Измеритель напряженности статических и квазистатических электрических полей Советский патент 1989 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности статических и квазистатических электрических полей при контроле электрических зарядов элементов конструкций, образцов материалов,свойств: атмосферы,

; Цель изобретения - повышение чув-. 10 Ствительности и точности.

На фиг. 1 приведена электрическая структурная схема измерителя напряженности статических и квазистатических электрических полей; на фиг. 2 - 15 конструкция возбудителя механических колебаний с расположением на нем электродов.

Измеритель напряженности статических и квазистатических электрических 20 полей включает возбудитель механических колебаний, в качестве которого используется пьезоэлектрик 1, на котором расположены измерительный электА

тора 15, выход которого соединен с входом блока. 16 измерения и элекгро- дом 6 отрицательной обратной связи, причем управляющие входы синхронного детектора 15, первого синхронного фильтра 1.1 и второго синхронного фильтра 13 соединены с выходом генератора 8 опорного напряжения.

Измеритель напряженности статических и квазистатических электрических полей работает следующим образом.

В качестве возбудителя механических колебаний (модулятора) применяется пьезоэлектрик 1 (титанат бария ВаТЮ) и используется обратный продольный пьезоэлектрический эффект. Это значит, что если к электродам 3 пьезоэлектрика 1 (фиг, 2) приложить напряжение возбуждения, то дпина пьезоэлектрика 1 будет изменяться, а следовательно и длина ( площадь) измерительного электрода 2, причем на торце пьезоэлектрика на электроде 4

30

род 2, электроды 3 возбуждения, элект-25 обратной связи возникает напряжение, род 4 обратной связи, вспомогательный электрод 5 , электрод 6 отрицательной обратной связи, причем один возбуждающий электрод заземлен, а другой соединен с коллектором проходного транзистора 7, эмиттер которого соединен с выходом генератора В опорного напряжения, а база .проходного транзистора 7 соединена с выхудом схемы 9 сравнения (схема сравнения содержит также источник эталонного сигнала), вход которой соединен с электродом 4 обратной связи, измерительный элек.т- род 2;. соединен с входом первого уси35

пропорциональное изменению длины пьезоэлектрика,

I

Все перечисленные электроды, а . , также вспомогательный электрод 5 нанесены на пьезоэлектрик путем термо- обработки специальной содержащей серебро пасты, В результате термообработки на пьезоэлектрике 1 могут быть получены надежно закрепленные продиф- фундированные в керамику серебряные электроды.

Итак, при подаче на электроды 3 через проходной транзистор 7 с генетора 15, выход которого соединен с входом блока. 16 измерения и элекгро- дом 6 отрицательной обратной связи, причем управляющие входы синхронного детектора 15, первого синхронного фильтра 1.1 и второго синхронного фильтра 13 соединены с выходом генератора 8 опорного напряжения.

Измеритель напряженности статических и квазистатических электрических полей работает следующим образом.

В качестве возбудителя механических колебаний (модулятора) применяется пьезоэлектрик 1 (титанат бария ВаТЮ) и используется обратный продольный пьезоэлектрический эффект. Это значит, что если к электродам 3 пьезоэлектрика 1 (фиг, 2) приложить напряжение возбуждения, то дпина пьезоэлектрика 1 будет изменяться, а следовательно и длина ( площадь) измерительного электрода 2, причем на торце пьезоэлектрика на электроде 4

обратной связи возникает напряжение,

обратной связи возникает напряжение,

пропорциональное изменению длины пьезоэлектрика,

I

Все перечисленные электроды, а . , также вспомогательный электрод 5 нанесены на пьезоэлектрик путем термо- - обработки специальной содержащей серебро пасты, В результате термообработки на пьезоэлектрике 1 могут быть получены надежно закрепленные продиф- фундированные в керамику серебряные электроды.

Итак, при подаче на электроды 3 через проходной транзистор 7 с гене

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений. Измеритель в качестве возбудителя механических колебаний имеет пьезоэлектрик 1. При подаче на электроды 3 через проходной транзистор 7 с генератора 8 опорного напряжения возбуждения пьезоэлектрик 1 будет изменять свою длину синхронно с напряжением возбуждения. Для стабилизации амплитуды колебаний пьезоэлектрика 1 введен электрод 4 обратной связи, сигнал с которого поступает на схему сравнения 9, а с ее выхода - на базу транзистора 7. Если амплитуда продольных колебаний пьезоэлектрика 1 уменьшилась или увеличилась (при изменении окружающей влажности, температуры и т.д.), то схема сравнения 9 подает на базу транзистора 7 сигнал рассогласования, который так изменит сопротивление транзистора 7, что напряжения возбуждения на электроде 3 восстановит прежнюю амплитуду колебаний. Это обеспечивает повышение чувствительности и точности измерений. 1 ил.

