Способ измерения проводимости и диэлектрической проницаемости и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01R27/02 

Способ и устройство для измерения проводимости и диэлектрической проницаемости относятся к измерительной технике, а точнее к устройствам многопараметрических измерений электрических свойств материалов, и могут использоваться для контроля по- лупроводников и диэлектриков по параметрам электрической проводимости и диэлектрической проницаемости, а также размерных величин изделий из материалов с известными электрическими параметрами.

Цель изобретения - повышение точности измерения электрической проводимости и диэлектрической проницаемости диэлектрических и полупроводниковых материалов путем измерения двух информационных параметров сигнала, один из которых связан только с электрической проводимостью, а другой - только с диэлектрической проницаемостью.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее способ, схема; на фиг.2 - выполнение блока управления; на фиг.З - эпюры напряжений.

Способ измерения электрической проводимости и диэлектрической проницаемости реализуют следующим образом.

Два идентичных воздушных конденсатора, в электрическом поле одного из которых размещают изделие из исследуемого

о ю

00

00

N5 4

материала с неизвестными параметрами диэлектрической проницаемости и проводимости, возбуждают серией импульсов напряжения прямоугольной формы. Выбор возбуждающего напряжения в виде импульсов прямоугольной формы позволяет получить разностное напряжение на выходе измерительного преобразователя с разделением по времени процессов заряда конденсаторов до напряжения входного сигнала и процессов проводимости тока через диэлектрик конденсатора. Такое разделение возможно благодаря короткому фронту импульса напряжения и малой постоянной времени заряда по сравнению с длительностью импульса возбуждающего напряжения, Поскольку в момент заряда конденсатора ток через него состоит из составляющей заряда емкости и тока проводимости через сопротивление диэлектрика, причем эти составляющие складываются на интервале времени заряда конденсатора, то для измерения сигнала, пропорционального диэлектрической проницаемости, необходимо вычесть из напряжения сигнала, совпадающего с фронтом импульса, напряжение сигнала, совпадающего с плоской частью импульса. Вычитание напряжений выполняют посредством операций преобразования составляющих напряжений сигнала в импульсы тока с преобразованием последних в заряд, причем операция вычитания выполняется на уровне зарядов. Оптимальная обработка сигналов по критерию отношения сигнал/шум выполняется за счет операции накопления результатов вычитания для всех импульсов серии.

На плоской части импульса на интервале времени, где ток заряда емкости конденсатора отсутствует, имеет место ток проводимости через диэлектрик конденсатора. Поэтому разностное напряжение сигнала на этом интервале времени однозначно характеризует электрическую проводимость материала диэлектрика или полупроводника. Для получения напряжения выходного сигнала, пропорционального проводимости материала, разностное напряжение на плоской части импульса возбуждения преобразуют в импульсы тока с последующим преобразованием в заряд. Эти заряды импульсов всей серии накапливают, а суммарный результирующий заряд преобразуют в напряжение, пропорциональное проводимости материала.

Таким образом, электрическая проводимость и диэлектрическая проницаемость характеризуются одним и тем же параметром - напряжением разностного сигнала измерительного преобразователя, но на его

различных временных участках. Это поясняется эпюрой напряжения сигнала, приведенной на фиг.З, где на позиции а показан импульс напряжения возбуждения конденсаторов, а на позиции б - разностное напряжение конденсаторов с учетом внесения в электрическое поле первого из них изделия из диэлектрического или полупроводникового материала. Разность напряжений на

0 участках Xi и Х2 характеризует диэлектрическую проницаемость материала, а напряжение на участке Х2 - электрическую проводимость.

Для обеспечения двух режимов измере5 ния (электрической проводимости и диэлектрической проницаемости) конденсаторы возбуждают двумя последовательными сериями импульсов напряжения прямоугольной формы. Во время первой серии

0 измеряют диэлектрическую проницаемость материала изделия, а во время второй - его электрическую проводимость. Оптимальная обработка информационных параметров сигнала методом накопления зарядов

5 увеличивает отношение сигнал/шум, что значительно повышает чувствительность и точность метода.

