Устройство для измерения электростатического потенциала образца Советский патент 1986 года по МПК G01R29/12 

0

1щапьный вывод источника 18 подключен к управляющему электроду 6 зонда 1.

Устройство работает следующим образом,

В исходном состоянии, если измеряемый электростатический потенциал равен нулю (промежуток времени 0-i, на фиг.З), электростатические силы между поверхностью испытываемого образца 2 и поверхностью измерительного электрода 3 зонда 1 отсутствуют, деформадая измерительного электрода 3 также отсутствует, сопротивления резистивных элементов измерительного 3 и компенсационного 4 электродов одинаковы и мост, состоящий из резистивных элементов этих электродов и резисторов 9 и tO, сбалансирован. При этом выходной сигнал 20- усилителя 12,, равный нулю, поступает на запрещающий вход счетчика 14 и импульсы тактового генератора 15 не зоздействуют на него. Счетчик 14 находится в нулевом состоянии, на выхо

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при испытаниях диэлектрических и полупроводниковых материалов на электростатическую зарядку.

Целью изобретения является повышение точности измерения электростатического питенциала и надежности работы.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенного устройства для измерения электростатического потенциала образца; на фиг. 2 - ре- зистивный элемент измерительного и компенсационного электродов, вид сверху; на фиг.З - временные диаграммы напряжений на выходах отдельных составных блоков.

Устройство содержит измеритепьный зонд 1 (фиг,1), устанавливаемый вблизи испытываемого образца 2, Зонд 1 состоит из измерительного 3 и компенсационного 4 электродов, каждый из которых выполнен в виде мембраны из по- 25 де цифроаналогового преобразователя лимерной пденки, натянутой на торро- 17, и, соответственно, на вьпсоде ре15

идальиое металлическое кольцо 5, с напыленным резистивным элементом в виде спирали (фиг.2), управляющего 6 и заземленного экранирующего 7 элек тродов, расположенных на одинаковом расстоянии от измерительного 3 и компенсационного 4 электродо з соответственно. Все электроды скреплены с помощью изоляционных втулок 8. Резис- тивные элементы измерительного 3 и компенсадаонного 4 электродов соединены с калиброванными резисторами 9 и 10 по мостовой схеме, в одну из диагоналей которой включен источник 11 питающего постоянного напряжения, а в другую диагональ - усилитель 12, Выход усилителя 12 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 13 в частности к запрещающему входу Ц-разрядного счетчика 14. Счетный вход счетчика 14 соединен с выходом тактового генератора 15, а вход сброса - с выходом генератора 16 импульсов сброса. Информационные вы- хрды счетчика 14 подключены к соответствующим разрядным входам цифро- аналогового преобразователя 17 и цифровому выходу устройства. Выход диф- роаналогового преобразователя 17 соединен с входом регулируемого источника 18 компенсирующего напряжения (на постоянном токе) и аналоговым выходом устройства. Выходной потен

0

37999-1

1щапьный вывод источника 18 подключен к управляющему электроду 6 зонда 1.

Устройство работает следующим образом,

В исходном состоянии, если измеряемый электростатический потенциал равен нулю (промежуток времени 0-i, на фиг.З), электростатические силы между поверхностью испытываемого образца 2 и поверхностью измерительного электрода 3 зонда 1 отсутствуют, деформадая измерительного электрода 3 также отсутствует, сопротивления резистивных элементов измерительного 3 и компенсационного 4 электродов одинаковы и мост, состоящий из резистивных элементов этих электродов и резисторов 9 и tO, сбалансирован. При этом выходной сигнал 20- усилителя 12,, равный нулю, поступает на запрещающий вход счетчика 14 и импульсы тактового генератора 15 не зоздействуют на него. Счетчик 14 находится в нулевом состоянии, на выхо25 де цифроаналогового преобразователя 17, и, соответственно, на вьпсоде ре15

гулируемого источника 18 компенсирующего напряжения и управляющем электроде 6 напряжение равно нулю.

