Устройство для измерения электростатических зарядов материалов Советский патент 1984 года по МПК G01R29/12 

11 Изобретение относится к электроиз мерительной технике и предназначено для использования при испытаниях диэлектрических и полупроводниковых ма териалов на электростатическую заряд ку. Известно устройство для измерения электростатических зарядов материало содержащее заземленное основание для крепления исследуемого образца, неподвижный емкостной зонд, выход которого подключен к входу узла регист рации, электромеханический модулятор выполненный в виде диска с отверстия ми, насаженного на ось синхронного двигателя и расположенного между емкостным зондом и исследуемым образцом С1 Недостатки устройства заключаются в невысокой достоверности результатов измерения, обусловленной чувствительностью к воздействию внешних факторов, а также в низкой эксгшуата ционной надежности, предопределенной наличием механических, в частности вращающихся узлов. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения электростатических зарядов материало Ьодержащее заземленное основание для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительным электродом в виде тонкой консольной балки, усилитель низкой частоты, потенциальный входной вывод которого подключен к измерительному электроду, два синхронных детектора, сигнальные входы которых соединены с выходом усилителя низкой частоты, а выходы с входами блока вычитания, модулятор механический выход которого связан с .измерительным электродом, а один из электрических выходов подключен к управляющим входам синхронных детек торов, изолированный проводящий элект род, установленный на заземленном основании под емкостным зондом, усилитель постоянного тока, вход которого соединен с выходом одного из синхронных детекторов, блок сравнения входы которого подключены к выходам блока вычитания и усилителя постоянного тока, источник опорного напряжения, потенциальный вывод которого соединен сизолированнь1м проводящим электродом, а управляющие входы - с выходом блока сравнения и с другим Э41ектрическим выходом модулятора. 82 индикатор, включенный между изолированным проводящим электродом и шиной нулевого потенциах1а С 21. Недостатки известного устройства заключаются в невысокой эксплуатационной надежности вследствие значительной конструктивной сложности и весьма узком диапазоне измерения изза невозможности функционирования в области высоких потенциалов, вызывающих пробои между исследуемым образцом и емкостным зондом. Цель изобретения - повышение надежности в работе и расширение диапазона измерения. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения электростатических зарядов материалов, содержащем заземленное основание для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительным электродом, усилитель, потенциальный входной вывод которого подключен к измерительному электроду, синхронный детектор, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя, модулятор, один из выходов которого подключен к управляющему входу синхронного детектора, в емкостной зонд введены заземленный электрод с отверстием, пластина из сегнетоэлектрика и два модулирующих электрода, а модулятор выполнен в виде генератора переменного напряжения с проти- вофазными вьгходами, причем пластина из сегнетозлектрика установлена в отверстии заземленного электрода между измерительным электродом и исследуемым образцом, а модулирующие электроды нанесены на боковые грани пластины и соединены с вькодами модулятора. На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства для И1мерения электростатических зарядов материалов, дополненная трактом регистрации эталонной величины заряда ля исключения мультипликативной погрешности измерения. Устройство содержит заземленное снование 1 для крепления исследуеого образца 2, емкостной зонд 3 с змерительным электродом 4, заземленым электродом 5, пластиной 6 из егнетоэлектрика и модулирующими лектродами 7 и 8, усилитель 9, синхонный детектор 10,модулятор 11, выолненный в виде генератора переменого напряжения с противофазными выходами. Кроме того, на схеме показаны дополнительно используемые источ ник 12 опорного напряжения, эталоиньй образец 13, емкостной зонд 14 с измерительным электродом 15, заземленным электродом 16, пластиной 17 из сегнетоэлектрика и модулирующими электродами 18 и 19, усилитель 20, синхронный детектор 21, аналоговый делитель 22. Пластина 6 из сегнетоэлектрика установлена в отверстии заземленного электрода 5 между измерительным элект родом 4 и исследуемым образцом 2, модулирующие электроды 7 и 8 нанесены на боковые грани пластины 6. Аналогичным образом сопряжены между собой составные элементы емкостного зонда 14. Модулирующие электроды 7, 8 и 18, 19 соединены с противофазными выходами модулятора 11, потенциальные входные выводы усилителей 9 и 20 подключены соответственно к измерительным электродам 4 и 15, сигнальные входы синхронных детекторов 10 и 21 соединены соответственно с выходами усилителей 9 и 20, управляющие входы с одним из выходов модулятора 11, а выходы - с входами аналогового делителя 22, выход источника 12 опорного напряжения подключен к эталонному образцу 13. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии потенциала на исследуемом образце 2 сигнал 1 на измерительном электроде 4 емкостного зонда 3 отсутствует, ,а сигнал (J на измерительном электроде 15 емкостного зонда 14 пропорционален величине напряжения источника 12 опорного напряжения. Так как напряжение на входе усилителя 9 равно нулю, то напряжение на выходе синх.ройного детектора 10 и первом входе аналогового делителя 22 также равно нулю. Напряжение на втором входе аналогового делителя 22 соответствуе величине измеряемого емкостным зондом 14 эталонного напряжения. Поскольку выходное напряжение аналогового дели теля 22 пропорционально отношению напряжений U и ,, оно также находится на нулевом уровне. Если под действием каких-либо внешних факторов (например, в резуль тате воздействия потока заряженных частиц) исследуемы образец 2 приобретает электростатический потенциа то на измерительном электроде 4 появляется переменное напряжение с частотой, равной частоте модулятора 11, вследствие периодического изменения диэлектрической проницаемости пластины 6 и периодического перезаряда емкости, образованной поверхностям исследуемого образца 2 и измерительного электрода 4. Переменное напряжение на измерительном электроде 4 оказывается пропорциональным величине электростатического потенциала исследуемого образца 2. В этом случае усиленное напряжение на выходах усилителя 9, синхронного детектора 10 и на первом входе аналогового делителя 22 также пропорционально величине измеряемого электростатического потенциала, а, следовательно, выходное напряжение аналогового делителя 22 является мерой измеряемого заряда. Под влиянием температурных и временных факторов диэлектрическая проницаемость пластин 6 и 17 может изменяться, что приводит к изменению напряхсений на измерительных электродах 4 и 15 емкостных зондов 3 и 14. Однако вследствие идентичности зондов 3 и 14 и, в частности, пластин 6 и 17 диэлектрическая проницаемость последних изменяется в одинаковой степени. В такой же пропорции изменяются напряжения на входах аналогового делителя 22, а результирующий выходной сигнал остае гся постоянным (при постоянном заряде исследуемого образца 2). Благодаря противофазности напряжений, подводимых от модулятора 11 к модулирующим электродам 7, 8 и 18, 19 пластин 6 и 17, электростатические наводки на измерительные электроды 4 и 15 являются минимальными и могут быть снижены практически до нуля перемещением измерительных электродов 4 и 15 в небольших пределах относительно пластин 6 и 17. Повьпление эксплуатационной надежности предлагаемого устройства достигнуто за счет полного исключения из его конструкции.движущихся и вибрирующих узлов и деталей. Предлагаемое устройство характеризуется, кроме того, широким диапазоном измереН11я (расширенным в область высоких значений электростатических зарядов),

51112318

поскольку каящый используемый емкост-и зонда при сколь угодно больших поной зонд имеет в своем составе охраш-тенциалах. В данном случае исключаетный электрод, геометрические размерыся возможность высоковольтного пробоя которого позволяют обеспечить равномеящу измерительным электродом зонда мерность электрического поля межпу 5и исследуемым образцом и выхода из поверхностями исследуемого, образцастроя измерительного усилителя.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ МАТЕРИАЛОВ, содержащее заземленное основание для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительным электродом, усилитель, потенциальный входной вывод которого подключен к измерительному электроду, синхронный детектор, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя, модулятор, один из выходов которого подключен к управляющему входу синхронного детектора, отличающеес я тем, что, с целью повышения надежности в работе и расширения диапазона измерения, в емкостной зонд введены заземленный электрод с отверстием, пластина из сегнетоэлектрика и два модулирующих электрода, а модулятор выполнен в виде генератора переменного напряжения с противофазными выходами, причем пластина из сегнетоэлектрика установлена в отверстии заземленного электрода между измерительным электродом и исследуемым образцом, а модулирующие электро(Л ды нанесены на боковые грани пластины и соединены с выходами модулятора.