Для измерения предлагаемым способом нет необходимости изготавливать спе0 циальный образец из исследуемого материала. Измерение электрических параметров диэлектриков и полупроводников осуществляется непосредственно на изделии путем приближения к нему измеритель5 ного преобразователяпервого

конденсатора.

Посредством способа измеряли диэлектрическую проницаемость и проводимость некоторых диэлектрических материалов:

0 стекла, гетинакса, стеклотекстолита, органического стекла, резины. Измеряемые параметры оценивали величиной напряжения на выходе специально изготовленного устройства, реализующего предлагаемый спо5 соб. Результаты измерения сведены в таблицу, Отношение результатов измерений соответствует справочным данным.

Устройство, реализующее способ, содержит формирователь 1 импульсов напря0 жения прямоу гольной формы, два воздушных конденсатора 2 и 3, вычитающий трансформатор 4, два накопительных конденсатора 5 и 6, два блока 7 и 8 разряда накопительных конденсаторов, шесть уп5 равляемых ключей 9-14, два истоковых повторителя 15 и 16, дифференциальный усилитель 17, три генератора 18-20 тока, две ячейки 21 и 22 выборки и хранения и блок 23 управления, причем выход формирователя 1 соединен с первыми выводами

конденсаторов 2 и 3, вторые выводы которых соединены с первичной обмоткой трансформатора 4, средняя точка которой соединена с шиной нулевого потенциала, первый вывод вторичной обмотки транс- форматора 4 соединен с объединенными первым управляющим входом первого 7 и вторым управляющим входом второго 8 блоков разряда накопительных конденсаторов, второй вывод вторичной обмотки трансформатора 4 соединен с объединенными вторым управляющим входом первого 7 и первым управляющим входом второго 8 блоков разряда накопительных конденсаторов, токовые входы которых соответствен- но через первый 9 и второй 10 управляемые ключи подключены к выходу первого генератора 18 тока, вход которого подключен к первой шине 24 питания, попарно объединенные первые и вторые выходы первого 7 и второго 8 блоков разряда накопительных конденсаторов подключены к первым выводам соответственно первого 5 и второго 6 накопительных конденсаторов, вторые выводы которых соединены с шиной нулевого потенциала, к входам соответственно первого 15 и второго 16 истоковых повторителей, соответственно через третий 11 и четвертый 12 ключи соединены с второй шиной 25 питания и соответственно через пя- тый 13 и шестой 14 ключи подключены к выходам второго 19 и третьего 20 генераторов тока, входы которых соединены с второй шиной 25 питания, выходы первого 15 и второго 16 истоковых повторителей соеди- нены с входами дифференциального усилителя 17, выход которого подключен к информационным входам первой 21 и второй 22 ячеек выборки и хранения (АЦП), выходы которых служат первым и вторым выходами устройства, управляющие входы формирователя 1 и ключей 9 и 10 соединены соответственно с первым 26, вторым 27 и третьим 28 выходами блока 23 управления, попарно объединенные управляющие вхо- ды ключей 11-14 соединены соответственно с четвертым 29 и пятым 30 выходами блока управления, шестой 31 и седьмой 32 выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первой 21 и второй 22 ячеек выборки и хранения (АЦП), изделие 33 из контролируемого материала помещается в электрическое поле первого конденсатора 2.

Блок управления содержит генератор 33 импульсов, счетчик 34, дифференциатор 35, триггер 36, два элемента 37 и 38 задержки, пять элементов И 39-43 и элемент ИЛИ 44. Выход генератора 33 импульсов соединен через счетчик 34 с входами триггера 36

и дифференциатора 35, выход которого подключен к первым входам первого 39 и второго 40 элементов И и через элемент 37 задержки - к второму входу блока управления. Прямой выход триггера 36 соединен с вторым входом второго элемента И 40, а инверсный - с первым входом третьего элемента И 41, второй вход которого подключен к пятому элементу И 42, первый и второй которого соединены с первым выходом блока управления и вторым входом четвертого элемента И 43. Первый вход этого элемента через элемент НЕ 45 соединен с выходом пятого элемента И 42. Входы элемента ИЛИ 44 подключены к выходам третьего 41 и четвертого 43 элементов И, являющихся третьим и пятым выходами устройства. Шестой и седьмой выходы блока подключены к выходам первого 39 и второго 40 элементов И.