Если под действием каких-либо внеганих факторов (например, в результате воздействия потока заряженных частиц) испытываемьй образец 2 приобретает электростатический потенциал какой-то определенной величины Цщ (фи1 . За, момент времени i, ), то в результате действия электростатических сил, возникающих между поверхностью испытываемого образца 2 и измерительного электрода 3, последний прогибается в сторону испытываемого образца 2, сопротивление резистивно- го элемента на его поверхности увеличивается. Это приводит к нарушению баланса моста, на выходе усилителя f2 появляется напряжение рассогласо-. вания (),2 (фиг.З б), которое разрешает счет импульсов в счетчике 14. Последний начинает счет импульсов и 15 (фиг.Зв) , поступающих от тактового генератора 15, что приводит к ступенчатому росту напряжения 1), (фиг. 3 д) на выходе цифроаналогового преобразователя 17 с дискретностью 1/2 . При достаточно большом числе разрядов .счетчика 14 рост напряжения на выходе цифроаналогрвого преобразователя 17 может считаться линей- ным с высокой точностью. Линейно на

3

растающее напряжение с выхода цифро аналогового преобразователя 17 поступает на вход регулируемого источн ;ка 18 компенсирующего напряжения, что вызывает линейное нарастание напряжения на его выходе, которое подается на управляющий электрод 6 Под действием этого напряжения де- формадая измерительного электрода 3 компенсируется, измерительный электрод 3 занимает исходное положение. Сопротивление резистивного элемента измерительного электрода 3 восстанавливается до исходного состояния, мост балансируется и на выходе усилителя 12 появляется уровень напря

жения, равный О, который останавливает счетчик 14 в определенном состоянии (момент времени ij на фиг.З).

Промежуток времени &t t,j-t, характеризует быстродействие устрой-, ства при возрастании измеряемого потенциала и определяется главным образом скоростью упругой деформации управляющего электрода 6, поскольку быстродействие электронных элементов устройства (усилителя 12, счетчика 14, цифроаналогового преобразователя 17, регулируемого источника 18 компенсирующего напряжения) на несколько порядков выше. В момент време- ни t состояние счетчика 14 (логические уровни напряжений на его разрядных выходах) является цифровой формой информации о величине измеряемого электростатического потенциала испытываемого образца 2-, а выходное напряжение iJ,j цифроаналогового преобразователя 17 - аналоговой мерой измеряемого потенциала.

Если электростатический потенциал испытываемого образца 2 увеличивается до уровня {1„2 (момент времени t, на фиг.З), Процесс измерения повторяется, через промежуток времени it 5 выходная информация будет соответствовать величине измеряемого электростатического потенциала.

Если электростатический потенциал испытываемого образца 2 уменьшается 50 до уровня U|,, (момент времени t на фиг.З), измерительный электрод 3 прогибается в сторону управляющего электрода 6, что вызывает разбаланс моста, аналогичный разбалансу приувеличении 55 электростатического потенциала. В этом случае баланс моста не наступает, так как появившееся напряжение рассог40

10

15

5

0 5 ласования на выходе моста и усилителя 12 приводит к еще большему напряжению на выходе регулируемого источника 18, большей деформации измерительного электрода 3 и еще большему разбалансу моста. Этот процесс продолжается до момента i прихода импульса сброса (фиг.З г) с выхода генератора 16, а вьпсодная информация (как цифровая, так и аналоговая) в интервале времени ) не соответствует величине измеряемого электростатического потенциала. Однако, с приходом импульса сброса и, в момент времени tj устройство приходит в исходное состояние, процесс измерения повторяется Аналогично предлагаемому при увеличении электростатического потенциала и выходная информация будет соответст- 20 вовать величине измеряемого электростатического потенциала.

Рассмотренный случай быстрого изменения величины электростатического потенциала является чисто гипотети25 ческим. За время, равное периоду Т импульсов сброса (Ji6 электростатический потенциал диэлектрических образцов не меняется, поскольку про-, цесс накопления потенциала достаточно медленный, и процесс измерения характеризуется эпюрами напряжений в промежутке вpeмeниt -t. При этом выходная информация в промежутке времени соответствует величине измеряемого электростатического

5 потенциала, а так как , ,, то можно считать, что выходная информация всегда соответствует величине измеряемого электростатического потенциала кроме тех случаев, когда

0 время уменьшения электростатического потенциала меньше периода Т импульсов сброса U,g . Следовательно, пред- ;ложенное устройство предназначено- для измерения постоянных электроста- тических потенциалов или изменяющихся с небольшой скоростью. Измерения величины электростатического- потенциала испытываемого образца 2 повторяются периодически

0

с периодом Tj, импульсов сброса tl. Величина этого периода не играет су- щественного значения и должна удовлетворять единственному условию - быть не времени измерения электро- статического потенциала. В связи с тем, что скорость изменения электро- статических потенциалов очень мала, период Т следования импульсов сброса LI во много раз больше времени измерения и выбирается исходя из требуемой дискретности измерения.

