Диэлькометрический датчик

 

ДИЭЛЬКОЬШТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, содержащий компланарные ниэкопотенцисшьные электроды, расположенные : сиивлетрично относительно центрального высокопотенциального электрода на диэлектрической подложке, и пе-. реключатель, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности послойного контроля длоиотых сред, HeMeTajmH4ecKHx материалов и изделий, в него введены выравнивающие резистивные элементы, емкостный накопитель и операционный усилитель с формирователем выходного сигнала, причем ближайший к центральному электроду ниэкопотенциальный электрод соединен выравнивающим резистивным элементом с емкостным накопителем , подключенным к входу операционного усилителя, а остальные низкопотенциальные электроды соединены отдельными выравнивающими резистивными элементами со средними выводами переключателей, нормально замкнутые контакты которых подключены О) к эквиваленту входного сопротивления операционного усилителя.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3151) G 01 R 2 7/26 (21) 3374422/18-21 (22) 30.12.81 (46) 07.03.84. Бюл. 9 9 (72) Я.И.Бульбик и М.И.Соколов (71) Красноярский политехнический институт (53) 621.317.82(088.8 ) (56) 1. Авторское свидетеЛьство СССР

9 371532, кл. G 01 R 27/26,1972.

2. Авторское свидетельство СССР

Ю 333489, кл. G 01 R 27/26, 1971 (прототип). (54)(57) ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК содержащий компланарные низкопотенциальные электроды, расположенные симметрично относительно центрального высокопотенциального электрода на диэлектрической подложке, и переключатель, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности послойного контроля слоиатых сред, неметаллических материалов и изделий, в него введены выравнивающие резистивные элементы, .емкостный накопитель и операционный усилитель с формирователем выходного сигнала, причем ближайший к центральному электроду ниэкопотенциальный электрод соединен выравнивающим резистивным элементом с емкостным накопителем, подключенным к входу операционного усилителя, а остальные низкопотенциальные электроды соединены отдельными выравнивающими резистивными элементами со средними выводаС2. ми переключателей, нормально замкну- Е тые контакты которых подключены к эквиваленту входного сопротивления операционного усилителя.

1078356

Изобретение относится к технике послойного контроля однородности физических параметров слоистых сред, неметаллических материалов и .изделиЯ и может быть использовано в.неразрушающем контроле, в толщинометрии диэлектрических покрытий при одностороннем доступе к ним, а также в качестве тактильного датчика для робототехники,.

Известно устройство для неразрушающего послойного контроля диэлект» рических свойств материалов, содер. жащее накладной измерительный конденсатор с изменяемым межэлектродным промежутком, который соединяет- 15 ся с.мостовой измерительной цепью или с колебательным контуром измерительного генератора f1) .

В устройстве при компланарных электродах поток плотности электрического поля весьма неравномерно распределен по зоне контроля, что приводит к большой неравномерности разрешения и невысокой точности контроля. 25

Наиболее близким к предложенному является устройство, содержащее компланарные ленточные электроды, расположенные симметрично относительно центрального высокопотенциального. электрода на диэлектрической подлож.ке, и двухпозиционный переключатель, одни контакты которого соединены с электродами таким образом, что при переключении .получают минимальную глубину проникновения поля в исследуемый материал, а другие максимальную (2) .

Недостатком известного устройства является низкая точность измере. ния. 40

Цель изобретения — повышение точности послойного контроля однородности физических параметров слоистых сред, неметаллических материалов и иэделий. 45

Поставленная цель достигается тем, что в диэлькометрический датчик содержащий компланарные низкопотенциальные электроды, расположенные симметрично относительно центрального высокопотенциального электрода на диэлектрической подложке, и переключатель, введены выравнивающие резистивные элементы, емкостный накопитель и операционный усилитель с

Формирователем выходного сигнала, причем ближайший к центральному электроду низкопотенциальный элект- род соединен выравнивающим резистивным элементом с емкостным накопителем, подключенным к входу операцион- 60 ного усилителя, а остальные низкопотенциальные электроды соединены отдельными выравнивающими резистивными элементами со средними выводами переключателей, нормально замкну- 65 тые контакты которых подключены к эквиваленту входного сопротивления операционного усилителя.

