисторы с изолированными затворами, выводы от подложек которых соединены соответственно с истоками первого и второго полевых транзисторов, затворы которых являются измерительными электродами устройства.

Существенным отличием предлагаемого устройства от известных является то, что для обеспечения точности измерения за счет повышения стабильности показаний в устройстве применены первый и второй транзисторы, подключенные своими коллекторами соответственно к стокам первого и второго полевых транзисторов, эмиттерами к источнику питания положительной полярности, а базы соединены друг с другом и подключены к стоку первого полевого транзистора, третий и четвертый транзисторы, обеспечивающие стабилизацию тока истоковых цепей первого и второго полевых транзисторов от одного стабилизатора тока, выполненного в виде последовательно соединенных седьмого резистора, коллектор-эмиттера пятого транзистора и стабилитрона, которые при наличии данных связей в известных устройствах измерения электростатических потенциалов не применяются.

Следующим отличительным существенным признаком предлагаемого устройства от известных является то, что для дальнейшего повышения точности и расширения диапазона измерений применены дополнительно усилитель, подключенный неинвертирующим входом к второму выводу первого резистора, а инвертирующим входом к коллектору второго транзистора, девятый и десятый резисторы, первый из которых для измерения коэффициента передачи всего устройства включен между истоками первого и второго полевых транзисторов, а второй одним выводом к истоку второго полевого транзистора, а вторым выводом к выходу усилителя.

Так, в известном устройстве (авт. св. СССР N 1215063, М.кл. G 01 R 29/12) измерение электростатического поля осуществляется щелевой электродинамической головкой, выполненной в виде конденсатора, обкладки которого образованы токопроводящими слоями, что не дает нужной точности измерения малых по величине электростатических полей. Известно устройство, в котором в качестве чувствительного элемента используется затвор обычного полевого транзистора, которое также не обеспечивает точности измерения. В предлагаемом устройстве в качестве чувствительных электродов используются затворы первого и второго полевых транзисторов только с изолированными затворами. Кроме того, один из чувствительных электродов подключен с помощью второго, третьего и переменного резисторов к источнику опорного напряжения, тем самым повышается точность, разрешающая способность и стабильность измерения электростатических полей по сравнению с устройствами-аналогами.

Отдельное построение и соединение указанных элементов известно, но при построении устройств измерения электростатических полей использование данных дополнительных элементов и их связей позволяет обеспечить новый неочевидный результат: повышает точность, разрешающую способность и расширяет диапазон измерений за счет применения двух идентичных и питаемых от одного стабилизатора тока схем стабилизации истоковых цепей, которые повышают стабильность показаний, двух наиболее чувствительных электродов, обеспечивающих повышенную разрешающую способность, усилителя, источника опорного напряжения и обеспечения возможности изменения коэффициента передачи устройств, расширяющих диапазон измерений, устраняя тем самым недостаток устройств-аналогов.

Кроме того, использование в качестве чувствительных электродов изолированных затворов полевых транзисторов с изолированными затворами в новой совокупности признаков также обеспечивает повышение точности и разрешающей способности измерений.

Таким образом, проведенный анализ известных и предлагаемого устройств, отдельно по каждому отличительному признаку показал, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена электрическая схема устройства для измерения электростатических потенциалов.

Устройство для измерения электростатических потенциалов состоит из последовательно соединенных в замкнутый контур переход исток сток первого полевого транзистора VT1, переход коллектор -эмиттер первого транзистора VT3, переход эмиттер коллектор второго транзистора VT4, переход сток исток второго полевого транзистора VT2, переход коллектор эмиттер четвертого транзистора VT6, восьмой резистор R8, четвертый резистор R4 и переход эмиттер коллектор третьего транзистора VT5, причем первый VT3 и второй VT4 транзисторы эмиттерами подключены к источнику питания положительной полярности, базы соединены друг с другом и подключены к стоку первого VT1 полевого транзистора, базы третьего VT5 и четвертого VT6 транзисторов также соединены друг с другом, а соединение восьмого R8 и четвертого R4 резисторов подключено к источнику питания отрицательной полярности, из последовательно соединенных второго R2, переменного R11 и третьего R3 резисторов, из которых второй вывод второго R2 резистора подключен к источнику питания положительной полярности, а второй вывод третьего R3 резистора к источнику питания отрицательной полярности, а средний вывод переменного резистора R11 к затвору второго полевого транзистора VT2, из последовательно соединенных седьмого резистора R7, перехода коллектор эмиттер пятого транзистора VT7 и стабилитрона VД1, подключенных анодом стабилитрона VД1 к источнику питания отрицательной полярности, вторым выводом резистора R7 к общей шине устройства, а база и коллектор пятого транзистора VT7 соединены между собой и подключены к базам третьего VT5 и четвертого VT6 транзисторов, из девятого резистора R9, включенного между истоками первого VT1 и второго VT2 полевых транзисторов, из последовательно соединенных первого резистора R1, усилителя ДА1, выход которого является выходом устройства, и десятого резистора R10, второй выход которого подключен к истоку второго полевого транзистора VT2, подключенных своим входом к источнику питания положительной полярности, причем последовательно с резистором R1 соединен неинвертирующий вход усилителя ДА1, а инвертирующий вход подключен к коллектору второго транзистора VT4, из пятого R5 и шестого R6 резисторов, соединенных одними выводами с общей шиной устройства, а вторыми выводами соответственно к неинвертирующему входу усилителя ДА1 и к истоку первого полевого транзистора VT1.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии электростатического поля с помощью переменного резистора R11, подключенного последовательно с резисторами R2 и R3 к источникам питания, производится установка выходного сигнала усилителя ДА1 равным нулю.