Компенсационный электрод 4 служит для компенсации изменений, происходя- вдих с измерительным электродом 3 под действием температурных, временных и других факторов в процессе эксплуатации. Компенсация достигается полной идентичностью изготовления измерительного 3 и компенсационного 4 электродов и напыленных на них резистивных элементов. Заземленньй экранирующий электрод 7 служит для экранирования компенсационного 4 и управляющего 6 электродов.

В предложенном устройстве По сравнению с известными достигнуто качественное повышение достоверности измерения электростатического потенциала в жестких условиях эксплуатации при воздействии механических факторов (вибраций, ударов) в широком диапазоне частот и ускорений. Это преимущество позволяет значительно расширить сферу применения устройства и использовать его, например, при исследовании процессов электризации элементов конструкции летательньк аппаратов, технологических процессов, связанных с производством пленочных полимерных материалов, и т.д.

Отсутствие механически движущихся узлов и деталей, а также вибрирующего зонда обеспечивает высокую надежность устройства и упрощает его конструкцию. Кроме того, преимуществом данного устройства является то, что оно позволяет получать информацию о величине электростатических потенциалов как в аналоговой, так и в цифровой форме.

0

5

0 5 о

Формула изобретения

Устройство для измерения электростатического потенциала образца, содержащее измерительный зонд с измерительным, управляющим и заземленным экранирующим электродами, регулируемый источник компенсирующего напряжения, выходной потенциальный вывод которого соединен с управляющим электродом зонда, усилитель, источник питающего постоянного напряжения, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения и надежности, в него введены два калиброванных резистора, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, а зонд снабжен компенсационным электродом, причем измерительный и компенсационный электроды зонда выполнены в виде мембран из полимерной пленки с напыленными в виде спиралей резистивными элементами, Компенсационный электрод установлен напротив измерительного электрода, в промежутке между названными электродами на одинаковом расстоянии от них расположены управляющий и экранируюихий электроды, калиброванные резисторы соединены с резистивными элементами измерительного и компенсационного электродов по мостовой схеме, в одну из диагоналей которой включен источник питающего постоянного напряжения, а в другую диагональ- усилитель, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом усилителя, а выход - с входом цифро- аналогового преобразователя и цифровым выходом устройства, вход регулируемого источника компенсирующего напряжения, выполненного на постоянном токе, подключен к выходу цифро- аналогового преобразователя, соединенного -с аналоговым выходом устройства.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при испытаниях диэлектрических и полупроводниковых материалов на зарядку их статическим электричеством. Цель изобретения - повьрнение точности измерения электростатического потенциала и надежности работы, достигается введением в измерительный зонд 1 устройства компенсационного. элехтрода 4, а в устройство - калиброванных резисторов 9 и tO, аналого- цифрового 13 и цифроаналогового 17, преобразователей. Кроме того, устройство содержит испытываемый образец 2, измерительный электрод 3 в зонде 1, торроидальное металлическое кольцо, на котором образована мембрана из полимерной пленки с напыленным резис- тивнь элементом в виде спирали, управляющий 6 и экранирующий 7 электроды, изоляционные втулки 8, источник 1 1 питающего напряжения, усилитель 12, счетчик 14, тактовый генератор 15, генератор 16 импульсов сброса и регулируемый источник 18 компенсирующего напряжения. 3 Ил. г (/)

Составитель Л.Морозов Редактор Н.Слободняник Техред Л.Олейник Корректор А,Обручар

Заказ 3285/46 . Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по Делам изобретений и открытий t13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производствённо-полиграфическ.ое предприятие, г.Ужгород, ул,Проектная,4