Измеритель напряженности электрических полей Советский патент 1993 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям напряженности электрических полей и может быть использовано при создании устройств для измерения, контроля электрических зарядов элементов конструкций, образцов материалов, свойств атмосферы.

Целью изобретения является повышение чувствительности измерителя за счет увеличения рабочей частоты модулятора. Поставленная цель достигается тем, что в измерителе напряженности электрических полей, содержащем модулятор, измерительный электрод, соединенный со входом первого усилителя тока, выход которого соединен со входом первого синхронного фильтра, выход последнего соединен с первым входом дифференциального усилителя, вспомогательный электрод соединен со входом второго синхронного детектора, выход последнего соединен со вторым выходом дифференциального усилителя, причем первая емкость обратной связи соединена с выходом первого синхронного фильтра и входом первого усилителя тока, а вторая емкость обратной связи с выходом второго синхронного фильтра и со входом второго усилителя тока, выход дифференциального усилителя соединен со входом синхронного детектора, а выход синхронного детектора соединен со входом измерителя и электродом отрицательной обратной связи, расположенным напротив измерительного электрода, вход схемы сравнения соединен с электродом обратной связи, а выход с управляющим входом проходного транзистора, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, причем опорные входы первого, второго синхронных фильтров, а также опорный вход синхронного детектора также соединены с этим же выходом опорного генератора, второй выход генератора опорного напряжения заземлен и соединен со входом модулятора, а второй вход последнего соединен с выходом проходного транзистора.

Модулятор выполнен в виде набранного в пакет четного числа плоских пьезоэле- ментов с продольным пьезоэлектрическим эффектом, на соприкасающиеся и им параллельные грани которых нанесены металлические электроды, причем соприкасающиеся пьезоэлементы имеют встречную поляризацию, причем модулятор размещен таким образом, что между его заземленным электродом и корпусом с помощью изолирующих прокладок закреплен вспомогательный электрод, а измерительный электрод через изолирующую прокладку закреплен

на другом крайнем электроде модулятора, а пьезоэлементы модулятора включены параллельно генератору.

На фиг.1а представлена электрическая структурная схема измерителя напряженности электрических полей; на фиг. 16 - пример выполнения отдельного пьезоэлемента с металлическими электродами,

Измеритель напряженности электрических полей содержит модулятор (возбудитель механических колебаний), который выполнен в виде набранного в пакет четного числа плоских пьезоэлементов 1 с продольным пьезоэлектрическим эффек5 том, и пьезоэлемент обратной связи 4, который расположен между вспомогательным электродом 5 и корпусом измерителя и изолирован от них изолирующими прокладками 3. На модуляторе также закреплены

0 через изолирующие прокладки 3 измерительный электрод 2 и вспомогательный электрод 5.

Генератор опорного напряжения 7 соединен с каждым отдельным пьезоэлемен5 том 1 так, чтобы вектор поляризации каждого отдельного пьезоэлемента был направлен к заземленному электроду или наоборот. Незаземленный электрод пьезоэлемента обратной связи соединен со вхо0 дом схемы сравнения 9, выход которой соединен с управляющим входом проходного транзистора 8, вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения 7, а выход проходного транзистора - с неза5 земленными электродами пьезоэлементов 1. Измерительный электрод 2 соединен со входом первого усилителя тока 10, выход которого соединен со входом первого синхронного фильтра 11, выход которого соеди0 нен со входом дифференциального усилителя 14, причем выход первого синхронного фильтра 11 и вход первого усилителя тока соединены через первую емкость обратной связи Сосв 1, а вспомогательный

5 электрод 5 соединен со вторым усилителем тока 12, выход которого соединен со входом второго синхронного фильтра 13, а выход последнего - со вторым входом дифференциального усилителя 14, выход второго син0 хронного фильтра 13 и вход второго усилителя 12 соединены через вторую емкость обратной связи Сосв 2, а выход дифференциального усилителя 14 соединен со входом синхронного детектора 15, выход ко5 торого соединен со входом измерителя 16 напряженности электрических полей и электродом 6 отрицательной обратной связи, причем управляющие входы синхронного детектора 15, первого синхронного фильтра 11 и второго синхронного фильтра 13 соедийены с выходом генератора опорного напряжения 7.

