Измеритель параметров диэлектриков и проводящих сред Советский патент 1983 года по МПК G01R27/26 

I Изобретение относится к области неразр тнаюшего кпнт1:юпп пп 1лметрор магприплоБ, вешеств и и;зпелий и может быть использовано как пля намерения реактивных нмпсапнсов кптушек инпуктивиости и конпенсаторов, так и пля контроля технологических свойств пиэле трическит и провопяших о ъгктор, по вел чине внесенного имлепонса. Известно устройство пля контроля napaMf;TpOB катушек инцуктивности, осно ванное на измерении малых П знращений вносимого реактивного сопротивления и содержащее два автогенератора, измерительный , coennHOfiFiyKi с времязаааюшсй попью опного из автогеиератороп об)разцовую и измepитeльиyI J катушки инцуктивности; изморигельньгй тракт состоит из послеаовательно соепиненных частотного преобразователя, вхопы кото™ рого соединены с выхоаами aBTOi HepaTOfiOB, низкочастотного усилителя, ного детектора и индикатора, а также коммутатор, подвижный контакт которого соединен с измерительной ячейкой, а два неподвижных контакта - с первыми выво дами катушек, вторые выводы которых соединены с обшей точкой измерительной ячейки, и коммутационный генератор, выкоп которогосоедчнеп с опорны г нхопом синхронного ает эктора и с цепью управления коммутатора ij . Недостатком устройства являьтся низкая точность измерения, связанная с наличием- коммутационных помех, воз™ никаюших на входе измерительного тракта при переключении коммутатора, поскольку нестационарность спектра коммутационных помех приводит к перегрузке усилительных звеньев с большими коэффициентами передачи, а кроме того, в случае частотной модуляции тестового сигнала по указанной причине изменяется спектр зондирующего сигнала, что ведет X появлению дрейфа нуля (дополнительной аддитивной погрешности). Наиболее близким по технической сущ ности к предлагаемому является известное устройство для измерения малых при решений емкости и инауктивности, основанное на периодическом сравнении двух поочерецно вводимых в измерительный тракт сигналов с синхронным стро- бированием информационного низкочастот ного сигнала и содержащее высокочастот ный генератор, измерительный и образцо вый датчики, коммутатор, подвижный контакт которого соединен с времязадаю 562 шей цепью высокочастотного генератора, а два неподвижных контакта соединеныс пер. выводами соответсгвенно измерительного и образцового датчиков, вторые выводы которых соединены с корпусом устройства, последовательно соеаиненные частотный детектор, вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, избирательный высокочастотный усилитель, п|:зерыва тель, синхронный детектор и индикатор, а также коммутационный гене(затор, выход которого соединен с опорным вхо- аом синхронного детектора и с цепью управления коммутатора, и послеповательмо соединенные удвоитель частоты, вход которого соединен с коммутационного генератора, и одновибратор, выход которого соединен с цепью управ- пения прерывателя 2 . Однако известное устройство не обладает достаточной точностью измерения из-за наличия коммутационных помех, возникающих на входе частотного детектора и проходящих через весь усилительный контакт с большим коэффициентом усиления, необходимым при Ихзмерении малых значений входного инффмативкого параметра, что приводит к перегрузке и срыву устойчивости усилителя, охваченного, как правило, обратными связями, а цепь стробирования вырезания коммутационных помех прерывателем в каждый из полупериоцов частоты коммутации включает только звено с малым коэффициентом (синх|эонный ает(;ктор), к тому же использование прерывателя для стробирования на выходе измерительного тракта приводит к собственным коммутационным помехам, а нестабильность скважности приводит к изменению первой гармоники частоты коммутации, несушей информацию о входном измеряемом параметре. Кроме того, нестационарность спектре помех коммутатора ведет к возникновению адцитйвной погрешности измерения. Цель изобретения - повышение точности измерения малых значений внесенного импеданса. Поставленная цель достигается за счет того, что в измеритель парамет ров диэлектриков и проводящих сред, содержащий высокочастотный генератор, измерительную ячейку, измерительный и образцовый аатчики, первый коммутатор, подвижный контакт которого соецинен с входом измерктельно} ячейки, а два неподвижных контакта соецичены с первым вывоцами соответственно измерительного и образцового цагчиков, вторые вы воаъ которых соецинены с корпусом уст ройства, коммутационный генератор, послецовательно соециненные усилитель постоянного тока и индикатор, введены модулятор, два встречно включенных вентиля, второй коммутатор, интегратор квапратурныйАазоврашатепь,делитель час тоты, причем сигнальный и модулирующий входы модулятора соединены с выхо дами соответственно высокочастотного и коммутационного генераторов, входы вентилей соединены с выходом измери- тельной ячейки, неподвижные контакты второго коммутатора соединены соответственно с выходами вентилей, вход интегратора соединен с подвижным контактом второго коммутатора, а выход - с входом усилителя постоянного, тока, вход квадратурного фазовращателя соединен с выходом коммутационного генератора, а выход - с входом делителя частоты, вы ход которого соединен с управляющими входами коммутаторов. На фиг. 1 представлена блок-схема измерителя; на фиг. 2а- сплошными линиями изображены эпюры напряжений на выходе коммутационного генератора, модулятора, квадратурного фазовращателя, целителя частоты, измерительной ячейки, на входе и выходе интегратора соответственно, а также даны эпю выходных напряжений входной цепи формирования импульсов (фиг. 2 ) Б делителе частоты и входного инерционного звена (пунктирная линия на фиг. 2 ) в индикаторе. Причем для простоты графического изображения эпюры гармонических сигналов (несущих и огибающих синусоидальных напряжений фиг. 2 Ci - & 6 U Ж представлены в виде пилообразных хривых. Измеритель параметров диэлектриков и проводящих сред, содержит коммутаии онный генератор 1, высокочастотньж генератор 2, модулятор 3, квадрат1 рный фазовращатель 4, измерительную ячейку 5, первый коммутатор 6, делитель 7 частоты на 2 И (h - целое число на фиг. 2 условно приня.то И 2), измерительный датчик 8 с контролируемым объектом, образцовый датчик 9, вентили 10 и 11, второй коммутатор 12, интегратор 13, усилитель 14 постоянно го тока и индикатор 15. Измеритель работает следующим образом. Выходные сигналы с коммутационного 1 и высокочастотного 2 генераторов поааются соответственно на модулирующий и сигнальный вход модулятора 3, гае в результате их взаимодействия образуется амплитудно-модулированное напряжение, попеваемое в . качестве зондирующего сигнала на измерительную ячейку 5, КоэфсЬициент преобразования модулятора 3 согласован с уровнем heсущего сигнала, в качестве которого служит гармоническое напряжение частоты (i) с выхода высокочастотного ге- нерат ра 2, и с урх)внем модулирующего сигнала, в качестве которого используется гармоническое напряжение частоть Q (Qv..CO) коммутационного генератора 1 (фиг. 2 СХ ) таким образом, чтобы выходной амплитудно-модуляционный сигнал модулятора 3 (фиг. 26) имел коэффициент амплитудной модуляции равный или близкий к единице 100%-ная модуляция (степень, приближения зависит от нестабильноетеи вза- имоаействующнх сигналов). Измерительная ячейка может быть выполнена в випе колебательного конт ра, настроенного относительно несущей частоты Сл.) так, чтобы его рабочая точка при поцключении через первый коммутатор 6 измерительного 8 или образцового 9 аатчг.