Измеритель толщины диэлектрических материалов Советский патент 1982 года по МПК G01B7/06 

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины изделий из диэлектрических материалов (полимеров, кожи, тканей, резины и др.). / /

Известно устройство для измерения толщины диэлектрических материалов, содержащее два емкостных первичных преобразователя, один из которых измерительный, а другой - компенсационный, включены в измерительную мостовую схему 1.

Недостатком этого устройства является наличие существенных погрешностей измерения, обусловленных изменением диэлектрических свойств контролируемого материала при изменении температуры, состава, структуры и т.д., а также погрешностей, связанных с конструктивной и пространственной неидентичностью первичных преобразователей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является измеритель толщины диэлектрических, материалов, содержащий измерительный и образцовый накладные первичные преобразователи, состоящие каждый из низкопотенциальны-х электродов л высокопотенциальных электродов с большой высотой зондирующего электрического поля, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подсоединены к высокопотенциальным электродам, блок преобразования емкости в напряжение, вход которого подключен к выходам коммутаторов, генератор низкой частоты, масштабирующий избирательный усилитель, подключенный к выходу блока преобразования емкости в напряжение, синхронный детектор, сиг10нальный вход которого подключен к выходу масштабирующего избирательного усилителя, а управляющий вход - к выходу генератора и к управляющим входам коммутаторов, и регистратор 2.

15

Недостатком этого измерителя является наличие существенных погрешностей, обусловленных изменением диэлектрических свойств контролируемого материала при изменении температуры, структуры, состава и т.д.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель снабжен вторыми высокопотенциальными электродами с малой высотой

зондирующего электрического поля в первичных преобразователях, закрепленных на общей диэлектрической подложке, двумя дополнительными коммутаторами, вход первого из которых подключен к второму высокопотенциальному электроду измерительного преобразователя, вход второго - к второму высокопотенциальному электроду образцового преобразователя, а управляющие входы подключены к выходу генератора, вторым блоком преобразования емкости в напряжение, первый вход которого подключен к второму выходу первого и первому выходу второго дополнительных коммутаторов, а второй вход подключен к первому выходу первого дополнительного коммутатора, к второму выходу второго дополнительного коммутатора и низкопотенциальным электродам первичных преобразователей, вторым масштабирующим избирательным усилителем, вход которого подключен к выходу второго блока преобразования емкости в напряжение, вторым синхронным детектором, сигнальный вход которого подключен к выходу второго масштабирующего избирательного усилителя, а управляющий вход - к выходу генератора, и блоком деления, первый вход которого подключен к выходу первого синхронного детектора, второй вход - к выходу второго синхронного детектора, а выход подключен к регистратору.

На чертеже приведена блок-схема измерителя.

Измеритель содержит измерительный 1 и образцовый 2 накладные емкостные первичные преобразователи, закрепленные на одной диэлектрической подложке 3, и расположенные на контролируемом материале 4, состоящие каждый из низкопотенциальных 1.1 и 2.1 и двух высокопотенциальных электродов 1.2, 1.3 и 2.2, 2.3,расчитаннь1х на большую и малую высоту зондирования (выпучивания) электрического поля, коммутаторы 5 и 6, дополнительные коммутаторы 7 и 8, два блока 9 и 10 преобразования емкости в напряжение постоянного тока, входы блока 9 подключены к выходам коммутаторов 5 и 6, а входы блока 10 подключены к выходам коммутаторов 7 и 8, два масщтабирующих избирательных усилителя II и 12, два синхронных детектора 13 и 14, сигнальный вход детектора 13 подключен к выходу усилителя 11, а сигнальный вход детектора 14 подключен к выходу- усилителя 12, генератор 15 низкой частоты, выход которого подключен к управляющим входам коммутаторов 5-8 и синхронных детекторов 13 и 14, блок 16 деления, входы которого подключены к выходам синхронных детекторов 13 и 14, и регистратор 17, включенный на выходе блока 16 деления.

Два накладных емкостных первичных преобразователя 1 и 2 изготавливают геометрически одинаковыми. Их электроды закрепляют (например, напыляют) с разных сторон одной диэлектрической подложки 3 с большим коэффициентом теплопроводности. Эти преобразователи имеют низкопотенциальные электроды 1.1 и 2.1, которые соединены между собой, и высокопотенциальные электроды 1.2 и 2.2 с большой высотой (выпучиванием) зондирующего электрического поля и электроды 1.3 и 2.3 с малой высотой (выпучиванием) зондирующего электрического поля. Ширину электродов и расстояние между ними выбирают из предпола° гаемой толщины контролируемого материала 4. Ширину высокопотенциальных электродов 1.2 и 2.2 и расстояние до соседних низкопотенциальных электродов 1.1 и 2.1 выбирают из условия обеспечения выхода

5 большей части силовых линий (на чертеже обозначены пунктиром и символом А) электрического поля при максимально возможной толщине контролируемого материала 4. А ширину высокопотенциальных электродов 1.3 и 2.3 и расстояние до соседних низ0 копотенциальных электродов 1.1 и 2.1 выбирают из условия, чтобы силовые линии (на чертеже обозначены точками и символом Б) электрического поля, создаваемого этими электродами, в основном замыкались (рас, полагались) в контролируемом материале 4 при минимально возможной его толщине. Емкостной преобразователь 1, примыкающий к контролируемому материалу 4, является измерительным, а преобразователь 2 образцовым.

0 Измеритель работает следующим образом.