На фиг, 1 изображена электрическая схема диэлькометрического датчика; на фиг. 2 - диэлькометрический датчик, продольный разрез на фиг. 3то же, вид сверху; на фиг. 4 — сечение A-A на фиг. 2.

Диэлькометрический датчик содержит верхнее диэлектрическое основание 1 с компланарными электродами 2 и центральным высокопотенциальным электродом 3, выравнивающие резистивные элементы 4, соединяющие низкопотенциальные электроды 2 с переключателем 5, емкостный накопитель б на входе операционного усилителя 7, эквивалент входного сопротивления усилителя 8 и формирователь 9 выходного сигнала, подключенный к выходу усилителя.

Диэлькометрический датчик фиг.2 выполнен на дискретных компонентах РЭА, в частности, с двумя магнитоуправляемыми переключателями, однако при требовании меньшей дискретности послойного неразрушающего контроля преобразователь может иметь m низкопотенциальных электродов и (m-I} каналов переключателя.

Допустимые значения tn определяются только коэффициентом усиления операционного усилителя 7 и допустимой амплитудной зондирующего импульса напряжения, подводимого к высокопотенциальному электроду 3.

Ленточные электроды 2 и 3 и выравнивающие резистивные элементы 4 изготавливаются путем вакуумного напыления на пластинах поликора или ситала . с последующим нанесением защитного изоляционного покрытия.

Верхее диэлектрическое основание 1 размещено на верхней диэлектрической прокладке 10 с малой диэлектрической проницаемостью. Ленточные электроды 2 и 3 соединяются через металлизированные отверстия посредством контактных металлических штырей с выравнивающими резистивными элементами 4; расположенными на нижнем диэлектрическим основании 11, установленном на нижней диэлектрической прокладке 12. В низкопотейциальной зоне выравнивающих резистивных элементов 4 расположены полоски экранирующего покрытия, которыми образуются активно-емкостные отрезки линий с распределенными параметрами.

Высокопотенциальный электрод 3 соединен с центральным проводником коаксиального кабеля, à его оболочка— с экранирующим покрытием низкопотенциальной эоны выравнивающих резистивных элементов 4 и общим корпусом— экраном 13.

107 8356

60

Укаэанным коаксиальным кабелем осуществляется подвод импульсного напряжения от внешнего источника к диэлькометрическому датчику. Верхнее диэлектрическое основание 1, верхняя прокладка 10, нижнее диэлектрическое основание 11 и подводящий коаксиальный кабель путем клеевого соединения образуют единое целое.

Выводы выравнивающих резистивных эле. ментов 4 и емкостный накопитель 6 находятся в экранируемой области и соединяются монтажным жгутом с выводами контактов переключателей 5 на плате операционного усилителя 14.

Процесс формирования выходного сигнала поясняется электрической схемой диэлькометрического датчика (фиг. 1).

К высокопотенциальному электроду 3 подводится импульс напряжения, например отрицательный, по длительности превышающий время установле ния электрического поля в испытумом объекте, Поток электрического поля с высокопотенциального электрода 3 на низкопотенциальные 2 расчленяет-. ся на части, соотношение между которыми определяется распределением поля в испытуемом объекте. Токи смещения через отдельные низкопотенциальные электроды 2 однозначно определяются динамикой потокораспределения электрического поля и фиксируются изменениями напряжения на емкостном накопителе 6 и, так как сопротивление любого резистивного элемента 4 превышает входное сопротивление усилителя б, указанное квазистационарное распределение поля в объете контроля практически не меняется при изменении положения контактов переключателя 5.

