Импедансный датчик (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в час.тности к двух- электродиым измерительным устройствам на переменном токе для измерения ускоренным неразрушающим методом полного сопротивления (импеданса Z) и производных от него вел лчин (комплексной диэлектрической проницаемости f: ,, тангенса угла диэлектрических потерь tg5 , комплексной проводимости Y , емкости С, сопротивления R) , связанных с тол11у1ной, во- допоглощением, водо- и ионопроницае- мостью, защитными CBoftCTBaivm слабо- проводящих покрытий толщиной до 500 мкм на проводящей подложке.

Цель изобретения - создание импе- дансного датчика, обеспечивающего повышение точности измерения импеданса и производных от него величин надежности контактирования датчика с исследуемой поверхностью, удобства измерения на адгезионньк плохо- проводящих покрытиях любой шероховатости и волнистости, в Том числе на мягких покрытиях и покрытиях на малогабаритных изделиях /глощадью до 0,05 смг.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого датчика; на фиг.2 - то же, вариант.

Импеданспый датчик содержит металлический стержень 1, полированный торец 2 стержня, разъем подсоединения 3 к измерительному прибору диск 4, металлическое кольцо 5, вставка из оргстекла 6, липкая лента 7 с отверстием, исследуемое покрытие 8, подложка 9, капля жидкости 10. Соединение датчика с измерительным прибором (мостом переменного тока, измерителем добротности и т.п.) осуществляется через разъем 3.

Вариант предлагаемого датчика (фиг. 2) содержит металлический стержень 1 , полированный торец 2 стержня, металлический провод 3, диск 4, металлическое кольцо 5, вставка из оргстекла 6, липкая лента 7, с отверстием, исследуемое покрытие 8 подложка 9, капля жидкости 10, металлизированное углубление 11, токопро- Бодящая жидкость 12. Соединение датчика с измерительным прибором ( мостом переменного тока., измерителем добротности и т.п.) осуществляется через металлический провод 3, ный в токопроводящую жидкость 12,,

608132

залитую Б метал.инзиро)1линое углубление 1 1 .

Металлизация углубления увеличивает поверхность соприкосновения 5 токопроводящей жидкости со стрежнем, что уменьшает погрешность измерений электрофизических параметров.

Диск 4 обеспечивает импедансному датчику способность самоустанавли- 10 ваться на испытуемой поверхности,

обеспечивает возврат датчика в исходное положение при случайном выведении из него и создает требуемую величину давления датчика на исследуе- 15 мое покрытие.

Для того, чтобы датчик являлся самоустанавливающимся, т,е. чтобы до момента достижения системой состояния неустойчивого равновесия диск 4 20 начинал быть упором, должно выполнять ся условие

д п

внешн. пред.

(1)

где Д

пред.

Д

предельный диаметр диска 4, при котором диск еще способен вернуться в состояние устойчивого равновесия, определяемый по формуле 2P--h

пред.

tpo

+ d

(2)

где f

n

а

tgcJ-p

расстояние от точки расположения центра масс диска 4 до покрытия; высота диска 4; диаметр стержня 1, тангенс угла наклона стержня к плоскости исследуемого покрытия в момент достижения датчиком состояния неустойчивого равновесия. Величина Д увеличивается с ростом I при заданном d и практически не зависит от массы диска 4, которая определяется массой металлического кольца 5, т.е. величиной соотношения егч) внутреннего и внешнего диаметров.

Путем регулирования массы диска 4 при заданном d достигается требуемое давление датчика на покрытие, датчик может быть и накладным.

Для датчика по фиг.1 внешняя сила F, которая может возникнуть при подсоединении провода измерительного прибора к разъему 3, может вывести

3

датчик из состояния устойчивого равновесия. Сила F связана с давлением Р, создаваемым датчиком, соотношением

F

TTdP 8L

Р,

где L - длина стержня датчика, мм; d - диаметр стержня, мм.

Из формулы (3) следует., что с уменьшением диаметра стержня d и увеличением длины стержня L, способность датчика самоустанавливаться узудшается, так как малая по величине сила F выводит датчик из состояния устойчивого равновесия.

Устойчивость измерений предлагаемым датчиком достигается выбором величины L, обеспечивающей получение F заданной величины. На действующей модели датчика установлено, что величина F должна превышать 0,05 Н. В случае, когда сила F менее 0,05 Н, предлагается использовать датчик, изображенный на фиг.1. Конструкция этого варианта датчика такова, что внешняя сила F, способная вывести датчик из состояния устойчивого равновесия, не возникает. Это позволяет использовать датчик для изучения образцов (изделий) с малой поверхностью и изучать точечные дефекты окрашенных изделий,

В предлагаемом датчике (фиг. 1, фиг. 2) капля жидкости, свободно за- полняющай зазор между стержнем 1 и покрытием 8, используется в качестве контактного слоя, жидкость должна подчиняться условиям

(4) (5)

де Z и Z кш

Z и Z кш 1

активная составляющая импеданса контактной жидкости и покрытия соответственно реактивная составляющая импеданса контактной жидкости и покрытия соответственно.