При подключении измерительного преобразователя 1 с малой высотой зондирующего электрического поля к блоку 10 происходит подключение образцового преобразователя 2 с больщой высотой зондирующего электрического поля к блоку 9 преобразования емкости в напряжение, причем высокопотенциальные электроды 1.2 измерительного преобразователя 1 И высокопотенциальный электрод 2.3 образцового преобразователя 2 подключаются к низкопотенциальным электродам 1.1 и 2.1 при помощи коммутаторов 5 и 8. И, наоборот, при подключении измерительного преобразователя 1 с большой высотой зондирующего электрического поля к блоку 9 преобразования емкости в напряжение, происходит подключение образцового преобразователя 2 с малой высотой зондирующего электрического поля к блоку 10 преобразования емкости в напряжение, и, соответственно, высокопотенциальные электроды 2.2 образцового преобразователя 2 и высокопотенциальный электрод 1.3 измерительного преобразователя 1 подключаются к низкопотенциальным электродам 1.1 и 2.1 при помощи коммутаторов 6.7.

5 Такое переключение электродов позволяет перераспределить электрические поля преобразователей 1.2 в диэлектрической подложке 3 так, что при поочередном подключении этих преобразователей к блокам 9 и 10 преобразования емкости в напряжение, их электрические поля будут пронизывать одни и те же слои диэлектрической подложки 3. При отсутствии контролируемого материала 4 емкости преобразователей 1, 2 одинаковы. Вследствие этого при поочередном их подключении к блокам 9 и 10 преобразования емкости в напряжение постоянного тока с частотой коммутации изменение величины выходных сигналов (модуляция) блоков 9 и 10 будет отсутствовать. При наложении контролируемого материала 4 на измерительный преобразователь 1, емкость его возрастает по отношению к емкости образцового преобразователя 2. Так как значения напряжений на выходах блоков 9 и 10 зависят от емкости подключаемых преобразователей 1.2, то выходные напряжения блоков 9 и 10 будут промодулированы частотой коммутации. Глубина модуляции выходного напряжения блока 9 будет пропорциональна разности емкостей преобразователей 1.2с большой высотой зондирования электрическим полем. Глубина модуляции выходного напряжения блока 10 будет пропорциональна разности емкостей преобразователей 1.2с малой высотой зондирования электрическим полем, Так как силовые линии электрического поля с малой высотой зондирования измерительного преобразователя 1 находятся практически полностью в контролируемом материале 4, то приращение емкости, привнесенное этим материалом в измерительный преобразователь 1, определяется диэлектрической проницаемостью контролируемого материала. С помощью масштабирующих избирательных усилителей 11 и 12 выделяются и усиливаются переменные составляющие напряжения на входах блоков 9 и 10. Амплитуда знакопеременного напряжения на выходе усилителя 11 пропорциональна разности емкостей преобразователей 1.2 с больцгой высотой зондирования электрическим полем. Амплитуда знакопеременного напряжения на выходе усилителя 12 пропорциональна разности емкостей преобразователей 1,2 с малой высотой зондирования электричесКИМ полем. Напряжение с выхода усилителя 11 подается на сигнальный вход синхронного детектора 13, а напряжение с выхода усилителя 12 подается на сигнальный вход синхронного детектора 14. На управляющие входы синхронных детекторов 13 и 14 и управляющие входы коммутаторов 5-8 подается напряжение коммутации с выхода генератора 15 низкой частоты. На выходе синхронного детектора 13 появляется сигнал, величина которого связана пропорциональной зависимостью с разностью емкостей преобразователей 1.2с большой высотой зондирования электрическим полем. Так как привнесенная емкость в измерительный преобразователь 1 зависит не только от изменения диэлектрической проницаемости, но и от толщины контролируемого материала 4, то сигнал на выходе синхронного детектора 13 будет связан линейной зависимостью с диэлектрической проницаемостью и функциональной зависимостью с толщиной контролируемого материала 4. На выходе синхронного детектора 14 появляется сигнал, величина которого связана пропорциональной зависимостью с разностью емкостей преобразователей 1.2с малой высотой зондирования электрическим полем. Так как привнесенная емкость измерительного преобразователя 1 зависит лищь от изменения диэлектрической проницаемости материала 4, то сигнал на выходе синхронного детектора 13 будет изменяться лищь при изменении диэлектрической проницаемости контролируемого материала 4. Таким образом, измерительный канал, состоящий из коммутаторов 5 и б, блока 9 преобразования емкости в напряжение постоянного тока, масштабирующего избирательного усилителя 11 и синхронного детектора 13, предназначен для выделения и обработки полезного сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости итолщине контролируемого материала 4. А измерительный канал, состоящий из коммутаторов 7 и 8, блока 10 преобразования емкости в напряжение постоянного тока, масщтабирующего избирательного усилителя 12 и синхронного детектора 14, предназначен для выделения и обработки полезного сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости материала 4. Сигналы с выходов синхронных детекторов 13 и 14 подаются на блок 16 деления, который производит операцию деления выходного сигнала детектора 13 на выходной сигнал детектора 14. Величина сигнала на выходе блока 16 будет функционально связана с толщиной контролируемого материала 4 и не будет зависеть от изменения его диэлектрической проницаемости. Сигнал с выхода блока 16 поступает на регистратор 17. Использование предлагаемого измерителя позволяет уменьшить погрешности измерения, обусловленные изменением диэлектрических свойств контролируемого материала при изменении температуры, структуры материала, состава и т.д., что повышает точность измерения. Формула изобретения Измеритель толщины диэлектрических материалов, содержащий измерительный и образцовый емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из низкопотенциальных электродов и высокопотенциаль