Диэлькометрический датчик Советский патент 1984 года по МПК G01R27/26 

«

00 00

СП

О)

Изобретение относится к технике послойного контроля однородности физических параметров слоистых сред, неметаллических материалов и .изделий и может быть использовано в не разрушающем контроле, в толщинометрии диэлектрических покрытий при одностороннем доступе к ним, а также в качестве тактильного датчика для робототехники, , Известно устройство для неразрушающего послойного контроля диэлектг рических свойств материалов, содер. жащее накладной измерительный конденсатор с изменяемым межэлектродным промежутком, который соединяется с. мостовой измерительной цепью или с колебательным контуром измерительного генератора l .

В устройстве при коглпланарных электродах поток плотности электрического поля весьма неравномерно распределен по зоне контроля, что приводит к большой неравномерности разрешения и невысокой точности контроля.

Наиболее близким к предложенному является устройство, содержащее компланарные ленточные электроды, расположенные симметрично относительно центрального высокопотенциального, электрода на диэлектрической подложке, и двухпозиционнцй переключатель, одни контакты которого соединены с электродами таким образом, что при переключении .получают минимальную глубину пройикновения поля в исследуемый материал, а другие максимальную 2 .

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения.

Цель изобретения - повышение точности послойного контроля однородности физических параметров слоистых сред, неметаллических материалов и изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в диэлькометрический датчик содерхсащий компланарные низкопотенциальные электроды, расположенные симметрично относительно центрального высокопотенциального электрода на диэлектрической подложке, и переключатель, введены выравнивающие резистивные элементы, емкостный накопитель и операционный усилитель с формирователем выходного сигнала, причем ближайщий к центральному электроду низкопотенциальный электрод Соединен выравнивающим резистивным элементом с емкостным накопителем, подключенным к входу операционного усилителя, а остальные низкопотенциёшьные электроды соединены отдельными выравнивающими резистивными элементами со средними выводами переключателей, нормально замкнутые контакты которых подключены к эквиваленту входного сопротивления операционного усилителя.

На фиг. 1 изображена электрическая схема диэлькометрического датчика,

на фиг. 2 - диэлькометрический датчик, продольный разрезу на фиг. 3 то же, вид сверху; на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 2.

Диэлькометрический датчик содер0 жит верхнее диэлектрическое основание 1 с компланарными электродами 2 и центральным высокопотенциальным электродом 3, выравнивающие резистивные элементы 4, соединяющие низ5 копотенциальные электроды 2 с переключателем 5, емкостный накопитель 6 на входе операционного усилителя 7, эквивалент входного сопротивления усилителя 8 и формирователь 9 выQ ходного сигнала, подключенный к выходу усилителя.

Диэлькометрический датчик фиг.2 выполнен на дискретных компонентах РЭА, в частности, с двумя магнитоуправляемыми переключателями,

однако при требований меньшей дискретности послойного неразрушающего контроля преобразователь может иметь m низкопотенциаЛьных электродов и (m-l) каналов переключателя.

0 Допустимые значения hi определяются только коэффициентом усиления операционного усилителя 7 и допустимой амплитудной зондирующего импульса напряжения, подводимого k высоко5 потенциальному электроду 3.

Ленточные электроды 2 и 3 и выравнивающие резистивные элементы 4 изготавливаются путем вакуумного

0 напыления на пластинах поликора

или ситала с последующим нанесением защитного изоляционного покрытия. Верхее диэлектрическое основание 1 размещено на верхней диэлектричес5 кой прокладке 10 с малой диэлектрической проницаемостью. Ленточные электроды 2 и 3 соединяются через., металлизированные отверстия посредством контактных металлических

П штырей с выравнивающими резистивными элементами 4; расположенными на нижнем диэлектрическим основании 11, установленном на нижней диэлектрической прокладке 12. В низкопотейциальной зоне выравнивающих резистивных элементов 4 расположёны полоски экранирующего покрытия, которыми образуются активно-емкостные отрезки линий с распределенными параметрс1ми. Высокопотенциальный электрод 3 соеди0 нен с центральным проводником коаксиального кабеля, а его оболочка с экранирующим покрытием низкопотенциальной зоны выравнивающих резистивных элементов 4 и общим корпусом 5 экраном 13.

Указанным коаксиальным кабелем осуществляется подвод импульсного напряжения от внешнего источника к диэлькометрическому датчику. Верхнее диэлектрическое основание 1, верхняя прокладка 10, нижнее диэлектрическое основание 11 и подводящий коаксиальный кабель путем клеевого соединения образуют единое целое. Выводы выравнивающих резистивных элементов 4 и емкостный накопитель 6 находятся в экранируемой области и соединяются монтажным жгутом с выводами контактов переключателей 5 на плате операционного усилителя 14.

Процесс формирования выходного сигнала поясняется электрической схемой диэлькометрического датчика (фиг. l)..