лителя 10 постоянного тока, выход ко-40 ратора 8 опорного напряжения напряжеторого соединен с входом первого синхронного филь- ра 1 1 , причем выход первого синхронного фильтра 11 и вход первого усилителя 10 постоянного тока

соединены через первую емкость обрат-45 длину, а следовательно, и площадь Д8

ной связи. 4 вспомогательный электрод 5 соединен с вторым усилителем 12 постоянного тока, выход которого соединен с входом второго синхронного фильтра 13, а выход послед- 50 него - с инвертирующим входом дифференциального усилителя 14, с неинвер- тиругацнм входом которого соединен выход фильтра 11, выход второго синхронного фильтра 13 и вход второго уси- 55 лителя 12 тока соединены через вторую емкость обратной связи Со.сет. ход дифференциального усилителя 14 соединен с входом синхронного детекния возбуждения. пьезоэлектрик 1 бу дет изменять свою длину синхронно с напряжением возбуждения, а это приводит к тому, что будет изменять свою

измерительный электрод 2, находящийся в измеренном поле Е, и на этом электроде будет индуцироваться за- ряд Uq.

Величина заряда пропорциональна uq о а SE,(1)

где бд - диэлектрическая прбницае-.

мость воздуха;

Д S - изменение площади измерительного электрода; Е - напряженность измеряемого поля.

Зависимость изменения заряда Дд времени определяется соотношением

ЛЧ uqsincot.(2)

При этом входной ток ус1-1пителя 10

3l E uSEsinQt utt

(3)

10

20

(, USEcocoscOt,

где СО - угловая частота изменения

длины измерительного- электрода.

Первый усилитель 10 тока усиливает полезный сигнал, а также шумовые нап- 15 ряжения и наводку от сигнала возбуждения, а введение первой емкости от-.

рицательной обратной связи С . по

Ottb т полезному сигналу совместно с первым

усилителем 10 тока и первым синхронным фильтром 11 (синхронный фильтр настроен на усиление только сигнала (3) ,подавляет не совпадакнцие с сигналом по фазе и частоте) позволяет на 2-3 порядка улучшить отношение сигнал-шум, по отношению к (2).

Для того, чтобы подавить наведенный сигнал, вызванный напряжением возбуждения (наведенный сигнал син- фазен с полезным сигналом), и тот спектр шумов модулятора, которьш совпадает с его резонансной частотой (остальную часть спектра подавляют синхронные фильтры), введен вспомога- тельньм электрод 5, равньй по площади

измерительному электроду 2, и сигнал с которого, пройдя через тракт, ана- логичньш тракту для полезного сигнала (второй усилитель 12 тока, второй син- хронньш фильтр 13, выход которого соединен с входом усилителя 12 второй

Е,

Ео U SEuKj Kz d

(5)

где d расстояние между измерительным электродом 2 и электро- 6 обратной связи,

вследствие наличия обратной отрицательной связи по электрическому нолю измеритель работает как нуль-орган, причем его точность тем выше, чем больше напряженность поля обратной связи по отношению к напряженности измеряемого электрического поля.

Для стабилизации амплитуды колебаний пьезоэлектрика введен электрод 4 обратной связи, сигнал с которого 25 поступает на схему 9 сравнения, а с выхода схемы сравнения на базу проходного транзистора 7

Предположим, что амплитуда продольных колебаний пьезоэлектрика :. уменьшилась или увеличилась, сказалось изменение окружающей влажности.

30

температуры и т.д.

то схема сравне35

емкостью обратной связи С j,g ), поступает на вход дифференциального усилителя 14, на другой вход которого поступает сигнал от измерительного электрода 2, т.е. происходит окончательное подавление синфазных помех, Усиленньй дифференциальным усилителем 14 полезный сигнал детектируется синхронным деуектором 15 и выпрямленный сигнал

Пд e,&SE(oK,K,

где К - коэффициент усиления по полезному сиг}лалу (т.е. усилег ние первого усилителя 10 совместно с первым синхронным фильтром 11);

НИН подает на базу проходного транзистора 7 сигнал рассогласования, который так изменяет сопротивление транзистора 7, что напряжение возбуждения на электроде 3 восстановит прежнюю амплитуду колебаний, что и обеспечивает высокую точность измере40 НИИ в производственных условиях.

Качественно новое решение поставленной задачи (использование пьезоэлектрика) , применение электронной стабилизации амплитуды колебаний с

45 использованием физических свойств самого, рабочего элемента - пьезоэлектрика, введение вспомогательного электрода, емкостей обратной связи по отфильтрованному сигналу, а также

50 дифференциального усилителя, позволяет качественно улучшить отношение сигнал - шум, и как следствие - точ- /д ность и чувствительность измерений.

При этом чувствительность предлагае55 мого устройства вьш1е чем известного (0,2 В/м) при точности измерений .1%. Формула изобретения

Измеритель напряженности статических и квазистатических электри

К - крэффивдент усиления дифференциального усилителя 14 и синхронного детектора 15, поступает на электрод 6 обратной связи и создает на нем, по отношению к измерительному электроду, напряженность поля обратной связи

10

Е,

Ео U SEuKj Kz d

(5)

20

15

где d расстояние между измерительным электродом 2 и электро- 6 обратной связи,

вследствие наличия обратной отрицательной связи по электрическому нолю измеритель работает как нуль-орган, причем его точность тем выше, чем больше напряженность поля обратной связи по отношению к напряженности измеряемого электрического поля.

Для стабилизации амплитуды колебаний пьезоэлектрика введен электрод 4 обратной связи, сигнал с которого 25 поступает на схему 9 сравнения, а с выхода схемы сравнения на базу проходного транзистора 7

Предположим, что амплитуда продольных колебаний пьезоэлектрика :. уменьшилась или увеличилась, сказалось изменение окружающей влажности.

30

температуры и т.д.

то схема сравне