Устройство для испытания образца на электростатическую зарядку Советский патент 1983 года по МПК G01R31/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при создании устройств для контроля электростатических зарядов элементов конструкций, образцов материсша и изделий.

Известно устройство для испытаний образцов материалов на электростатическую зарядку, состоящее из неподвижной кассеты с образцами и перемещаемого емкостного зонда, подключенного к усилителю постоянного тока 1.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения в результате того, что измеритель по тенциала, работакнций как емкостный делитель, не успевает разрядиться до нового значения. Кроме того, устройство содержит дополнительный двигатель для перемещения зонда в результате Обнуления устройства, что снижает надежность устройства.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для испытания образца на электростатическую зарядку, содержам е емкостной датчик электрического поля в виде тонкой консольной балки, соединенной с усилителем, измерителем и индикатором, емкостной датчик, механически связанный через MO-I дулятор с выходом генератора, периодически колеблющийся вдоль силовых линий электрического поля исследуемого образца 2j .

Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная тем, что емкост10ной датчик (тонкая консольная балка) колеблется под действием модулятора на 1-ом типе изгибных колебаний, частота которых зависит от герметических размеров датчика и механических

15 свойств материала, которые меняются под действием внешних факторов и в процессе эксплуатации в результате старения в усталости металла. В результате частота генератора и сОб20ст енная частота 1-го типа изгибных i колебаний начинают.отличаться, следствием чего является: уменьшение амплитуды колебаний датчика и глубины модуляции емкости.

25

Так KciK выходной сигнал пропорционален глубине модуляции емкости, то уменьшение амплитуды колебаний датчика приводит к ошибкам измере30ний, особенно при длительной эксплуа- тации, когда поязляготся усталостные явления в материале датчика, . Цель изобретения - повышение точ:ности измерений при длительной эксплуатации устройства. Поставленная цель достигается тем что в известное устройство для испытаний образца не электростатическую зарядку, содержащее модулятор, генефатор, источник питания, емкостной датчик/ электрического поля в виде тонкой консольной балки, соединенной через усилитель с измерителем, вь1ход которого соединен с индикатором, вве дены катушка соленоида, транзисторны ключ, проходной транзистор, фазовращатель, усилитель-формирователь, линейный усилитель, детектор, блок сравнения. Источник опорного напряжения, индукционный датчик, причем емкостной датчик электрического поля и модулятор выполнены из магнитного материала, последний выполнен в виде жестко закрепленного одним концом на емкостном датчике электри гского поля стержня, другой конец которого расположен в осевом канале катушки соленоида, индукционный датчик с сердечником: в виде V-образного постоянного магнита расположен под емкостным датчиком электрического поля в плоскости изгибных колебаний последнего, катушка индукционного датчика, расположенная на сердечнике, одним из выводов , подключена к общему выводу, а другим выводом - к входам фазовращателя и линейного уси лителя, выход последнего через детектор соединен с из входов блока сравнения, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - с базой проходного транзистора, коллектор которого соединен с выходом источника пи тания, а эмиттер - с коллектором транзисгорного ключа, эмиттер которо го соединен через катушку соленоида С общим выводом, а база - с выходом генератора и с выходом усилителя-фор мирователя , вход которого co&ffKHea о выходом фазовращателя. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, на фиг. 2 эпюры отклонения емкостного датчика электрического подя и напряжений в различных точках устройства. Устройство содержит емкостной датчик 1 электрического поля, выпол ненный в виде тонкой консольной бал ки, под которым назаземленном осно вании 2 из немагнитного материала установлен образец 3. На емкостном датчике 1 перпендикулярно его оси жестко закреплен рдоим концом модулятор 4 в виде стержня, выполненный, как и датчик, из магнитно материала. Другой конец стержня 4 размещен в осевом канале соленоида 5. Емкостной.датчик 1 соединен с последовательно соединенньа ш усилите- i лем б, измерителем 7 и индикатором 8, Соленоид 5 является нагрузкой транзисторного ключа 9, с базой которого соединен индукционный датчик 10 через фазовращатель 11 и усилитель-формирователь 12. Мейсду источником 13 питания и коллектором транзисторного ключа 9 включен проходной транзистор 14, с базой которого также соединен индукционный датчик 10 через линейный усилитель 15, детектор 16 и блок 17 сравнения. Кроме того, в устройство входит генератор 18, соединенный с базой транзисторного ключа 9, а так-, же источник 19 опорного напряжения. Катушка индукционного датчика 10, фазовращатель 11, усилитель-формирователь 12, транзисторный ключ 9, катушка соленоида 5 и стержень 4 образуют цепь положительной обратной связи, необходимой для поддержки незатухающих изгибных колебаний датчика. На фиг. 2 обозначено; ufi - отклонение датчика 1 от положения равновесия, Оцд - напряжение на катушке индукционного датчика 10, {J,ju - напряжение на выходе фазовращателя ll, напряжение на выходе усилителя-Формирователя 12, и(- напряжение на выходе транзисторного ключа 9. Работа устройства основана на том, что изменение собственной частоты изгибных колебаний зонда при изменеАии внешних факторов не приводит к уменьшению амплитуды колебаний,так как это изменение автоматически отражается и на сигнале, обратной связ.и, который зависит от частоты колебаний датчика. В результате этого не возни-, кают ошибки, связанные с изменением собственной частоты датчика, что может иметь место при длительной работе, когда меняется жесткость стержня из-за усталости материала. Устройство работает следукицим образом.. В исходном .состоянии емкостной датчик 1 находится в равновесии под действием силы притяжения индукционного дат.чика 10, выполненного в виде V-образного магнита, и силы упругости датчика 1. При подаче одиночного импульса от генератора 18 в обмотке соленоида 5 протекает импульс тока, магнитное поле которого стягивает стержень внутрь соленоида 5 и выводит датчик в нижнее от равновесия положение. По окончании импульса тока датчик стремится вернуться в положение равновесия, но за счет инерции проходит его до верхнего от равновеСИ.Я положения. В катушке индукционного датчика 10 из-за изменения магнитного сопро-, тивления зазора между полюсами магиита и стальным датчиком 1 наводится синусоидальное напряжение с частотой колебаний датчика 1. Это напряжение

