Устройство для определения плотности заряда на неровных поверхностях Советский патент 1985 года по МПК G01R29/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может испольвовать ся в электрографии, фазовой рельефо граф.ии, дефектоскопии, микроэлектро:нике, а также в электротехнике, текстильной и химической промышленности и при выполнении научных исследований. Цель иаобретеш{я -расширение фун циональных возможностей устройства, заключающееся в обеспечении измерения распределения плотности заряда н поверхностях с широким диапазоном ве личины неровностей а таюке повьваени устойчивости функционирования. На фиг.1 представлена структурная схема устройства, на фиг.2 - модулятор электродинамического типа с одним дополнительным зондом. Устройство содержит зонд 1, соединенный механически с подвижной сис темой 2, модулятор 3, состоящий из возбуждающего 4 и измерительного 5 электродов. Возбуждающий электрод 4 подключен к генератору 6 высокой час тоты, а измерительш электрод 5 соединен с ивдикатором 7 через заграждающий по высокой частоте фильтр 8, усилитель 9 низкой частоты и синхронный детектор 10, а также с модулятором 3 через заграждающий по низкой частоте фильтр 8, селективный усилитель М вькокой частоты и синхронный детектор 12 высокой частоты. Входы опорного сигиала синхронных детекторов 10 и 12 связаны соответственно с генератором 13 низкой частоты, подключеннь к модулятору 3, и с генератором 6 высокой частоты, к торый через блок 14 начального уровня соединен с вторым входом селективного усилителя 11 высокой частоты Устройство содержит также дополнительные зонды 15, которые соединены с соответствующими сервосистемами 16 через загралвдающие по низкой частоте фильтры 17, селективные усилители 18 высокой частоты и синхронные детекторы 19 высокой частоты, связанные по входу опорного сигнала с генератором 6, выход которого через блоки 20 начального уровня соединен с входами опорного сигнала селективных усилителей 18 высокой астоты. Сервосистемы 16 включены между модулятором 3 и координатором 21, синхронизирующим работу индикатора 7, Основной и дополнительные зонды 1 и 15 вместе с модулятором 3 и сервосистемами 16 образуют электромеханическую систему телескопичес кого типа,В устройстве, предназначенном для измерения плотности заряда на неплоской гладкой поверхнос ти 22 дополнительный зонд 15 расположен на корпусе 23 модулятора 3, а основной зонд соединен мехаиически с подвижной системой 2, взаимодействующей с полем магнита 24 и укреплеиной на пружинах диафрагмах 25, Устройство работает следуюаап4 образом. Зонд 1 помещается с помощью координатора 21 над заряженной поверхностью 22 на; заданном расстоянии ti,. Вследствие подачи напряжения от i eнератора 13 низкой частоты на модулятор 3 подвижная Система 2 вместе с основным зондом совершает осциллирующие колеваяня с малой амплитудой U Н по нормали к некоторой базовой плоскости, расположенной над поверхностью 22. l Sinflt . На измерительном электроде 5 зонда 1 ицдуцируется заряд, пропорциональный плотности заряда поверхности 22, который например, в случае плоско-параллельного поля в области расположения зонда 1 можно выразить следующим образом .,х где Н - средняя толщина заряженного слоя с постоянной диэлектрической проницаемостью; - плотность заряда, 5б - поверхность. Переменная составляющая напряжения, пропорциональная заряду д« после усилителя 9 и детектора 10, на который подается опорное напряжение от генератора 13, измеряется индикатором 7. Г .wX 4J4 где к - общий коэффициент передачи по напряжению усилителя 9 и детектора 10. При сравнительно быстром относительном перемещении слоя и зонда (линейная скорость больше О, м/с) целесообразно измерять индуцированный на зонде заряд бея его преобразования в переменное напряжение на частоте, В этом случае генератор 13 низкой частоты и синхронный детектор 10 исключаются из схемы, а вместо селективного усилителя 9 используется широкополосный, соединенный с индикатором 7 непосредстве но. Действительно, так как дК О, из формулы С1) имеем На возбуждающий электрод 4 зонда 1 подается от генератора 6 напряжение высокой частоты U «Ueimi t , и, вследствие этого, на измерительиом электроде 5 индуцируется напряжение пропорциональное переменному заряду на частоте О. Это напряжение после сложения усилителем 11 с компенсирующим напряжением через блок 14 на чального уровня от генератора 6 вьгсокой частоты и синхронный детек тор 12 поступает на модулятор 3 )i , (3) где С, - результирующая емкость межд возбуждаю1цим и измерительными электродами 4, 5 зонда 1, которая может быть представлена.в виде суммы постоянной емкости Cot, соответствую щей расстоянию h01 и переменной составляющей л С , обусловленной вариациями Н , . . (4) С учетом выражения (4) получаем 1. где А - коэффициент пррпорционально ти. в результате селекции на частоте oJ вкпеляется переменная составляюцая напряжения, амплитуда которого U f д Ср1У компенсируется на пряжением, подаваемым на вход опорно го сигнала селективного усилителя I через блок 14 начального уровня от генератора 6, и поэтому напряжение подаваемое по этой цепи на модулятор 3 равно, нулю. При изменении HC в процессе перемещения зонда 1 ;вдоль заряженной поверхности на вы- . ходе детектора 12 появится напряжение рассогласования, которое, воздействуя на подвижную систему 2 модулятора 3, возвращает ее вместе с зондом 1 в равновесное состояние и тем самым восстанавливает значение ho,. «. -v Для уменьшения взаимного влияния цепей низкой и высокой частоты между зондом 1 и селективньв«1 усилителями 9 и II включены заграждающие фильтры 8, настроенные соответственно на высокую и низкую частоты. Одновременно с основным зондом на кажднй из дополнительных зондов 15 также индуцируется напряжение, пропорциональное емкости между :возбуждшов(им электродом 4 и соответствующим дополнительньм зондом. K()UoSnu.t, U1 где Со, - значение емкости между возбуждающим электродом 4 и К-м дополнительным зондом 15, соответствующе некоторым расстоянием h, между каждым зондом и поверхностью 22,. причем. ОК 0(1С-1) Селекция на частоте «J усилителями 18 и компенсация амплитудного значения переменной составляющей ( % ) с помощью напряжения подаваемого от генератора 6 на вто рые входы усилителей 18 через блоки 20 начального уровня, соответствует равновесному состоянию каждой сервосистемы 16, соединенной с выходами селективных усилителей 18 через синхронные детекторы 19, на которые подаются опорные напряжения от генератора б высокой частоты. Изменение начального уровня при перемещении зонда 1 вдоль заряженной поверхности 22 приводит к появлению напряжений рассогласования на каждой из сервосистем 16, обусловленных изменением €„,. , 4j , в результате действия обратных свягяей восстанавливаются заданные первоначальные уровни. Для повьпвения устойчивости функ ционирования устройства между каждым зондом 15 и соответствующими селективными усилителями 18 высокой частоты включены заграждающие фильтры 1 низкой частоты, настроенные на частоту генератора 13 низкой частоты. Устройство с несколькими дополнительными зондами применяется в слу чае исследования поверхностей с боль шим диапазоном неровностей. В этом случае все дополнительные зонды (основным является центральный) и соответствующие им сервосистемы связаны электромеханически - на подвижном элементе каждой последующей сервосистемы закреплен неподвижный элемент предьщущей сервосистемы и один дополнительный зонд. Подвижньй и неподвижный элементы сервосистемы могут быть выполнены и связаны между собой различным образом, например в виде постоянного магнита (неподвижный элемент) и катушки (подвижиый элемент, подвешенной относитель но магнита на пружинах, или в виде двух катушек, связанных между собой пружинной диафрагмой, или другим образом. Однако зонды, подвижные и неподвижные элементы сервосистем .образуют всегда последовательную электромеханическую связь по типу штыревой телескопической системы. Это значит, что при работе устройства вступает в действие сначала грубая сервосистема (имеющая большой дополнительный зонд и чувствительная к неплоскостности), затем все более и более чувствительные системы к другим, более мелким, неровностям. Таким образом, при перемещении устройства над исследуемой поверхностью более грубые сервосистемы обеспечивают работу устройства при малых пространственньтх частотах неровностей, но больших амплитудах (неплоскостность}, а более тонкие - при больших пространственньи частотах, но меньших амплир тудах., Таким образом, при перемещении системы зондом 1 и 15 вдоль неровной заряженной поверхности 22 каждый из них вместе с соответствующими селективньми усилителями 11 и 18, синхронными детекторами 12 и 19, модулятором 3 и сервосистемами 16 и фильтрами 8 и 17 повторяют рельеф поверхности 22 в широком диапазоне изменения его пространственных составляющих.