Изменение геометрических или электрофизических характеристик объекта контроля приводит к соответствующим изменениям уровней переходного напряжения на емкостном накопителе б, которые передаются на инвертирующий вход операционного усилителя 7. Напряжение с выхода операционного усилителя 7 поступает на вход формирователя 9 выходного сигнала, состоящего, например, из резис тора и обращенного диода, При увеличении положительного потенциала на выходе операционного усилителя 7 обращенный диод переключается из состояния низкого сопротивления в состояние высокого сопротивления и формируется передний фронт выходного сигнала. При уменьшении указанного потенциала в течение некоторого времени.происходит обратное переключение обращенного диода и формируется заданный фронт выходного сигнала.

Информативными параметрами предлагаемого диэлькометрического дат5

50 где R>,сопротивление выравнивающего резистора с номером и, отсчитанным от крайнего низкопотенциального электрода, число низкопотенциальных электродов; эквивалентное входное сопротивление усилителя, чика являются относительные изменения длительностей выходных сигналов при последовательной во времени и пространственно упорядоченной коммутации низкопотенциальных электродов переключателя 5. Процесс установления электрического пьля в неоднородном в несовершенном диэлектрике определяется двумя факторами — быстрым переходным процессом начального этапа и относительно медленным переходным процессом накопления объемного заряда на неоднородностях при соответствующем перераспределении электрического поля по контролируемому объекту. Начальный этап перекодного процесса характеризуется токами заряда частичных емкостей в системекомпланарных электродов диэлькометрического датчика. Эти токи протекают через резистивные элементы 4,. выравнивающие распределение плотностей тока через секционированный ниэ.копотенциальный электрод. Переходной процесс накопления объемного электрического заряда на неоднородностях также приводит к появлению уравнительных токов через резистивные элемеНты 4. Выбор параметров резистивных элементов 4, емкостного накопителя б и входной цепи операционного усилителя 7 определяет, какой из указанных факторов процесса установления электрического поля в исследуемом объекте блоее существенеый для выбранного класса объектов контроля. От выбранного класса объектов контроля зависит и режим зондирования, а именно частота повторения одиночных импульсов или частота следования импульсов в пакете. Верхняя допустимая частота следования импульсов и скважность определяются временными характеристиками релаксационных процессов в диэлектрике испытуемого материала или изделия.

Временный интервал Т между зондирующими импульсами выбирается таким, что,переходное напряжение U (t ) на накопительном конденсаторе удовлетворяет условин

Uc(o = 0,(„+ т) О. (Ц

При этом значения сопротивления выравнивающих резисторов выбираются из соотношения "э (2) ,n=<, 2,...,m, "з Чм

1078356 юг, 1 ф — кваэистационарное значение .тn потенциала на низкопотенциальном электроде с номером h при отключенных выравнивающих резисторах и однородной среде окружающего пространства.

-Эффективность предлагаемого диэлькометрического датчика обусловлена тем, что он позволяет осуществить измерение отдельных составляющих потока поля в контролируемой среде.

В качестве базового объекта рас- 1з смотрены электроемкостний преобраэователВ к отечественному прибору ИДП-7 и аналогичный первичный преобразователь, выпускаемый серийно канадс" кой фирмой "Sandtron Automation" . Я типа KaS-70-40S.

Наличие в предлагаемом устройстве выравнивающих .реэистивных элементов между секционированным ниэкопотенциальным электродом и входной частью встроенного вторичного пре .обраэователя на основе операционного усилителя позволяет не только повысить точность послойного контроля, но и увеличить глубину эоны контроля в условиях одностороннего доступа к объекту контроля. При увеличении сопротивления резистивных элементов и при соответствующем увеличении амплитуды зондирующих импульсов может быть достигнуто дополнительное повьааение точности послойного контроля. Амплитуда зондирующих импульсов ограничена только электрической прочностью защитного изоляционного покрытия и электрофизическими свойствами объекта контроля.

1078356

fg 11 я 7

11 Ф

Составитель В.Стукан

Техред M.Òåïåð Корректор A.Òÿñêo

Редактор A.Êoçoðèý

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðoä, ул.Проектная, 4

Заказ 952/39 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета . СССР по делам изобретений и открытий

113035, Ыосква, Ж-35, Раушская наб., д., 4/5