Устройство для измерения напряженности электрического поля Советский патент 1988 года по МПК G01R29/12 

(lltl f ff

tlSlS,

оэ со

О)

00

со

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измере- ниям напряженности электрических полей, и может быть использовано при создании приборов для контропя электростатических зарядов элементов конструкций в производственных условиях для контроля состояния окружающей среды, при исследовании свойств ат- мосферы плазмы и т,д.

Целью изобретения является повышение точности измерения устройства,

На чертеже приведена схема устройства для измерения напряженности электрического поля испытуемого объекта.

Устройство содержит емкостный датчик, состоящий из измерительного электрода, выполненного в виде мем- браны 1, и электрода 2 обратной связи. Мембрана 1 вьтолнена из упругого магнитного и электропроводного материала. Плоскости мембраны 1 и элект рода 2 обратной связи параллельны,,

Электрод 2 обратной связи через изолирующую прокладку 3 фиксируется вместе с мембраной 1 фиксирующими кольцами 4 и 5 так, что образуется единая конструкция.

Мембрана 1 соединена с входом усилителя 6 тока, выход которого соеди- нен с входом синхронного фильтра 7, Выход синхронного ф1-шьтра 7 соединен с входом неинвертирующего усилителя 8 напряжения. Выход усилителя 8 соединен с входом синхронного детектора 9, выход синхронного детектора 9 соединен с электродом 2 обратной связи и входом измерителя 10. Плоскость мембраны 1 при отсутствии возбуждени находится в фокальной плоскости оптической системы, с.остоящей из фокусирующей линзы 11, собирающей линзы 12, светодиода 13, вход которого сое динен с выходом источника питания свтодиода 14, измерительного 15 и контрольного 16 фотодиодов, выходы которых соединены с неинвертирующим и ин вертирующим входами дифферени 1ально- го усилителя 17, выход которого соединен с входом детектора 18, а вькод последнего - с входом блока 19 сравнения, второй вход которого соединен с источником 20 опорного напряжения. Выход блока 19 сравнения соединен с базой проходного транзистора 21, эмиттер проходного транзистора 21 со л.инен с входом соленоида 22, которьш

,.

г

0 5

Q

.,. .

5

служит моду лятором мембраны 1 посредством переменного магнитного поля и заключен в электростатический экран 23. В оптическую систему входит также световод 24, который соединен одним концом со светодиодом 13, а другим - с контрольным фотодиодом 16. Устройство содержит также генератор 25, выход которого соединен с коллектором проходного транзистора 21 и вторыми входами синхронного фильтра 7 синхронного детектора 9.

Электрод 2 обратной связи имеет отверстие 26, которое обеспечивает прохождение световых лучей, падающих на мембрану 1 и отраженных от нее.

Устройство для измерения напряженности электрического поля работает следующим образом.

Электрический заряд dq,, наведен- ньш на мембране 1 измеряемым полем Е, компенсируется полем отрицательной обратной связи Е (,, Любре изменение внешнего поля вызьгоает изменение наведенного на мембране 1 q, а следовательно, и тока в измерительном тракте, который в свою очередь после усиления, фильтрации и детектирования вызьгаает такое изменение напряженности поля обратной связи , которое в точности компенсирует индyп poвaн- ный измеряемым полем заряд.

Переменное напряжение генератора 25, поступая через проходной транзистор 21 на соленоид 22, создает переменное магнитное поле, которое заставляет колебаться (синхронно с последним) измерительную мембрану 1 емкостного датчика. На измерительной мембране 1 индуцируется заряд /iq, пропорциональный амплитуде колебаний 1 мембраны 1 и напряяшнности электрического поля Е, другими словами

q k ,

(1)

или временная зависимость изменения заряда й(l будет иметь вид

k Е- 1 sinu.1 t, (2)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от линейных размеров измерительной мем- раны 1 ,

ЕО диэлектрическая проницаемость воздуха (среды).

При этом входной ток усилителя 6 тока, обусловленный изменением заряда aq, равен

i -2 k - ЕдЕ wl-coscot, (3)

где ы - угловая частота изменения

амплитуды колебаний измери- тельной мембраны 1. Усилитель 6 тока усиливает этот сигнал, а также шумовые напряжения и наводку от сигнала возбуждения. Синхронный фильтр 7, настроенньй на усиление только сигнала по выражению (3), подавляет все наводки, не совпадающие с сигналом по фазе, и частоте. Отфильтрованньй таким образом сигнал усиливается усилителем 8 напряжения и детектируется синхронным детектором 9, на выходе которого имеем

V k- o E-l-LO.k,-k

г

где k, - коэффициент усиления усилителя 6 тока;

k. - коэффициент усиления усилителя 8 напряжения. ЗО Это напряжение подается на электрод 2 обратной связи, и напряженность электрического поля, создаваемого электродом 2 обратной связи

k to-l w-ki-k2

где d - расстояние между измерительным электродом 1 и электродом 2 обратной связи

Из выражения (4) видно, что погрешность измерения определяется стабильностью частоты и стабильностью .амплитуды колебаний мембраны 1.