Модулятор изготавливается следующим образом: набирается пакет из десяти элементов, поверхности которых смазаны серебросодержащей пастой, причем все элементы прокладываются серебряными шайбами с ушками, ушки, необходимы для подпайки проводов питания от генератора опорного напряжения 7 и проходного транзистора 8, затем все это стягивается струбцинкой и помещается в термопечь. В результате термообработки получается надежно спаянный модулятор. Точно также припаивается две серебряные шайбочки с ушками на пьезоэлемент обратной связи 4. К одному торцу модулятора приклеивается эпоксидным клеем измерительный электрод 2, а к другому вспомогательный электрод 5, также вырубленный из серебряных пластин, причем слой эпоксидного клея и будет служить в качестве изолирующих прокладок 3. Затем пьезоэлемент обратной связи приклеивается к вспомогательному электроду 5 и вся эта конструкция приклей- вается также эпоксидным клеем к корпусу прибора см. фиг. 1а. Необходимым условием для работы модулятора является то, чтобы вектор поляризации каждой пары соседних элементов был направлен встречно друг другу. Вектор поляризации идентифицируется очень просто; к любому пьезоэлементу подводят два проводника от любого осциллографа и сверху кладут груз, если луч отклоняется вверх, то вектор Р на- правлен вниз и наоборот,

В данном случае серебряные шайбочки с ушками, а также измерительный и вспомогательный электрод с ушками вырубались из серебряных пластин переменного воздушного конденсатора КПВ-125,

При подпайке проводов питания необходимо земляной провод генератора 7 припаивать к каждому третьему, начиная сверху ушка модулятора, к остальным ушкам припаивается провод от проходного транзистора 8. Этим обеспечивается параллельное подключение к генератору каждого пьезоэлемента и синхронное изменение толщины пьезоэлементов вследствие элект- рестрикции (изменение линейных размеров под действием внешнего напряжения), что позволяет модулятору работать на высокой резонансной частоте пьезоэлемента 1 и получить значительную амплитуду колеба- ний L измерительного электрода 2.

Измеритель напряженности электрических полей работает следующим образом.

В качестве возбудителя модулятора механических колебаний используется пакет

из десяти цилиндрических пьезоэлектри- ков, выполненный на элементах ЦТС-19 (цирконат-питанат свинца) диаметром 6 мм и высотой 1 мм, причем в качестве элемента обратной связи используется такой же пьезоэлемент.

Итак, при подаче на модулятор через проходной транзистор 8 с генератора 7 напряжения возбуждения измерительный электрод 2 в направлении z придет в колебательное движение, так, что сразу же на поверхности электрода под действием поля Е индуцируется заряд Aq пропорциональный площади электрода 2S и амплитуде колебаний L и напряженности поля Е, т.е.

Aq ЈoS-Un E ,

(1)

где Јо - диэлектрическая проницаемость воздуха;

S - площадь измерительного электрода;

Lm-{Lm Lsina f};

Е - напряженность измеряемого поля. Временное изменение заряда Aqt будет выглядеть так

Aqt Aqsin on.

(2)

При этом входной ток усилителя тока 10 будет

.Aqt S-E-L-sinmt

AtAt

Ј0-S-E-Lcocos yt,

(3)

где (О- угловая частота изменения амплитуды колебаний L.

Первый усилитель тока 10 усиливает полезный сигнал, а также шумовые напряжения и наводку от сигнала возбуждения, а введение первой емкости отрицательной обратной связи Сое в 1 по полезному сигналу совместно с первым усилителем тока 10 и первым синхронным фильтром 11 (синхронный фильтр настроен на усиление только сигнала (3), подавляет не совпадающие с сигналом (3) сигнала на фазе и частоте).