При измерениях испеданса с последующим пересчетом в величину толщины, водопоглощения, водо- и ионопро- ницаемости полимерных покрытий достаточным является выполнение менее жесткого условия

§..

(6)

Если представить электрофизические процессы, протекающие в зазоре, заполненном контактной жидкостью, в виде эквивалентной схемы с параллельным соединением элементов, то модуль импеданса контактной жидкости имеет вид

10

I.ZKJ

(7)

где

0

5

0

Z ) и - модуль импеданса контактной жидкости и исследуемого покрытия соответственно , Ом М I dj - эффективная толщина зазора между рабочей поверхностью датчика и покрытием, м;

/yi - удельная проводимость контактной жидкости. Ом -м , абсолютная диэлектрическая проницаемость контактной жидкости, Ф, М ; циклическая частота переменного тока, Гц.

f„ U.) Из анализа формулы (7) следует, 5 что основной вклад вносит первое слагаемое под корнем знаменателя, поэтому выражение (7) приобретает

ВИЯ

d.

0

.

Г

(7а)

Если допустить, что погрешность измерения не должна превышать 10%, можно записать неравенство

45

. UJ

(8)

из которого следует, что удельная проводимость жидкости, используемой в качестве контактного слоя, подчиняется УСЛОВИЮ

55

т

оп UJ

(8а)

Конструкция предлагаемого датчика обеспечивает величину зазора в единищл микрометра между исследуе5 .

мым покрытием и рабочей по1зерхносты датчика, что позволяет использовать в качестве контактных жидкости с низкой удельной проводимостью,,

Предлагаемый датчик делает возможным использование в качестве контактных и.жидкости с меньшей величиной удельной проводимости - лгидкос- ти с )л .( ) Ом M V, Исходя из соотношения (ба), при этом не- обходимы следующие дополнительнью условия проведения измерения; увели

НИИ на низких частотах - 500 Гц и ниже или увеличение ТОЛПЦ-П-ЕЫ исследуемого покрытия (50-500)мкм, либо уменьшение величины эффективного зазора между покрытием и Датчиком п ;, - тем повышения датчика на покрытие. При зтом то.пщина покрыт ля должна быть не меньше величины эффективного зазора.

Возможность применения капли жидкости 10 (фиг. 1, фиг. 2) 13 качестве контакта в предлагаемом датчика о5ес печивает большую точность измерения,, особенно на тонких ( 5,мкм) покрытиях , при этом погрешность измерения не возрастает с 5 меныаенке1ч давления датчика на покрытие что позволяет использовать датчик для измерений на мягких, например, неотвер- аденных и не полностью отваржденных покрытиях. Это делает возможньм устанавливать связь между параметра:чи неотвержденных покрытий и свойствами Покрытия после их отверждения

Предлагаемьй датчик пригоден для измерения импеданса покрытий и практически любой шероховатости,, что следует .из условия

,

(9}

возникающего как следствий ограг-млеНИН

2кшГ 1.,1

Предлагаемый импедансный датчик qpi применим для измерения на воликстых и имеющих кривизну поверхностях прк условии, что выполняется еооть.ошение

г. i

г,

где ж - кривизна измеряемой позерх- ности.

полупериод волнистости испытуемого участка поверхности; м,

модуль импеданса испытуемого покрытия, Ом м ,

-,

i

f - удельная проводимость контактной ясидкости, Ом . Измерение импеданса покрытий и прои;;водньгх от него величин с приме- предлагаемого датчика (фиг.1) производится следу оцпм образом На изделие (образец) с испытуег-шм покрытием наклеивается липкая лента 7 с предварительно сделанным отверсти5 ем, диаметр которого на 10-15% превышает диаметр стержня датчика, что обеспечивает надежную изоляцию исследуемого участка покрытия от остальной ег о поверхности. В отверстие на0 носится капля жидкости 10 и устанавливается датчик, при этом точность самоустановки датчика контролируется через прозрачную часть 6 диска 4, вьшолненную из органического стекла.

5 Датчик присоединяется через разъем 3 к измерительному прибору, например, к мосту переменного тока. Вторым электродом служит проЕодящая подложка 9j ла которой аргезировано испы5 туемое покрытие.