с помощью фазовращателя 11, усилителя 12 и транзисторного ключа 9 преобразуется в прямоугол ;ный импульс, который в соответствующей фазе колебаний датчика и длительностью, приблизительно равной 1/3 периода колебаний, подается на катушку соленоида 5 . За счет магнитного поля к стержню 4 прикладывается сила, благоприятная для резонансной раскачки емкостного датчика 1. Такая положи- тельная обратная связь позволяет с высокой точностью отслеживать часто гу модулятора в соответствии с собствеиной частотой изгибных колебаний датчика.

При увеличении амплитуды колебаний датчика 1, вызванном старением материалу датчика, увеличивается амплитуда синусоидального напряжения на датчике 10, что приводит к увеличению амплитуды сигнала на одном из .входов блока 17 с|}авнения, на второй вход которого поступает опорное напряжения с источника опорного Ha-, пряжения 19. С выхода блока 17 сравнения управляющий сигнал поступает на базу проходного транзистора 14, изменяя питающее.напряжение ключа 9. так, чтобы уменьшилась сила,раскрывающая Jцaтчик 1.

Б результате а1«1литуда колебаний датчика 1 остается постоянной при изменении механических характеристик материсша датчика в широких пределах что особенно важно при ;у1ительной эксплуатации.

Таким образом, выполнение модулятора в виде ртержня из магнитного материала, жестко закрепленного одним концом на ei«cocTHOM датчике также из магнитного материала перпендикулярно его оси, другой конец которого размещен в осевом кансше соленоида с возможностью перемещения вдоль его оси, наличие индукционного.датчика, размещенного под емкостным датчиком в полости изгибных колебаний датчика а также наличие положительной обратной связи по глубине модуляции датчика и отрицательной обратной связи по питающему напряжению позволяет ловы сить точность измерений при длитеяь; ности воздействия внешних дестабилизирующих факторов при длительной эксплуатсщии.

. Формула изобретения

Устройство для испытания образца на электростатическую зарядку, содержащее модулятор, генератор, ИСТОЧНИК - питания, емкостный датчик электрического поля в виде тонкой консольной балки, соединенной через усилитель с измерителем, выход которого соединен с индикатором, о т л ич а ю щ е е с°я тем, что, с целью

0 повьшения точности ..измерения при длительной эксплуатгщии, в устройство введены кафушка соленоида, транзисторный ключ, проходной т ранзистор, фазовращатель, усилитель-формирова5тель, линейный .усилитель, детектор, блок сравнения, источник опорного напряжения, индукционш:1й датчик, причём емкостной датчик электрического поли и модулятор выполнены из магнитного материала, последний выполнен в виде

0 жестко закрепленного одним концом На емкостном датчике электрического

. поля стержня, другой конец которого расположен в осевом канале : соленоида, индукционный датчик с сер5дечником в виде V-образного постоянного магнита расположен под емкостным датчиком электрического поля в плескости изгибйых колебаний последнего, катущка индукционного датчика, распо

0 ложенная на сердечнике, одним нэ вы:водов подключена к общему выводу, а другим выводом - к входам фазовращаг теля и линейного уснлителя, юход последнего через детектор соелшиен

5 с одним из входов блока сравнения, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход - с базой проходного транзистора, коллектор которого соединен с вы0ходом источника питания, а эмистер с коллектором транзисторного ключа, эмиттер которого соединен через каTytimy соленоида с общим яыводом, а база - с В1ЫХОДОМ генератора и с ваг ходсш усилнтеля-фор1| шрователя, вход

5 которого соединен с выходом фаэовра- щателя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Не. Pherson О.А., . Couffman О.Р.

0 Schobeit W.R.- Spacecraft Charging of High Altitudes SCATHA Satellite

Program. - Y. Spacecraft, vat. 12, 10, 1975.

2.Авторское свидетельство СССР

5 по заявке t 290445/18-21,

кл. G 01 R 31/00, 1980 (Прототип).

Ah

r r r

J J V

i/K/

П ТП