Для подавления синфазных, с полезным сигналом, помех, введен вспомогательный электрод 5, аналогичный измерительному, и сигнал, с которого пройдя через аналогичный тракт для полезного сигнала (второй усилитель тока 12, второй синхронный фильтр 13, выход которого соединен со входом усилителя 12, через вторую емкость обратной связи Сосв 2) и поступает на вход дифференциального усилителя 14, на другой вход поступает сигнал от первого синхронного фильтра, т.е. происходит окончательное подавление синфазных помех. Заземление ближайших к измерительному 2 и вспомогательному электроду 5 поверхностей пьезоэлементов 1 значительно улучшает, по отношению к аналогу величину сигнал/шум.

Усиленный дифференциальным усилителем 14 полезный сигнал детектируется синхронным детектором 15 и выпрямленный сигнал

UA Јo-S-E-L-wKrK2,

(4)

где Ki - коэффициент усиления по полезному сигналу (т.е. усиление первого усилителя совместно с первым синхронным фильтром ;

К2 - коэффициент усиления дифференциального усилителя 14 и синхронного детектора 15

поступает на электрод обратной связи 6 и создает на нем, по отношению к измерительному электроду, напряженность поля обратной связи.

Еос

Јo-S-E-L-w-KrK2

(5)

где d - расстояние между измерительным электродом 2 и электродом 6 обратной связи, что позволяет измерителю работать как нульорган.

Для стабилизации амплитуды колебаний модулятора введен пьезоэлемент обратной связи 4 с расположенным на нем электродом обратной связи, сигнал с которого поступает на схему сравнения 9, а с выходом схемы сравнения на вход проходного транзистора 8. Причем сигнал на выходе пьезоэлемента обратной связи 4 формируется следующим образом: пьезоэлемент жестко зажат между корпусом прибора и модулятором и поэтому при работе модулятора колебания на пьезоэле- менте 4 появляется сигнал (обратный пьезоэлектрический эффект), величина которого будет пропорциональна амплитуде колебаний модулятора и по этому любое отклонение амплитуды колебаний от заданной (температура, влажность и т.д.) вызовет, через схему сравнения 9 и проходной транзистор 8, такое изменение напряжения возбуждения, что она восстановится.

Применение отдельного пьезозлемента обратной связи для стабилизации амплитуды колебаний L модулятора и заземлении поверхности пьезоэлемента 4 наиболее

близкой к модулятору улучшает по отноше нию к аналогу величину сигнал/шум, т.к отсутствуют помехи от напряжения возбуж дения, а это позволяет более жестко стабили

зировать амплитуду колебаний модулятора чем в прототипе.

Таким образом, новое конструктивное выполнение модулятора в измерителе напряженности электрических полей, вы пол

0 ненного в виде пакета четного числа жесткс соединенных между собой посредством электродов пьезокерамических элементов с продольным пьезоэффектом, и параллельное подключение пьезокерамических эле5 ментов через проходной транзистор к генератору опорных напряжений позволяет модулятору работать на резонансной частоте отдельного пьезокерамического элемента, что повышает резонансную частоту

0 модулятора на порядок, следствием чего является повышение чувствительности.

Кроме того, предлагаемая конструкция модулятора позволяет увеличить активную площадь измерительного электрода, что

5 также приводит к повышению чувствительности устройства.

В настоящее время изготовлен макет предлагаемого устройства, в котором используются одиннадцать пьезоэлементов

0 ЦТС-19 диаметром 6 мм и высотой 1 мм с резонансной частотой 100 кГц, операционные усилители 140-й серии, синхронный детектор, синхронные фильтры выполнены на микросхемах 52БПС2 в качестве проходно5 го транзистора используется транзистор КТ809А. При первых же экспериментах, имея измерительный электрод 2 диаметром 10 мм, была получена чувствительность 0,02 В/м при точности измерений 1 %.