ков, находилась на линейном участке резонансной характеристякн. Частота коммутации датчиков формируется из выходного напряжения коммутационного генератора 1, которое, поступая на квадратурный фазовращатель 4, приобретает аополкительный фазовый сцвнг равный 00 (фкг. 2 D ) и с выхоца фазоврашател подаетсй на входные цепи делителя 7 частоты 2 h-кратного деления, где из гармонического напряжения частоты sZ формируется сначала прямоугольное напряжение той же частоты (фиг. 2 2 ), которое затем преобрэазуется в прямоугольное напряжение (фиг. 23) частоты Q / 2 п ( П- целое число) и используется для cifflxpOHHoro управления pa6oTa|i коммутаторов 6 и 12. Фазовый сдвиг модулирующего сигнала на 90 и деление его частоты в четное число раз (2я) приводит к тому, что переключение первого коммутатора б будет происходить в те моменты времени, когда несущее напрям-сение частоты зондирующего сигнала (амплитудномодулированного) равно или близко R н.- лю (фиг. 2 Поэтому коммутацио ная помеха (на эпюрах не показана), являющаяся функцией амплитуды и фазы коммутируемого сигнала, также стремит ся к нулю (в зависимости от глубины моауляции несущего напряжения в момен ты переключения датчиков). Поочерецное-поаключение измери-. тельного 8 и образцового 9 цатчиков к измерительной ячейке 5 привеает за счет вносимого импеаанса датчиков к периоцическому с частотой изменению частоты настройки контура (коэф фициента переаачи измерительной ячейки и к совмещению рабочей точки по склону его резонансной характеристики, вслецствие чего появится дополнительная ампл тудная модуляция напряжения зoнaиJзyк шего сигнала с частотой моауляцииЯ /2я (фиг. 26 ), причем информативным параметром (дважды) амплитудно-моаулиро- ванного сигнала измерительной ячейки является амплитуда низкочастотной огиба юшей, т.е. амплитуда нoJэOй модулирую шей функции частотыи (2 И, пропорциональная разности реактивных импедансов датчиков, зависящей от свойств объекта измерения, внесенного в поле измеритель ного датчика. При этом предполагается, что собственные импедансы измерительного 8 и образцового 9 датчиков ЭКБИ валентны и в одинаковой мере влияют на импеданс измерительной ячейки (датчики выполнены с минимальными потерями, конструктивно идентичны и соединены по дифференциальной схеме). Каждый из встречно включенных вентилей 10 и 11 из сложного амплитудномодулированного сигнала выделяет полуволны синусоиды несушей частоты Ы одной J oляpнocти, например, вентиль 10 выделяет только полуволны положительно полч-рности, а вентиль 11 - отрицательной и в результате поочередного подключения их выходов с помощью второго коммутатора 12 к интегратору 13 на входе последнего формируется периодичес .кая последовательность пакетов положительных и отрицательных полуволн синус иды высокой частоты ОО (фиг. 2 х). Период следования пакетов задается напряжением, поступаюцим на управляющий вход второго коммутатора с делителя 7 частоты, и равен4|| fi/C,- соот1зетственно длительность одного пакета равна211 п/Q , а так как первый и второй коммутаторы 6 и 12 уп(эавляются синхро но одним напряжением, то срецнее значе ние пакетного напряжения за полупериоа коммутации, зависящее от среднего значения амплитуды несущей частоты (сложного амплитуано-модулированного сигнала) за тот же полупериоа, будет пропорционально импедансу датчика, подключенного к измерительной ячейке 5. Периодическое изменение знака пакетного напряжения вследствие поочередного подключения встречно включенных вентилей 10 и 11 к входу интегратора 13 приводит к периоцическому пе- резаряду накопительного элемента интегратора 13 и появлению на его выходе пульсирующего напряжения (фиг. 2J сплошная линия), величина пульсации которого при соответствующем вьгборе постоянной интегрирования с (L «lltn/) может быть сведена к величине ) гораздо меньшей, чем среднее значение выходного напряжения инте гратора 13. Необходимо подчеркнуть, что поскольку периоды неинформативной и информативной модулирующих функций (2Я/ и 4ffil/Q }чратны, то среднее за полупериод коммутации (TI h I Q} значение выходного напряжения интегратора 13 не зависит от амплитуды (т.