Поскольку существуют генераторы со стабильностью частоты uf 10 то основной величиной, вносящей погрешность в определение истинного значения Е, являетйя амплитуда кол.е- баний мембраны 1. В процессе эксплуа тации при различных внешних воздействиях могут меняться механические, магнитные и другие свойства мембраны 1, что может вызвать изменение амплитуды колебаний мембраны 1.

Стабилизация амплитуды колебаний мембраны 1 осуществл-яется по следующей схеме.

5

to 15 2025

ЗОь

35

. 40

5 -50 55

В исходном положении плоскость мембраны 1 находится в фокальной плоскости относительно системы, состоящей из собирающей линзы 12, фокусирующей линзы 11. При включении источника питания светодиода 14 отраженньй от мембраны 1 световой поток попадает на измерительный фотодиод 15, находящийся в плоскости изображения собирающей линзы. При включении генератора 25 измерительная мембрана 1 приходит в колебательное движение и на фотодиод 15 поступает переменньй по интенсивности световой поток (максимальным световой поток будет тогда, когда мембрана находится в фокальной плоскости системы, состоящей из собирающей 12 и фокусирующей 11 линз, поэтому на выходе фотодиода 15 появится переменньй электрический сигнал рассогласования, обусловленньй отклонением мембраны 1 от фокальной плоскости, которьй усиливается дифференциальным усилителем 17, затем детектируется детектором 18. Выпрям- ленньш сигнал поступает на блок 19 сравнения, куда также поступает опорное напряжение с источника 20 опорного напряжения. С блока сравнения сигнал поступает на проходной транзистор 21.

Выполнение датчика колебаний мембраны 1 в виде оптической системы позволяет контролировать амплитуду колебаний мембраны 1 с точностью, практически соизмеримой с длиной волны излучающего светодиода 13.

Для того чтобы величина выходного сигнала фотодиода 15 не зависела от яркости свечения светодиода 13 (например, из-за нестабильности источника питания фотодиода 14), часть светового потока через светодиод 24 заводится на контрольный фотодиод 16, ас него полученньй электрический сигнал поступает на противополож- ньш по отношению к сигналу, снимаемому с измерительного фотодиода 15, вход дифференциального усилителя 17.

Новое конструктивное вьшатнение емкостного датчика с введением электрода 2 обратной связи и электрических узлов позволяет обеспечить 100%- ную обратную связь по электрическому полю и охват ею не только усилительного тракта, но и измерительного элемента - мембраны 1.

51

(Формула изобретения

1. Устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее емкостный датчик в виде изме- рительного электрода, датчик колебаний измерительного электрода, последовательно соединенные детектор, бло сравнения, проходной транзистор и модулятор в виде соленоида, генератор, и|сточник опорного напряжения, под- к люченный к второму входу блока срав н|ения, усилитель напряжения и изме- р;итель, отличающееся тем

что, с целью повышения точности из- м1ерения, в устройство введены усилитель тока, синхронных фильтр, синхронный детектор, дифференциальньй усилитель, а емкостньй датчик снаб- электродом обратной связи в виде плоскости с окном, расположенной против плоскости измерительного электрода, выполненного в виде мембраны,, размещенной между источником электрического поля и датчиком колебаний измерительного электрода, измерительный электрод соединен с инвертирующим вводом усилителя тока, выход которого соединен с первым входом синхрон-соединен с вьЕХодом генератора, выход синхронного фильтра соединен с инвертирующим входом усилителя напряжения, выход которого соединен с первым входом синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора, выход синхронного детектора соединен с входом измерителя и электродом обратной связи, входы дифференциального усилителя соединены соответственно с первым и вторым выходами датчика колебаний измерительного электрода, выход дифференциального усилителя соединен с входом детектора, коллектор проходного транзистора соединен с выходом генератора, эмиттер проходного транзистора соединен с входом соленоида, в осевом канале которого расположен датчик колебаний измерительного электрода.

2. Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем, что датчик колебаний измерительного электрода выполнен в виде оптической системы со светодиодом, подключенным к источнику питания, измерительным и контроль- ньм фотодиодами, выходы которых сое

Изобретение может быть использовано, в частности, в приборах для контроля электростатических зарядов элементов конструкций в производственных условиях, для контроля состояния окружающей среды. Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит емкостный датчик в виде измерительного электрода, выполненного в виде мембраны 1, и электрода 2 обратной связи, детектор 18, блок 19 сравнения, проходной транзистор 21, модулятор в виде соленоида 22, генератор 25, источник 20 опорного напряжения, усилитель 8 напряжения, измеритель 10, усилитель 6тока, синхронные фильтр и детектор 7и 9 соответственно, дифференциальный усилитель 17, датчик колебаний измерительного электрода, выполненный в виде оптической системы со све- тодиодом 13, источником 14 питания, измерительным и контактным фотодиодами 15 и 16 соответственно. Устройство имеет повышенную точность измерения . 1 3.п. ф-лы, 1 ил. (Л

ного фильтра, второй вход которого 30 Динены с выходами датчика.