0

Формула изобретения Измеритель напряженности электрических полей, включающий модулятор, измерительный электрод, соединенный с входом

5 первого усилителя тока, выход которого соединен с входом первого синхронного фильтра, выход последнего соединен с первым входом дифференциального усилителя, вспомогательный электрод, соединенный с

0 входом второго усилителя тока, выход которого соединен с входом второго синхронного детектора, выход последнего соединен с вторым выходом дифференциального усилителя, причем первая емкость обратной

5 связи соединена с выходом первого синхронного фильтра и входом первого усилите- ля тока, а вторая емкость обратной связи - с выходом второго синхронного фильтра и с входом второго усилителя тока, выход дифференциального усилителя соединен с входом синхронного детектора, а выход синхронного детектора - с входом измерителя и электродом отрицательной обратной связи, расположенным напротив измерительного электрода, вход схемы сравнения соединен с электродом обратной связи, а выход - с управляющим входом проходного транзистора, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, причем опорные входы первого и второго синхронных фильтров, а также опорный вход синхронного детектора также соединены с этим же выходом опорного генератора, второй выход генератора опорного напряжения заземлен и соединен с входом модулятора, а второй вход последнего - с выходом проходного транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения

чувствительности измерителя путем увеличения рабочей частоты, модулятор выполнен в виде набранного в пакет четного числа плоских пьезоэлементов с продольным пьезоэлектрическим эффектом, на соприкасающиеся и им параллельные грани которых нанесены металлические электроды, а соприкасающиеся пьезоэлементы имеют встречную поляризацию, причем модулятор

размещен так, что между его заземленным электродом и корпусом с помощью изолирующих прокладок закреплен вспомогательный электрод, а измерительный электрод через изолирующую прокладку закреплен

на другом крайнем электроде модулятора, пьезоэлементы модулятора включены параллельно генератору, а крайние электроды модулятора заземлены.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании устройства для измерения и контроля электрических зарядов элементов конструкций. Сущность изобретения: цель изобретения - повышение чувствительности измерителя за счет увеличения рабочей частоты. Измеритель напряженности электрических полей содержит модулятор, который выполнен в виде набранного в пакет четного числа плоских пьезоэлементов 1 с продольным пьезоэлектрическим эффектом, и пьезоэлемент обратной связи 4, который расположен между вспомогательным электродом 5 и корпусом измерителя и изолирован от них изолирующими прокладками 3. На модуляторе также закреплены через изолирующие прокладки 3 измерительный электрод 2 и вспомогательный электрод 5. Генератор опорного напряжения 7 соединен с каждым отдельным пьезоэлементом 1 так, что вектор поляризации каждого отдельного пьезоэлемента был направлен к заземленному электроду и наоборот. Незаземленный электрод пьезоэлемента обратной связи соединен со входом схемы сравнения 9, выход которой соединен с управляющим входом проходного транзистора 8, вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения 7, а выход проходного транзистора - с незаземленными электродами пьезоэлементов 1. Измерительный электрод 2 соединен со входом первого усилителя тока 10, выход которого соединен со входом первого синхронного фильтра 11, выход которого соединен со входом дифференциального усилителя 14, причем выход первого синхронного фильтра 11 и вход первого усилителя тока соединены через первую емкость обратной связи Сосв 1. а вспомогательный электрод 5 соединен со вторым усилителем тока 12, выход которого соединен со входом второго синхронного фильтра 13, а выход последнего - со вторым входом дифференциального усилителя 14, выход второго синхронного фильтра 13 и вход второго усилителя 12 соединены через вторую емкость обратной связи СОСв 2, а выход дифференциального усилителя 14 соединен со входом синхронного детектора 15, выход которого соединен со входом измерителя 16 напряженности электрических полей и электродом 6 отрицательной обратной связи, причем управляющие входы синхронного детектора 15, первого синхронного фильтра 11 и второго синхронного фильтра 13 соединены с выходом генератора опорного напряжения 7. 1 ил. 00 го XI ON J ю

U