Устройство для контроля толщины диэлектрических материалов Советский патент 1987 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины изделий .из диэлектрических материалов.

Цель изобретения - новышение точности контроля за счет получения линейной характеристики путем введения цепи автоматического регулирования избирательного усилителя и устранения разбаланса мостовой схемы при изменении температуры диэлектрического основания.

На чертеже приведена блок-схема устройства для контроля толщины диэлектрических материалов.

Устройство содержит накладной емкостной датчик в виде диэлектрического основания I, на одной стороне которого расположены низкопотендиальный электрод 2, промежуточный 3 и высокопотенциальный 4 электроды, которые выполнены в виде компланарных концентрических колец и в рабочем положении касаются контролируемого материала 5, на другой стороне - дополнительные низкопотенциальный 6 и высокопотенци- альньй 7 электроды, выполненные также в виде компланарных концентрических колец, переключатель 8, средний контакт которого соединен с промежуточным электродом 3, а крайние контакты- с низкопотенциальным 2 и -высокопотен- циальным 4 электродами, генератор 9 , низкой частоты, выход которого соединен с управляющим входом переключателя 8, мостовую схему 10, в одно плечо которой включены высокопотен- циальн ый 4 и низкопотенциальный 2 электроды, а в другое плечо - низкок выходу генератора и регистратор 21, и

10

15

20

25

30

35

9 низкой частоты, конденсатор 22 переменной емкости, включенный между промежуточным 3 и высокопотенциальным 4 электродами.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии контролируемого материала емкость между низкопотенциальным 2 и промежуточным 3 электродами равна емкости между дополнительными 6 и 7. Поэтому мостовая схема 10 в положении переключателя 8, указанном на чертеже, уравновешена, и на выходе мостовой схемы высокочастотное напряжение отсутствует. Промежуточный электрод 3 расположен относительно

низкопотенциального 2 и высокопотенциального 4 электродов так, что начальная емкость между высокопотенциальным 4 и промежуточным 3 электродами равна начальной емкости между промежуточным 3 и низкопотенциальным 2 электродами. Благодаря этому коммутация промежуточного электрода 3 переключателем 8 не нарушает равновесия мостовой схемы 10.

При наложении датчика на контролируемый материал 5 равенство емкостей между электродами 2-3 и 3-4 нарушается из-за разной глубины зондирования материала электрическим полем. В положении переключателя 8, указанном на чертеже, электрическое поле из-за большой глубины зондирования пронизывает контролируемый материал, и вносимая емкость функционально связана с толщиной контролируемого материала и его диэлектрической пронипотеициальный 6 и высокопотенциальный цаемостью. Выходное напряжение мосто7 дополнительные зххектроды, .генератор 11 высокой частоты, питающрш мостовую схему 10, последовательно включенные на выходе мостовой схемы 1 О избирательный усилитель 12 высокой частоты, первый синхронный детектор 13, опорным входом подключенный к генератору 11 высокой частоты, фильтр 14 низкой частоты, блок 15 сравнения, к второму входу которого подключен источник 16 опорного напряжения, и интегратор 17, выходом соединенный с управляющим входом усилителя 12, подключенные к выходу синхронного детектора 13 последовательно соединенные фильтр 18 верхних частот, усилитель 19 низкой .частоты, второй синхронный детектор 20, опорный вход которого.подключен

55

к выходу генератора и регистратор 21, и

0

5

0

5

0

35

9 низкой частоты, конденсатор 22 переменной емкости, включенный между промежуточным 3 и высокопотенциальным 4 электродами.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии контролируемого материала емкость между низкопотенциальным 2 и промежуточным 3 электродами равна емкости между дополнительными 6 и 7. Поэтому мостовая схема 10 в положении переключателя 8, указанном на чертеже, уравновешена, и на выходе мостовой схемы высокочастотное напряжение отсутствует. Промежуточный электрод 3 расположен относительно

низкопотенциального 2 и высокопотенциального 4 электродов так, что начальная емкость между высокопотенциальным 4 и промежуточным 3 электродами равна начальной емкости между промежуточным 3 и низкопотенциальным 2 электродами. Благодаря этому коммутация промежуточного электрода 3 переключателем 8 не нарушает равновесия мостовой схемы 10.

При наложении датчика на контролируемый материал 5 равенство емкостей между электродами 2-3 и 3-4 нарушается из-за разной глубины зондирования материала электрическим полем. В положении переключателя 8, указанном на чертеже, электрическое поле из-за большой глубины зондирования пронизывает контролируемый материал, и вносимая емкость функционально связана с толщиной контролируемого материала и его диэлектрической прони цаемостью. Выходное напряжение мосто

5

вой схемы 10 при этом пропорционально вносимой емкости:

и SC, и,,

где S - чувствительность мостовой

схемы;

С - вносимая контролируемым материалом емкостьJ и - высокочастотное питающее

мост напряжение.