Устройство для измерения электрической проводимости и диэлектрической про- ницаемости работает следующим образом.

Серия импульсов на выходе 26 блока 23 управления запускает формирователь 1 импульсов напряжения, которые заряжают конденсаторы 2 и 3. Так как они идентичны, то токи заряда и токи утечки этих конденсаторов одинаковы, поэтому напряжение на вторичной обмотке вычитающего трансформатора, определяемое разностью токов в первичных обмотках трансформатора, равно нулю. Нулю равно и напряжение на выходе устройства. При внесении в электрическое поле первого конденсатора изделия из диэлектрического или полупроводникового материала емкость конденса,- тора увеличивается. В результате возрастает ток заряда и утечки конденсатора. На выходе вычитающего трансформатора во время импульса возбуждения появляется сигнал, напряжение которого на интервале времени заряда конденсатора пропорционально сумме токов заряда и утечки, а на интервале времени после переходного процесса заряда конденсатора до спада импульса возбуждения пропорционально току утечки, т.е. проводимости материала. Разность напряжений сигнала на первом и втором интервалах времени пропорциональна диэлектрической проницаемости материала.

Во время первой серии импульсов измеряют диэлектрическую проницаемость материала, а во время второй - его проводимость. Серии импульсов формируются в блоке 23 управления посредством счетчика. Когда старший разряд счетчика (фиг.2, триггер 36) находится в состоянии О, формируется первая серия импульсов для измерения диэлектрической проницаемости материала, которая оценивается по разности сигналов на вторичной обмотке трансформатора 4 на переднем фронте импульса возбуждения и на плоской его части. Когда старший разряд счетчика находится в состоянии 1, формируется вторая серия импульсов возбуждения для измерения проводимости материала, которая оценивается по напряжению сигнала на интервале времени импульса возбуждения после переходного процесса заряда конденсатора до спада импульса.

Для оптимальной обработки сигналов используется схема с накоплением заряда. В начале каждой серии формируется управляющий сигнал на выходе 29 блока 23 управ- ления, В результате ключи 11 и 12 замыкаются и накопительные конденсаторы 5 и 6 заряжаются до напряжения второй шины питания. После размыкания ключей 11 и 12 во время первой серии на интервале времени заряда конденсаторов 2 и 3, т.е. на переднем фронте импульсов возбуждения, замыкается ключ 9 и ток генератора 18 поступает на токовый вход блока 7 разряда конденсаторов 5 и б и перераспределяется между выходами блока 7 пропорционально напряжению на его управляющих входах, и конденсаторы 5 и 6 разряжаются токами блока 7 до разных уровней напряжений. После размыкания ключа 9 на плоской части импульса тока возбуждения по сигналу на выходе 29 блока 23 управления замыкается ключ 10, ответвляющий ток генератора 18 и в блок 8 разряда конденсаторов. В результате происходит дальнейшей разряд конденсаторов 5 и 6 токами, пропорциональными напряжению на управляющих входах блока 8 разряда конденсаторовТак как блоки 7 и 8 разряда конденсаторов включены между собой встречно, то во время замыкания ключа 10 происходит вычитание заряда конденсаторов из первого результата, занесенного во время замыкания ключа 9. Таким образом, результирующее напряжение на конденсаторах 5 и 6 соответствует разности напряжений сигнала на переднем фронте импульса возбужде- ния и на плоской его части, На последующих импульсах первой серии последовательность замыкания ключей 9 и 10 сохраняется, разряд конденсаторов продолжается. В результате в конце серии напряжение заряда конденсаторов становится равным сумме зарядов на интервале времени одного импульса, Для увеличения коэффициента усиления входного каскада, состоящего из блоков разряда, накопительных конденсаторов, токовых ключей и генератора 18 тока, в устройстве используется цепь подзаряда накопительных конденсаторов, содержащая ключи 13 и 14

и генераторы 19 и 20 тока. Ключи 13 и 14 замыкаются по сигналам с выхода 30 блока 23 управления одновременно с ключами 9 и 10. Ток генераторов 19 и 20 задается таким, чтобы напряжение заряда конденсаторов 5