Затем помещают измерительный электрод, которым является изолированный затвор полевого транзистора VT1, в зону измерения электростатического потенциала и измеряют величину данного поля в виде наведенного напряжения на затворе транзистора VT1. Так как пара первого и второго транзисторов VT1 и VT2 образует параллельный дифференциальный каскад, то он преобразует разность напряжений на затворах транзисторов VT1 и VT2 (U₂ U₁) в ток, протекающий через девятый резистор R9 и равный

где I ток, протекающий через резистор R9;
U₂ напряжение на затворе транзистора VT2;
U₁ напряжение на затворе измерительного транзистора VT1;
R9 сопротивление девятого резистора R9.

В истоковые цепи этих двух транзисторов включены два источника равных токов, построенные на третьем и четвертом транзисторах VT5 и VT6, в эмиттеры которых включены одинаковые постоянные резисторы R4 и R8. На базы транзисторов VT5 и VT6 подано напряжение, которое равно сумме получаемого с помощью стабилитрона VД1 опорного напряжения и база-эмиттерного напряжения пятого транзистора VT7, коллектор которого через резистор R7 подключен к общей шине, который с целью устранения температурной зависимости тока истоковых цепей транзисторов VT1 и VT2, обусловленной температурным изменением напряжения, используется в диодном включении, тем самым повышая стабильность показаний устройства.

В стоковые цепи первого и второго полевых транзисторов, затворы которых используются как измерительный и опорный электроды устройства, включены транзисторы VT3 и VT4, образующие так называемое "токовое зеркало", то есть транзистор VT4 стремится повторять коллекторный ток транзистора VT3. Поэтому появляющееся неравенство стоковых токов первого и второго полевых транзисторов VT1 и VT2 при наличии в зоне контроля электростатического потенциала приводит к резкому изменению напряжения на стоке второго транзистора VT2. Однако усилитель ДА1 обеспечит неизменность этого стокового напряжения, а следовательно, и равенство стоковых токов первого и второго полевых транзисторов за счет регулирования напряжения на десятом резисторе R10.

Отсюда следует, что равенство стоковых токов означает равенство и истоковых токов первого и второго полевых транзисторов VT1 и VT2. Из данного принципа действия схемы следует, что при условии равенства шестого резистора R6 десятому резистору R10 (R6 R10) выходное напряжение устройства в зависимости от величины наведенного напряжения на затворе первого полевого транзистора, прямо пропорционально связанного с величиной электростатического потенциала, будет иметь вид:

Из выражения (2) видно, что при отсутствии электростатического поля (U₁ 0) выходное напряжение U_вых равно нулю при условии, если U₂ 0. Отсюда следует, что выходное напряжение устройства по абсолютной величине будет прямо пропорционально величине измеряемого электростатического потенциала.

Кроме того, регулировка усиления в данном устройстве, а значит и изменение пределов измерения величины электростатического потенциала производится с помощью только одного девятого резистора R9.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что такое построение устройства для измерения электростатических потенциалов позволяет повысить точность, разрешающую способность и расширить диапазон измерений за счет применения полевых транзисторов с изолированными затворами, которые являются чувствительными электродами устройства, стабилизаторов тока истоковых цепей и возможности изменения коэффициента усиления без нарушения стабильности измерений, так как экспериментальная проверка (работоспособности и точности измерения) предлагаемого устройства, изготовленного на базе массово выпускаемых элементов, и устройства, изготовленного по авт. св. N 1215063, показала, что при изменении величины измеряемого электростатического потенциала в пределах от 0 до 1000 В и температуры окружающей среды от +10 до +40^oC у предлагаемого устройства точность измерения в 2,5 4 раза, а стабильность показаний в 3 5 раз выше, чем у устройства-прототипа.