В противоположном положении переключателя 8 силовые линии электрического поля при малой глубине зондирования полностью замыкаются в контролируемом материале 5. Вносимая при этом емкость С не зависит от толщины материала, начиная с некоторого минимального значения, и определяется

в основном его диэлектрической проницаемостью. Выходное напряжение становится равным

..

и, |(и,-и) ,

При непрерывной работе переключателя 8, управляемого прямоугольным напряжением генератора 9 низкой час

U-.

тоты, пакеты высокочастотных напряС; -Ь Cj Напряжение U усиливается усилителем 19 низкой частоты и выпрямля- жений и , и и , поочередно усиливаются 10 ется вторым синхронным детектором 20,- избирательным усилителем 12 высокой который управляет напряжением гене- частоты с автоматической регулировкой коэффициента усиления. Усиленные пакеты напряжений синхронно детектируются детектором 13, на выходе кото- f5 рого образуются видеоимпульсы с амратора 9 низкой частоты. Выходное постоянное напряжение регистрируется реги&тратором 21:

,к,..

плитудами;

и SK,

и, ,C,U,, где К - регулируемый коэффициент

усиления избирательного усилителя 12, К( - коэффициент выпрямления

синхронного детектора 13. Постоянная составляющая последовательности видеоимпульсов

-уСи + и) выделяется фильтром 14

нижних частот и воздействует на один вход блока 15 сравнения, на второй вход которого воздействует опорное напряжение источника 16. На выходе блока 15 формируется разностное напряжение, которое интегрируется интегратором 17. Выходное напряжение интегратора 17 изменяет коэффициент усиления высокочастотного усилителя 12 в направлении уменьшения разности сравниваемых напряжений U и U . При равенстве сравниваемых напряжений

sкк,- ц.

выходное напряжение блока 15 сравнения становится равным нулю, и процес регулирования коэффициента усиления К, избирательного усилителя 12 прекращается .

Из равенства сравниваемых напряжений следует, что установившееся значение коэффициента усиления становится равным

К

2U,

1 с)и,

Из последовательности видеоимпульсов и и и, фильтром 18 верхних частот выделяется переменная составляющая частоты переключения

и, |(и,-и) ,

U-.

С; -Ь Cj Напряжение U усиливается усилителем 19 низкой частоты и выпрямля- ется вторым синхронным детектором 20,- который управляет напряжением гене-

ратора 9 низкой частоты. Выходное постоянное напряжение регистрируется реги&тратором 21:

Напряжение U усиливается усилителем 19 низкой частоты и выпрямля- ется вторым синхронным детектором 20,- который управляет напряжением гене-

,к,..

где К - коэффициент усиления низкочастотного усилителя 19, К - коэффициент выпрямления синхронного детектора 20. Вносимая емкость накладного датчика математически описывается -приближенным экспоненциальным выражением:

С, А(1 - , где h - толщина контролируемого ди- I электрического материала; А коэффициенты, определяемые размерами электродов, датчика и глубиной зондирования;

е - диэлектрическая проницаемость контролируемого мате- риала,

q --. - коэффициент, отражающий

различие в диэлектрических свойствах контролируемого материала и воздуха. Вносимая емкость при малой глубине зондирования электрическим полем:

С,, (1 - ), где h „ - максимальная толщина матеs

0

о риала, на которую еще реагирует электрическое поле,

при h h вносимая

ч а емкость зависит только от

( ОУ. При допусковом контроле толщины

материала h - о - солютное значение допуска} h - номинальное значение толщины. Из условия равенства начальных емкостей датчика при переключении промежуточного электрода 3 коэффициенты А ;, и А равны, так как при отсутствии контролируемого материала h bj О При касании

51

датчиком материала 5 с номинальной толщиной Ьй устанавливают конденсатором 22 переменной емкости нулевое показание регистратора 21, что соответствует условию . Б hg. Поэто му регистрируемое напряжение с уче

том значений вносимых емкостей С/ и

С можно представить в виде

g-B,(h,±ih) 8 % 5T qe-Tch ±Ah r qe V- 7

Пренебрегая в знаменателе величиной допуска дЬ по сравнению с номинальной толщиной h, получаем ,±9,лК -f,,l

Фо рмула из Охбре тения

fian - е ;е и. - Т 1 7п;-&ГК

Г 2qe 1 е - 2q

-и.

