Способ определения напряженности электрического поля в плоскости объема твердого диэлектрика Советский патент 1992 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к технике измерения электрических полей в твердых диэлектрических материалах и может быть использовано в радиотехнической и радиоэлектронной промышленности, а также в научно-исследовательских и заводских лабораториях для неразрушающего контроля внутренних электростатических полей в диэлектриках.

Известен компенсационный метод измерения потенциалов в жидкой среде 1, при котором в жидкость, расположенную в ванне между двумя электродами, в заданную точку помещают зонд, определяют координаты данной точки с помощью линеек.

расположенных по бортам ванны, осуществляют компенсацию разности потенциалов между зондом и одним из электродов путем подачи напряжения от внешнего источника на указанные зонд и электрод и изменения этого напряжения до получения минимального показания нуль-индикатора, включенного в цепь между зондом и внешним источником и определяют потенциал поля исследуемой точки по вольтметру, включенному между зондом и упомянутым электродом. Потенциал точки в этом случае равен потенциалу зонда. Зонд можно поместить в любую точку в жидкости и определить ее координаты и потенциал.

vi

00 Сл)

4 СЛ

со

Недостатком данного метода является невозможность применения для измерения напряженности электрического поля в плоскости внутри твердого диэлектрика, так как для помещения зонда последовательно в множество точек в исследуемой плоскости необходимо сверлить каналы до этих точек, и образец диэлектрика практически будет разрезан на две части. То есть, применительно к твердым диэлектрикам данный метод является разрушающим.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ неразрушающего контроля электрического поля в твердых диэлектриках 2. В данном способе для определения электрического поля в плоскости в объеме диэлектрика воздействуют импульсом деформации на один из двух элекУрТэдов, полностью закрывающих торцы образца, между которыми расположен объект измерения. С противоположного электрода снимают и получают на экране осциллографа элекрический сигнал, характеризующий распределение электрического поля в диэлектрике, определяют координату t исследуемой плбскости на шкале времени осциллографа, используя формулу

x Vt,

где х - расстояние от торца образца, куда входит импульс деформации и до исследуемой плоскости;

V - скорость звука в материале исследуемого диэлектрика;

t - время, за которое звуковая волна проходит расстояние х, определяют амплитуду электрического сигнала в координате t. Затем заряжают эталонный образец от внешнего источника до известного значения напряженности поля, снимают с него электрический сигнал описанным способом и абсолютное значение напряженности поля в плоскости в исследуемом образце определяют путем сравнения амплитуд сигналов от эталонного и исследуемого образцов.

Недостатком известного способа является длительность процесса определения, обусловленная тем, что необходимо заряжать эталонный образец, снимать с него электрический сигнал, а затем сравнивать амплитуды сигналов от эталонного и исследуемого образцов. На эти операции требуются значительные затраты времени. Другим недостатком приведенного способа является неточность определения абсолютного значения напряженности поля в плоскости с исследуемом образце. Это обусловлено тем, что процесс определения абсолютного значения поля включает в себя

много операций - выбор эталонного образца, идентичного исследуемому образцу, заряжение эталонного образца до известного значения напряженности поля в нем; получение сигнала от эталонного образца, сравнение амплитуд сигналов от эталонного и исследуемого образцов, нахождение функциональной связи между напряженностью поля и амплитудой сигнала. Каждая операция выполняется, как правило, с определенными погрешностями и в процессе определения накапливается значительная ошибка. В связи с этим результат определения будет весьма неточным.

Целью предложенного изобретения является повышение точности и сокращение времени определения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения электрического поля в плоскости объема твердого диэлектрика, заключающемся в воздействии импульсов деформации на один из двух электродов, полностью зэкры вающих торцы образца, между которыми расположен объект измерения, получении электрического сигнала на экране осциллографа и определение координаты исследуемой плоскости на шкале времени осииллографа, согласно изобретению осуществляют компенсацию

электрического поля внутри образца в исследуемой плоскости путем подачи постоянного напряжения на указанные электроды и изменения его от импульса деформации к импульсу, до установления в упомянутой

координате нулевого значения сигнала, измеряют величину приложенного компенсирующего напряжения и определяют напряженность электрического поля Е по формуле

40

-1

где U - напряжение компенсации сигнала; h - толщина диэлектрика. На фиг,1 представлена схема реализа- ции предлагаемого способа; на фиг.2 - схе- матично изображены осциллограммы сигналов.

Исследуемый образец 1 диэлектрика толщиной h расположен между двумя элек- тродами 2 и 3, которые подключены к источнику постоянного напряжения 4. Электрод 3 соединен через конденсатор 5 с осциллографом 6. На электрод 2 воздействуют импульсами деформации. Конденсатор 5 предназначен для защиты осциллографа 6 от высокого напряжения U, прикладываемого к электродам 2-й 3.

Для определения электрического поля в

плоскости 7, расположенной, например, на

расстоянии х от электрода 2, определяют

время t, за которое звуковая волна проходит заданное расстояние х в материале исследуемого диэлектрика, используя формулу

x Vt,

где х - расстояние от торца образца, куда входит импульс деформации, и до исследуемой плоскости;

V-скорость звука в материале исследуемого диэлектрика;

t - время, за которое звуковая волна проходит расстояние х.