е. от глубины модуляции)дополнительного неинформативного модулирующего сигнала частоты Д, и зависит только от среднего (за тот же полупериод) значения амплитуды модулированного сигнала частотыCJ, а так как амплиту да последнего прюпорци- ональна импедансу датчика, подключенно го в данный полупериод коммутации, то за один период коммутации (IlTn/n) среднее значение выходного напртжения интегтагора 13, зависящее от девиации среднего значения амплитуды модулированного сигнала (частотыGj) за nepvi- , будет пропорционально разности импедансов датчиков 8 и 9, зависящей от свойств контролируемого объекта, внесенного в зону чувствпгельнссти измерительного датчика 8. Напряжение с вы:ода интегратора 13 через усилитель постоянного тока 14 подается на входное инерционное звено индикатора 15, выходное напряжение которого (пунктирная линия на фиг. 2 ), пропорциональное значению внесенного импеданса, зависящего от технологических свойств объекта измерения, регистрируется индикатором. Таким образом, введение дополнительной модуляции тестового сигнала га моническим сигналом при соответствукт71шем выборе соотношения мэжау фазами этих сигналов позволяет исключить влияние коммутационных помех, связанных с информативной модуляцией, на входе измерительного тракта. Кроме того, в предлагаемом измерителе имеется возможность расширения динамического диапазона измерений в сторону малых значений входного информативного параметра (понижение порога чувствительности) эа счет эффекта накопления информативной составляющей сигнала в интеграторе, поскольку случайные составляющие при больше времени интегрирования незначительно искажают выходной сигнал, и за счет увеличения коэффициента передачи цепей усиления, поскольку переключение комму таторов осуществляется в моменты врем ни, когда напряжение тестового сигнала pfiBHO или близко к нулю, благодаря чему исключается возможность перегрузки усилительных цепей с больщнм коэффици68ентом передачи под влиянием коммутационных помех. Повышение точности измерения в сочетании с низким порогом чувствител{ носги позволяет использовать измеритель, например для контроля толщины или равномерности покрытий, толщина которых не должна превышать оптимальную, наносимых как для защиты материалов от Ко(розви, и для обеспечения постоянства технологических параметров. При этом с целью сведения к минимуму влияния свойств основы в образцовый датчик помещается изделие или образец материала без покрытия. В этом случае измерения толщины покрытия по существу сводятся к измерению между изделием и рабочей поверхностью накладного измерительного датчика. При контроле равномерности покрытия в поле образцового датчика помещается образец основы с заданной оптимальной толщиной покрытия.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЛИЭЛЕКТРИКОВ И ПРОВОДЯЩИХ СРЕД, содержащий высокочастотный генератор, измерительную ячейку; измерительный и образцовый датчики, первый коммутатор, подвижный контакт которого соединен с вхоцом измерительной ячейки, а цва неподвижных контакта соединены с первыми выводами соответственно измерительного и образцового датчиков, вторые выводы которых соединены с корпусом устройства, коммутацисиный генератор, последовательно соединенные усилитель постоянного тока и инаикатор, ОТЛИЧИ юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения малых значений внесенного импецанса, в него введены модулятор, два встречно включенных вентиля, второй коммутатор, интегратор, квадратурный фазовращатель, целитель частоты, причем сигнальный и модупирукший входы моцупятора соединены с выходами соответственно высокочастотного и коммутационного генерагорюв, входы вентилей соединены с выходом измерительной ячейки, непоц- вижные контакты второго коммутатора соединены соответственно с выхо(Л дами вентилей, вход интегратора соецинен с подвижным контактом второго коммутатора, а выход - с входом усилителя постоянного тока, вход квадратурного фазовращателя соединен с выходом коммутационного генератора, а выход - с входрм делителя частоты, э У1 выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов. СП at)

2Л

ir

га

/ч y y уч /ч у

7 V V Ч V V

III