0 и 6 в конце серии при сбалансированной схеме, т.е. при отсутствии изделия в электрическом поле первого конденсатора 2, было равно половине напряжения второй шины питания, т,е, Е2/2, а разность напря5 жений заряда конденсаторов 5 и 6, соответствующая максимальному сигналу, также была равна Е2/2. На дифференциальный усилитель 17 напряжение с накопительных конденсаторов 5 и б передается через исто0 ковые повторители 15 и 16. Напряжение накопленного заряда на выходе дифференциального усилителя 17 по сигналу с выхода 31 блока 23 управления заносится в ячейку 21 выборки и хранения. Если в устройстве

5 необходим цифровой эквивалент измеряемых параметров, то вместо ячейки выборки и хранения используется АЦП, аналоговое напряжение на входе которого по сигналу с выхода 31 блока 23 управления преобразу0 ется в цифровой код и хранится до следующего обращения к АЦП. Таким образом, напряжение на выходе ячейки 21 выборки и хранения (или код на выходе АЦП) эквивалентно диэлектрической проницаемости ма5 териала изделия.

В начале второй серии импульсов возбуждения замыкаются ключи 11 и 12, через которые происходит заряд накопительных конденсаторов 5 и 6 для напряжения вто0 рой шины 25 питания. После размыкания ключей 11 и 12 на интервале времени после переходного процесса заряда конденсаторов 2 и 3 до спада импульса возбуждения замыкается ключ 10. В результате ток гене5 ратора 18 поступает на токовый вход блока 8 разряда, перераспределяясь между его выходами пропорционально напряжению на управляющих входах блока. Напряжение на управляющих входах блоков 7 и 8 на

0 этом интервале времени пропорционально току утечки конденсатора 2, т.е. прводимо- сти материала изделия. Конденсаторы 5 и б разряжаются токами блока 8 разряда. Одновременно с ключом 10 замыкаются ключи

5 13 и 14, через которые осуществляется под- заряд конденсаторов 5 и 6 токами генераторов 19 и 20. В течение второй серии импульсов возбуждения заряд конденсаторов 5 и 6 накапливается, и в конце серии напряжение на выходе дифференциального

усилителя 17 оказывается пропорциональным разностному току утечки конденсаторов 2 и 3, т.е. проводимости материала изделия. По сигналу с выхода 32 блока 23 управления напряжение на выходе усилителя 17 заносится в ячейку 22 выборки и хранения (или преобразуется в цифровой код, если используется АЦП 22) и на втором выходе устройства появляется напряжение или цифровой код, однозначно определяющее величину проводимости материала изделия.

Устройство для измерения диэлектрической проницаемости и проводимости обладает более широкими функциональными возможностями и точностью, так как позволяет одновременно измерять-две контролируемые величины с высокой точностью.

Измерения может производиться непосредственно на исследуемом изделии по- средством приближения к нему первичного преобразователя.

Формула изобретения

1.Способ измерения проводимости и диэлектрической проницаемости, заключающийся в подаче возбуждающего напряже- ния на два идентичных воздушных конденсатора, возбуждении электрического поля в окружающем пространстве конденсаторов, помещении в электрическое поле первого конденсатора контролируемого материала, вычитании токов, протекающих через первый и второй конденсаторы и преобразовании их в разностное напряжение, отличающееся тем,что,с целью повышения точности, генерирует возбуждающее напряжение в виде двух серий импульсов прямоугольной формы, разностное напряжение на интервале времени заряда конденсаторов первой серии импульсов преобразуют в первые импульсы тока, которые преобразуют в накапливаемый заряд, на интервале времени от момента затухания переходного процесса заряда конденсаторов до спада возбуждающего импульса напряжения первой серии преобразуют во вторые импульсы тока с последующим преобразованием в накапливаемый заряд, заряды первых и вторых импульсов тока вычитают и преобразуют в напряжение, по которому оценивают диэлектрическую проницаемость образца,разностное напряжение преобразуют в третьи импульсы тока с последующим преобразованием в накапливаемый заряд, преобразуемый в напряжение, по значению которого оценивают проводимость материала образца.

2.Способ по п.1,отличающийся тем, что, с целью повышения точности, возбуждающее напряжение генерируют в виде

двух серий импульсов псевдослучайной последовательности.