Далее на электрод 2 и соответственно не торец образца 1 воздействуют импульсом деформации (на фиг,1 показан стрелкой), например, от электрострикционного преобразователя, Бегущая через образец 1 плоская звуковая волна индуцирует в измерительном электроде 3 электрический сигнал, величина которого однозначно соответствует значению напряженности электрического поля в деформированной области объема исследуемого образца 1. Электрический сигнал может быть индуцирован, например, в антенне, расположенной возле образца 1 и подключенной к осциллографу 6. Данный электрический сигнал регистрируют осциллографом б, на котором получают кривую 8 (см. фиг.2а), характеризующую распределение электрического поля в объеме образца 1. Принимают за начало координат на шкале времени осциллографа 6 время входа импульса деформации в торец образца 1, в заряженном образце 1 это будет начало сигнала (начало кривой 8). Относительно этого начала (нуля) откладывают на шкале времени вычисленное время t (см. фиг.2б), за которое звуковая волна проходит расстояние х от торца и до исследуемой плоскости 7. Это и есть координата исследуемой плоскости 7 на шкале времени времени осциллографа 6. По кривой 8 определяют, что этой -координате t соответствует положительное значение напряженности электрического поля, и для компенсации этого поля к электродам 2 и 3 прикладывают отрицательное напряжение U от источника 4. При этом на торец образца воздействуют следующими друг за другом монополярными импульсами деформации, а напряжение от нулевого значения увеличивают от импульса деформации к импульсу. Соответственно между электродами 2 и 3, представляющими собой совместно с образцом 1 плоский конденсатор, возникает электрическое поле Е (пунктирная прямая 9), определяемое из формулы Р U

где U - напряжение, прикладываемое к электродам;

h - толщина образца диэлектрика. Это поле суммируется с отрицательны ми значениями электрического поля, распределенного в образце 1, и вычитается из

положительных значений распределенного поля, т.е. относительно оси времени кривая 8 с увеличением приложенного к электродам 2 и 3 напряжения будет перемещаться вниз, а точка 10 - координата плоскости

нулевого поля, будет двигаться к координате t. Все это наблюдают на экране осциллографа б при прохождении импульсов деформации через образец 1. Когда значение сигнала в координате становится равным нулю, т.е. когда точка 10 плоскости нулевого поля совмещается с точкой t, (см, фиг.2б), изменение напряжения останавливают. Наличие нулевого сигнала в координате t обозначает, что приложенное к образцу

1 отрицательное электрическое поле по абсолютному значению равно положительному значению собственного электрического поля в исследуемой плоскости 7 и оно компенсируют в заданной плоскости 7 имеющее там собственное электрическое поле, Исходя из этого, измеряют напряжение компенсации сигнала, т.е. напряжение, приложенное к электродам 2 и 3, при котором сигнал в заданной координате t равен нулю,

и определяют напряженность электрического поля Е между электродами 2 и 3 по формуле

,

где U - напряжение компенсации сигнала; h - толщина образца. Это и будет напряженность поля в исследуемой плоскости 7. Изменяя приложенное напряжение от отрицательных

значений к положительным, можно осуществить компенсацию сигнала во всем интервале времени от 0 до соответствующего образцу 1 и определить электрическое поле последовательно во многих плоскостях по

толщине образца 1 с заданным интервалом между ними и соответственно при малом интервале между плоскостями получить количественное распределение электрического поля по толщине диэлектрика.

Таким образом, использование предложенного способа позволяет вести прямое определение электрического поля в плоскости в объеме диэлектрика, за счет компенса- ции определяемого поля в заданной

плоскости образца. Это, в свою очередь, сокращает время определения и повышает точность определения, так как исключена необходимость заряжать эталонные образцы и по ним определять поле. Кроме того, исключена необходимость использования

дорогостоящего оборудования для заряжения эталонных образцов, исключено использование для этого электроэнергии и самих эталонных образцов, что удешевляет предложенный способ по сравнению с прототипом.

Формула изобретения Способ определения напряженности электрического поля в плоскости объема твердого диэлектрика, заключающийся в воздействии импульсов деформации на один из двух электродов, полностью закрывающих противоположные торцы образца, получения электрического сигнала на экране осциллографа и определении координаh

S)

фиг. 2.

ты исследуемой плоскости на шкале времени осциллографа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения, осуществляют

компенсацию поля внутри образца в исследуемой плоскости путем подачи постоянного напряжения на указанные электроды и изменения его от импульса деформации к импульсу до установления в упомянутой

координате нулевого значения сигнала, измеряют величину приложенного компенсирующего напряжения и определяют напряженность электрического поля Е по формуле Е U/h, где U - напряжение компенсации сигнала, h - толщина диэлектрика.

Использование: изобретение относится к технике измерения электрических полей и может быть использовано для неразрушающего контроля внутренних электростатических полей в твердых диэлектриках. Сущность изобретения: способ заключается в воздействии импульсов деформации на один из торцов образца, получении электрического сигнала на экране осциллографа и определении координаты исследуемой плоскости на шкале времени осциллографа. В способе осуществляют компенсацию поля в исследуемой плоскости путем подачи напряжения на торцы образца и изменения его от импульса деформации к импульсу до установления в упомянутой координате нулевого значения сигнала, измеряют величину приложенного напряжения и определяют U напряженность поля Е по формуле Е h где U - напряжение компенсации сигнала, h - толщина диэлектрика. Повышение точности и сокращение времени определения обусловлены тем, что не требуется заряжать эталонные образцы и по ним определять электрическое поле. 2 ил. сл С