-V т/ fi т т

-Jx к С Т о, .Г-.и

3 4 е - /С1

Разложив показательную функцию в

ряд е

1 + X + -- +

и .HHчившись двумя первыми членами ряда, получим

и К К q-r

± В, ah

8

+ B,h, - 2q

И

Устройство для контроля толщины 15 диэлектрических материалов, содержащее накладной емкостный датчик в виде диэлектрического основания, на котором расположены высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды, вы- 20 полненные в виде компланарных концентрических колец, меж,цу которыми размещен нромелсуточный электрод таким образом, чТо начальные емкости вь сокопотенциальным и промежуточным 25 электродами и мелоду промежуточным и низкопотенциальным электродами равны, переключатель, средний контакт которого соединен с промежуточным электродом, а крайние контакты - с высо- 30 копотенциальным и низкопотенциальным электродами, конденсатор переменной емкости, включенный мелоду промежу- точньм и высокопотенциальным электродами, генератор высокой частоты, под- 35 -ключенную к нему мостовую схему, в одно из плеч которой включены низкопотенциальный и высокопотенциальный электроды, генератор низкой частоты выход которого подключен к управляю- постоянный коэффи- 40 Щему входу переключателя, последовательно включенные на выходе мостовой схемы избирательный усилитель высокой частоты и первый синхронный детектор, опорный вход которого под- 45 ключен к выходу генератора высокой частоты, последовательно соединенные усилитель низ к:ой частоты, второй син- тора может быть отградуирована непос- хронный детектор;, опорный вход кото- редственно в процентах отклонения рого подключен к выходу генератора толщины от номинала. При этом показа- 50 низкой частоты, и регистратор, о т Для сухих диэлектрических материа лов типа кожи, тканей, полршеров и т.п. диэлектрическая проницаемость находится в пределах 24-4« Поэтому можно считать, что q jj 0,5, и регистрируемое напря кение

F- h

и Цкки,

8 2 3 h

где К

циент пропорциональности.

Таким образом, реги стрируемое напряжение пропорционально относительному отклонению толщины контролируешьмого материала --, и шкала регистра™

I rt

личающееся

тем.

что, с цения регистратора не зависят от изменения диэлектрической проницаемостилью повышения точности измерения, материала () в определенных пределахизбирательный усилитель высокой час- и температурных измененз-та параметровтоты выполнен управляемым, а устрой- накладного датчика (А , А , В, , В,) . 55 ство снабжено дополнительными низко- Не влияет также непостоянство ампли-потенциальным и высокопотенциальным туды высокочастотного генератора U ,электродами, расположенньп 1и на проти- чувствиТельности мостовой схемы S,воположной от основных электродов коэффициента усиления высокочастот-стороне диэлектрического основания.

-

ного избирательного усилителя К из- за его неизбежной расстройки и коэффициента выпрямления высокочастотного синхронного детектора К 2При этом достигается повышение точности за счет устранения разбаланса мостовой схемы при изменении температуры диэлектрического основания датчика, так как межэлектродные емкости

ии , Ш 2-3 и 6-7 изменяются одинаково,

Фо рмула из Охбре тения

личающееся

тем.

что, с целью повышения точности измерения, избирательный усилитель высокой час- тоты выполнен управляемым, а устрой- ство снабжено дополнительными низко- потенциальным и высокопотенциальным электродами, расположенньп 1и на проти воположной от основных электродов стороне диэлектрического основания.

7 12985188

включенными в другое плечо мостовойторого подключен к управляющему вхосхемы, причем высокопотенциальныйду избирательного усилителя, источэлектрод расположен против промежу-ником опорного напряжения, выход коточного электрода, последовательно. торого подключен к второму входу блосоединенными фильтром нижних частот,5 ка сравнения, и фильтром высших час- вход которого подключен к выходу пер- тот, включенным между выходом первого вого синхронного детектора, блокомсинхронного детектора и входом усисравнения, и интегратором, выход ко-лителя низкой частоты.

Изобретение относится к измери-- тельной текнике. Цель изобретения - повышение точности контроля толщины диэлектрических материалов при введении в известное устройство дополнительных низкопотендиального 6 и высокопотенциального 7 электродов, распо- лозкённых на противоположной стороне -5 диэлектрического основания 1 накладного емкостного датчика. Причем измерительная устройства снабжена фильтрами 14 и 18 нижних и верхних частот (ФНЧ и ФВЧ), блоком 15 сравнения (БС), источником 16 опорного напряжения и интегратором 17. При этом выход интегратора 17 соединен с управляющим входом избирательного усилителя 12 высокой частоты, a входы ФНЧ 14 и ФВЧ 18 подключены к выходу первого синхронного детектора. Выход ФНЧ 14 соединен с одним входом БС 15, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, a выход БС 15 - с входом интегратора 17. Выход ФВЧ 18 соединен с входом усилителя низкой частоты, a дополнительные низко- и высокопотенциальный электроды 6 и 7 включены в другое плечо мостовой схемы 10. Причем дополнительный высокопотенциальный электрод 7 расположен против промежуточного электрода 3 датчика, 1 ил. с (g f8