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может быть использовано для измерения напряженности электростатического поля. Цель изобретения заключается в повышении точности, разрешающей способности и в расширении диапазона измерений. Устройство для измерения электростатических потенциалов содержит два полевых транзистора VT1 и VT2, первый R1, второй R2, третий R3, четвертый R4, пятый R5 и шестой R6 резисторы, причем источник питания одной полярности подключен к соединению первого R1 и второго R2 резисторов, а источник питания другой полярности - к соединению третьего R3 и четвертого R4 резисторов. Новым в предлагаемом устройстве является то, что оно дополнительно снабжено первым VT3 и вторым VT4 транзисторами, подключенными своими коллекторами соответственно к стокам транзисторов VT1 и VT2, эмиттерами - к источнику питания положительной полярности (+U_n), а базы соединены друг с другом и подключены к стоку транзистора VT1, третьим VT5 и четвертым VT6 транзисторами, подключенными своими коллекторами соответственно к истокам транзисторов VT1 и VT2, базами соединены друг с другом, а эмиттер транзистора VT5 соединен с вторым выводом резистора R4, последовательно соединенными резистором R7, коллектор-эмиттером пятого транзистора VT7 и стабилитроном VД1, подключенными анодом стабилитрона VД1 к источнику питания отрицательной полярности (-U_n), а вторым выводом резистора R7 к общей шине устройства, причем база и коллектор транзистора VT7 соединены между собой и подключены к базам транзисторов VT5 и VT6, восьмым резистором R8, подключенным одним выводом к эмиттеру транзистора VT6, а вторым к источнику питания -U_n, девятым резистором R9, включенным между истоками транзисторов VT1 и VT2, переменным резистором R11, подключенным своими крайними выводами к резисторам R2, R3, а средним выводом - к затвору транзистора VT2, усилителем ДА1, подключенным неинвертирующим входом к второму выводу первого резистора R1, инвертирующим входом - к коллектору транзистора VT4, в входами питания положительной и отрицательной полярности - к соответствующим источникам питания, десятым резистором R10, подключенным одним выводом к истоку второго полевого транзистора VT2, а вторым выводом - к выходу усилителя ДА1, выход которого является выходом устройства, причем резисторы R5 и R6 одними выводами подключены к общей шине устройства, а вторыми выводами - соответственно к неинвертирующему входу усилителя ДА1 и к истоку транзистора VT1, а транзисторами VT1 и VT2, являющимися чувствительными электродами устройства, являются полевые транзисторы с изолированными затворами. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения электростатических потенциалов, содержащее два полевых транзистора, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, причем источник питания положительной полярности подключен к точке соединения первого и второго резисторов, а источник питания отрицательной полярности к точке соединения третьего и четвертого резисторов, отличающееся тем, что оно содержит первый и второй транзисторы, подключенные своими коллекторами к стокам соответственно первого и второго полевых транзисторов, эмиттерами к источнику питания положительной полярности, а базами к стоку первого полевого транзистора, третий и четвертый транзисторы, подключенные своими коллекторами к истокам соответственно первого и второго полевых транзисторов, эмиттер третьего транзистора соединен со свободным выводом четвертого резистора, седьмой резистор, соединенный с коллектором пятого транзистора, эммитер которого соединен с катодом стабилитрона, анод которого подключен к источнику питания отрицательной полярности, свободный вывод седьмого резистора подключен к общей шине устройства, причем база и коллектор пятого транзистора соединены между собой и подключены к базам третьего и четвертого транзисторов, восьмой резистор, подключенный одним выводом к эмиттеру четвертого транзистора, а другим к источнику питания отрицательной полярности, девятый резистор, включенный между истоками первого и второго полевых транзисторов, переменный резистор, подключенный своими крайними выводами к соответствующим свободным выводам второго и третьего резисторов, а средним выводом к затвору второго полевого транзистора, усилитель, подключенный неинвертирующим входом к свободному выводу первого резистора и через пятый резистор к общей шине устройства, инвертирующим входом к коллектору второго транзистора, входами питания к соответствующим источникам питания положительной и отрицательной полярности, а его выход подключен через десятый резистор к истоку второго полевого транзистора и является выходом устройства, исток первого полевого транзистора соединен через шестой резистор с общей шиной устройства, причем затворы первого и второго полевых транзисторов являются измерительными электродами устройства. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве первого и второго полевых транзисторов применены полевые транзисторы с изолированными затворами, выводы от подложек которых соединены соответственно с истоками первого и второго полевых транзисторов.