3. Устройство для измерения проводимости и диэлектрической проницаемости, 5 содержащее два воздушных конденсатора, в электрическом поле одного из которых помещается изделие из контролируемого материала, трансформатор, выводы первичной обмотки которого подключены к одно0 именным обкладкам конденсаторов, генератор сигнала и дифференциальный усилитель, отличающееся тем, что, с .целью повышения точности, в него введены два накопительных конденсатора, два блока 5 разряда конденсаторов, три пары управляемых ключей, три генератора тока, два исто- ковых повторителя, две ячейки выборки и хранения и блок управления, трансформатор выполнен в виде вычитающего транс0 форматора, а генератор выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов псевдослучайной последовательности, причем выход формирователя импульсов напряжения соединен с первыми выводами воздуш5 ных конденсаторов, вторые выводы которых подключены к первичной обмотке вычитающего трансформатора, средняя точка которой подключена к шине нулевого потенциала, первый вывод вторичной об0 мотки трансформатора подключен к первому управляющему входу первого и второму управляющему входу второго блоков разряда накопительных конденсаторов, второй вывод вторичной обмотки трансформатора

5 подключен к второму управляющему входу первого и первому управляющему входу второго блоков разряда накопительных конденсаторов, токовые входы которых соот: ветственно через первый и второй

0 управляемые ключи соединены с выходом первого генератора тока, вход которого подключен к первой шине питания, попарно объединенные первые и вторые выходы первого и второго блоков разряда накопитель5 ных конденсаторов подключены к первым выводам соответственно первого и второго накопительных конденсаторов, вторые выводы которых соединены с шиной нулевого потенциала, к входам соответственно пер0 вого и второго истоковых повторителей, соответственно через третий и четвертый ключи соединены с второй шиной питания и соответственно через пятый и шестой ключи соединены с выходами второго и третьего

5 генераторов тока, входы которых соединены с второй шиной питания, выходы первого и второго истоковых повторителей соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к информационным входам первой и второй ячеек выборки и хранения, выходы которых соединены с первым и вторым выходами устройства, управляющие входы формирователя, первого и второго ключей соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока управления, попарно объединенные управляющие входы третьего и четвертого, пятого и шестого ключей соединены соответственно с четвертым и пятым выходами блока управления, шестой и седьмой выходы которого подключены к управляющим входам первой и второй ячеек выборки и хранения.

4. Устройство по п.З, отличающее- с я тем, что блок управления содержит генератор импульсов, выход которого соединен через счетчик с входами триггера и

дифференциатора, выход которого подключен к первым входам первого и второго элементов И и через элемент задержки к второму входу блока управления, прямой выход триггера соединен с вторым входом второго элемента И, а инверсный - с первым входом третьего элемента И, второй вход которого подключен к пятому элементу И, первый и второй входы которого соединены с первым

выходом блока управления и вторым входом четвертого элемента И, первый вход которого через элемент НЕ соединен с выходом пятого элемента И, входы элемента ИЛИ подключены к выходам третьего и четвертого элементов И, являющихся третьим и пятым выходами устройства, шестой и седьмой выходы подключены к выходам первого и второго элементов И соответственно.

tt

«

e

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности одновременного измерения проводимости и диэлектрической проницаемости диэлектрических и полупроводниковых материалов. Поставленная цель достигается в результате введения операции формирования возбуждающего напряжения в виде двух серий импульсов прямоугольной формы, преобразования разностного напряжения двух конденсаторов на интервале времени заряда конденса- торов до величины возбуждающего напряжения в импульсы тока и в накапливаемый заряд, преобразования разностного напряжения на интервале времени после переходного процесса заряда конденсаторов до конца импульса в импульсы тока и в накапливаемый заряд, вычитания зарядов и преобразования в напряжение, пропорциональное диэлектрической проницаемости, преобразования разностного напряжения двух конденсаторов на интервале времени после окончания переходного процесса заряда конденсаторов в импульсы тока и в накапливаемый заряд, преобразования заряда в напряжение, пропорциональное электрической проводимости. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл. сл с

J

a j.

j

JS

it

«)

ъ

s

55

99 §: ®)

Я

tu 3

s

Jfe J

rn

х

Xz

N/

срие.З