К высокопотенциальному электроду 3 подводится импульс напряжения, например отрицательный, по длительности превышающий время установления электрического поля в испытумом объекте. Поток электрического поля с высокопотенциального электрода 3 на низкопотенциальные 2 расчленяется на части, соотношение между которыми определяется распределением поля в испытуемом объекте. Токи смещения через отдельные низкопотенциальные электроды 2 однозначно определяются динамикой потокораспределения электрического поля и фиксируются изменениями напряхсения на емкостном накопителе б и, так как сопротивление любого резистивного элемента 4 превышает входное сопротивление усилителя 6, указанное квазистационарное распределение поля в объете контроля практически не меняется при изменении положения контактов переключателя 5.

Изменение геометрических или электрофизических характеристик объекта контроля приводит к соответствующим изменениям уровней переходного напряжения на емкостном накопителе 6, которые передаются на инвертирующий вход операционного усилителя 7. Напряжение с выхода операционного усилителя 7 поступает на входформирователя 9 выходного сигнала, состоящего, например, из резис тора и обращенного диода. При увеличении положительного потенциала на выходе операционного усилителя 7 обращенный диод переключается иэ состояния низкого сопротивления в состояние высокого сопротивления и формируется передний фронт выходного сигнала. При уменьшении указанного потенциала в течение некоторого времени, происходит обратное переключение обращенного диода и формируется заданный фронт выходного сигнала.

Информативными параметрами предлагаемого диллькометрического датчика являются относительные изменения длительностей выходных сигналов при последовательной во времени и пространственно упорядоченной коммутации низкопотенциальных электродов переключателя 5. Процесс установления электрического поля в неоднородном в несовершенном диэлектрике определяется двумя факторами - быстрым переходным процессом начального этапа

0 и относительно медленным переходным процессом накопления объемного заря- да на неоднородностях при соответствующем перераспределении электрического поля по контролируемому

5 объекту. Начальный этап перекодного процесса характеризуется токгили заряда частичных емкостей в системекомпланарных электродов диэлькометрического датчика. Эти токи протекают через резистивные элементы 4,. выравнивающие распределение плотностей тока через секционированный низ копотенциальный электрод. Переходной процесс накопления объемного

5 электрического заряда на неоднородностях также приводит к появлению уравнительных токов через резистивные элементы 4. Выбор параметров резистивных элементов 4, емкостного накопителя 6 и входной цепи операционного усилителя 7 определяет, какой из указанных факторов процесса установления электрического поля в исследуемом объекте блоее существенеый для выбранного класса объектов контроля. От выбранного класса объектов контроля зависит и режим зондирования, а именно частота повторения одиночных импульсов или частота следования импульсов в пакете. Верхняя допустимая частота следования импульсов и скважность определяются временными характеристиками релаксационных процессов в диэлектрике испытуемого материала или изделия.

Време.нный интервал Т между зондирующими импульсами выбирается таким, что. переходное напряжение U. (t) на накопительном конденсаторе удовлетворяет УСЛОВИЮ ,

UcH Uca,tT)0. (1) При этом значения сопротивления выравнивающих резисторов выбираются из соотношения

«- ,0

IbT -

Zff - сопротивление выравнивающего резистора с номером п, отсчитанным от крайнего низкопотенциального электрода, . m - число низкопотенциальных

электродов; . . Rg - эквивалентное входное сопротивление усилителя} (р„ - кваэистационарное значение потенциала на низкопотеициальном электроде с номером п при отключенных вы равниоакщих резисторах и однородной среде окружающе пространства, -Эффективность предлагаемого диэл кометрического датчика обусловлена Тем, что он позволяет осуществить измерение отдельных составляющих по тока поля в контролируемой среде. В качестве базового объекта рассмотрены электроемкостный преобразователь к отечественному прибору ИДПи аналогичный первичный преобразователь, выпускаемый серийно какадс кой фирмой Sandtron Automation, типа KaS-70-40s. f К, Наличие в предлагаемом устройстве выравнивающих 4 езистивных элементов между секционированным низкопотенциальным электродом и входной частью встроенного вторичного пре образователя на основе операционного усилителя позволяет не только повысить точность послойного контроля, но и увеличить глубину зоны контроля в условиях одностороннего доступа к объекту контроля. При увеличении сопротивления резистивных элементов и при соответствующем увеличении амплитуды зондирующих импульсов может быть достигнуто дополнительное повшоение точности послойного контроля. Амплитуда зондирующих импульсов ограничена только электрической прочностью защитного изоляционного покрытия и электрофизическими свойствами объекта контроля .

I

L

/j

ДИЭЛЬКОЬШТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, содержащий компланарные ниэкопотенцисшьные электроды, расположенные : сиивлетрично относительно центрального высокопотенциального электрода на диэлектрической подложке, и пе-. реключатель, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности послойного контроля длоиотых сред, HeMeTajmH4ecKHx материалов и изделий, в него введены выравнивающие резистивные элементы, емкостный накопитель и операционный усилитель с формирователем выходного сигнала, причем ближайший к центральному электроду ниэкопотенциальный электрод соединен выравнивающим резистивным элементом с емкостным накопителем, подключенным к входу операционного усилителя, а остальные низкопотенциальные электроды соединены отдельными выравнивающими резистивными элементами со средними выводами переключателей, нормально замкнутые контакты которых подключены О) к эквиваленту входного сопротивления операционного усилителя.