Фиг.г

к 12.13

22

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА НА НЕРОВНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ, содержащее координатор, генератор низкой частйты подключенный к модулятору, подвижная система которого механически связана с зондом, имеющим возбуждающий электрод, подключенный к выходу генератора высокой частоты, измерительный злект род, усилитель низкой частоты, соединенный через синхронный детектор низкой частоты с индикатором, связанным также с координатором, и селективный усилитель высокой частоты, соединеннь й через синхронный детектор высокой частоты с модулятором причем входы опорного сигнала синхронных детекторов низкой и высокой частоты подключены соответственно к выходам генераторов низкой и высокой частоты, а вход опорного сигнала селективного усилителя высокой частоты соединен с выходом генератора высокой, частоты через блок начального уровня, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, заключающемся в обеспечении измерения на поверхностях с широким диапазоном -величины неровностей и повышения устойчивости функционирования, в него введены N дополнительных зондов и соединенных с ними механически N сервосистем, через которые последовательно также механически координатор связан с модулятором, по числу дополнительных зондов введены соединенные с каждым из них (Л последовательно заграждающий фильтр низкой частоты, селективный усилис тель высокой частоты и синхронный детектор высокой частоты, подключенный к соответствующей сервосистеме, причем входы опорного ,сигнала дополнительных синхронных детекторов высокой частоты соединены с выходом генератора высокой частоты, который через N блоков начального уровня 4ii подключен к входам опорного сигнала X) селективных усилителей высокой часND тоты, измерительный электрод подключен к входу усилителя низкой частоты через введенные дополнительно заграждающий фильтр высокой частоты, а к входу основного селективного усилителя высокой частоты через заграждающий фильтр низкой частоты.