Измерение импеданса покрытий и производных от него величин с применением предлаг аемого датчика (фиг. 2) производится следу1 11им образом. На из,целие (образец) с испы- т емым покрытием наклеивается липкая лента 7 с предварит-ально сделан- ньпч отверстием,; диаметр которого на 10-15% превышает дкамет р стержня датчика, что обеспечивает надежную изоляцию исследуемог о участка покрытия от остальной его поверхности. В отверстие наносится капля жидкости 10 и устанавл- -гваятск датчик, при этой очность самоустановки датчика контролируется через прозрачную часть 6 диска 4, выполненную из органического стекла. Датчик присоединяется к измерительному ггрибору, например „ к мост у переменнолЧ) тока, металлическим проводом Зр ипушенньв- в металлизированное уг.-губление 11, сделанное вс вставке из орг аничес- K VjT o стекла 6 и заполне:-1лое токо- -Проводящей жи,1г,костью 12, Вторым электродом слчпвит проводящая подлож

к а

-5 на которой адгезировано испт, уемое покрытие,

/

Капля жидкости, используемая в качестве контактного слоя,позволяет надежно проводить измерения, так ка во время ее существования удается произвести количество измерений, до- статочное для их статистической обработки.

После проведения измерений датчик снимается с образца и капля жидкости удаляется с помощью фильтроваль- ной бумаги.

Предлагаемый датчик (фиг. 1, фиг. 2) позволяет через измерение импеданса и его производных определять с повьпиенной точностью толщину покрытия любой шероховатости и волнистости, особенно то.нких(5 мкм покрытий, отвержденных и неотверж- денных, нанесенных на малогабаритные объекты (площадью 0,05 см), быстро оценивать изменение покрытий под действием воды, электролитов, органических растворителей и любых жидкостей во времени, изучать защитные свойства покрытий. Широкие возможности позволяют применять датчик для измерений на тонких пленках, особенно важных в таких областях, как радиоэлектроника (печатные платы, микросхемы, микропроцессоры), вычислительная техника (диски памяти ЭВМ), антикоррозийная техника (пленки, полученные при электроло- лимеризации, полимеризация в тлеющем разряде и др.).

Формула изобретения

1. Импедансный датчик, содержащий металлический стержень с диском, соединенный с измерительным прибором, и контактный слой в виде жидкости, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения импеданса и производных от него величин, диск выполнен в виде металлического кольца с вставкой из органического стекла, стержень снабжен разъемом для соединения с измерительным прибором, при этом диаметр d стержня, внешний диаметр нешн Диска и высота закрепления диска на стержне выбраны из зависимости

вмешн.

21 - h

+ d, мм.

tg ot

h - высота диска;

d - диаметр стержня, мм;

5

О

608138

tpotp- тангенс угла наклона датчика в момент достижения состояния неустойчивого равновесия,

5 а в качестве контактного слоя использована жидкость с удельной проводимостью, подчиняющейся соотношению

г, 0,1

где

V - удельная проводимость жидкости. Ом м ,

dj - величина эффективности зазора, м.

J

- модуль импеданса исследуемого покрытия. Ом м ,

2. Импедансный датчик, содержащий металлический стержень с диском, соединенный с измерительным прибором, и контактный слой в виде жидкости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения импеданса и производ-- ных от него величин, диск выполнен в виде металлического кольца с вставкой из органического стекла, в которой выполнено углубление с металлизированной поверхностью, заполненное токопроводящей жидкостью и содержащее металлический провод для соединения с измерительным прибором, при этом диаметр d стержня, внешний диаметр Вц ещ диска и высота f закрепления дисКа на стержне выбраны из зависимости

5 50

40

где

tgoip- тангенс угла наклона датчика в момент достижения со- стояни неустойчивого равновесия ,

а в качестве контактного слоя исполь зована жидкость с удельной проводимостью, подчиняющейся соотношению

т

где f - d,

0,1

z.i

удельная проводимость жидкости, Ом м ; величина эффективного зазора, мм ,

модуль импеданса исследуемого покрытия. Ом , м .

w.

L. SSH.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частное ти к двухэлектродным измерительным устройствам на переменном токе. Цель изобретения - повьшение точности измерения импеданса и производных от него величин, обеспечение надежности контактирования и удобства измерений отвержденных и неотверлщен- ных плохо проводящих покрытий на проводящих, в том числе малогабаритных с площадью до 0,05 см, подложках, особенно для тонких (менее 5 мкм) покрытий любой шероховатости и волнистости. Импедансный датчик выполнен как контактный металлический стержень с соосным диском в виде металлического кольца с встав- кой из оргстекла, a в качестве контактного слоя используется капля жидкости, свободно заполняющая зазор между исследуемым покрытием и рабочей поверхностью датчика. Датчик присоединяется к иэмерительнои1у прибору с помощью разъема или металлического провода. Вторым электродом является проводящая ггодложка, на которой адгезировано исследуемое покрытие. 2 с.п. ф-льг, 2 ил. С

/ЛА

уА

Ш

i

/

/

Bk

/x Фт. /

5 -1U 2

Составитель А.Платова Редактор И.Сегляник Техред Л.Олейник, Корректор В.Бутяг.а

Заказ 5222/43 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитЛа СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-ЗЗ, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

Ф(/.2