Устройство для измерения электростатических зарядов материалов
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ МАТЕРИАЛОВ , содержащее заземленное основание для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительным электродом , усилитель, потенциальный входной вывод которого подключен к измерительному электроду, синхронный детектор, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя, модулятор , один из выходов которого подключен к управляющему входу синхронного детектора, отличающеес я тем, что, с целью повышения надежности в работе и расширения диапазона измерения, в емкостной зонд введены заземленный электрод с отверстием , пластина из сегнетоэлектрика и два модулирующих электрода, а модулятор выполнен в виде генератора переменного напряжения с противофазными выходами, причем пластина из сегнетоэлектрика установлена в отверстии заземленного электрода между измерительным электродом и исследуемым образцом, а модулирующие электро (Л ды нанесены на боковые грани пластины и соединены с выходами модулятора.
СОЮЗ СОЭЕТСНИХ .
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
„„SU„„1112318
А <б1) G 01 К 29/12
3 13 66i5sfj4AT gp ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3609732/18-21 (22) 20 ° 06.83 (46) 07.09.84, Бюл. ¹ 33 (72) Б.и. Тихомиров и В.Н. Карамышев (53) 621.317.729(088.8) (56) 1. Патент США № 3887877, кл. 330-10, 1976. 2. Авторское свидетельство СССР № 900221, кл. С 01 R 31/00, 1980 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ МАТЕРНАЛОВ,содержащее заземленное основание для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительным электродом, усилитель, потенциальный входной вывод которого подключен к измерительному электроду, синхронный детектор, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя, модулятор, один из выходов которого подключен к управляющему входу синхронного детектора, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения надежности в работе и расширения диапазона измерения, в емкостной зонд введены заземленный электрод с отверстием, пластина из сегнетоэлектрика и два модулирующих электрода, а модулятор выполнен в виде генератора переменного напряжения с противофазными выходами, причем пластина из сегнетоэлектрика установлена в отверстии заземленного электрода между измерительным электродом и исследуе- 3 мым образцом, а модулирующие электро- у ды нанесены на боковые грани пласти- %УФ ны и соединены с выходами модулятора. С" 1112318 Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при испытаниях диэлектрических и полупроводниковых материалов на электростатическую зарядку ° Известно устройство для измерения электростатических зарядов материалов, содержащее заземленное основание для крепления исследуемого образца, не- 10 подвижный емкостной зонд, выход которого подключен к входу узла регистрации, электромеханический модулятор, выполненный в виде диска с отверстиями, насаженного на ось синхронного 15 двигателя и расположенного между емкостным зондом и исследуемым образцом (1). Недостатки устройства заключаются в невысокой достоверности результа- р0 тов измерения, обусловленной чувствительпостью к воздействию внешних факторов, а также в низкой эксплуата. ционной надежности, предопределенной наличием механических, в -.астности вращающихся узлов. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения электростатических зарядов материалов 30 содержащее заземленное основание для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительным электродом в виде тонкой консольной балки,усилитель низкой частоты, потенциальный входной вывод которого подключен к измерительному электроду, два синхронных детектора, сигнальные входы которых соединены с выходом усилителя низкой частоты, а вьгходы— с входами блока вычитания, модулятор, 40 механический выход которого связан с .измерительным электродом, а один из электрических выходов подключен к управляющим входам синхронных детекторов, изолированный проводящий элект4 род, установленный на заземленном основании под емкостным зондом, усилитель постоянного тока, вход которого соединен с выходом одного из синхронных детекторов, блок сравнения " входы которого подключены к выходам блока вычитания и усилителя постоянного тока, источник опорного напряжения, потенциальный вывод которого соединен с изолированным проводящим 55 электродом, а управляющие входы — с выходом блока сравнения и с другим э4 ектрическим выходом модулятора, индикатор, включенный между изолированным проводящим электродом и шиной нулевого потенциала Г23. Недостатки известного устройства заключаются в невысокой эксплуатационной надежности вследствие значительной конструктивной сложности и весьма узком диапазоне измерения иэза невозможности функционирования в области высоких потенциалов, вызывающих пробои между исследуемым образцом и емкостным зондом. Цель изобретения — повышение надежности в работе и расширение диапазона измерения. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения электростатических зарядов материалов, содержащем заземленное основание для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительным электродом, усилитель, потенциальный входной вывод которого подключен к измерительному электроду, синхронный детектор, сигнальнчй вход которого соединен с выходом усилителя, модулятор, один из выходов которого подключен к управляющему входу синхронного детектора, в емкостной зонд введены заземленный электрод с отверстием, пластина из сегнетоэлектрика и два модулирующих электрода, а модулятор выполнен в виде генератора переменного напряжения с противофазными выходами, причем пластина из сегнетоэлектрика установлена в отверстии заземленного электрода между измерительным электродом и исследуемым образцом, а модулирующие электроды нанесены на боковые грани пластины и соединены с выходами модулятора. На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства для измерения электростатических за-. рядов материалов, дополненная трактом регистрации эталонной величины заряда для исключения мультипликативной погрешности измерения. Устройство содержит заземленное основание 1 для крепления исследуемого образца 2, емкостной зонд 3 с измерительным электродом 4, заземленным электродом 5, пластиной 6 из сегнетоэлектрика и модулирующими электродами 7 и 8, усилитель 9, синхронный детектор lO,модулятор 11, выполненный в виде генератора переменного напряжения с противофазными з 1112318 l0 Если под действием каких-либо внешних факторов (например, в резуль-55 тате воздействия потока заряженных частиц) исследуемый образец 2 приобретает электростатический потенциал, выходами. Кроме того, на схеме показаны дополнительно используемые источник 12 опорного напряжения, эталонный образец 13 емкостной зонд 14 с измерительным электродом 15, заземленным электродом 16, пластиной 17 из сегнетоэлектрика и модулирующими электродами 18 и 19, усилитель 20, синхронный детектор 21, аналоговый делитель 22. Пластина 6 из сегнетоэлектрика установлена в отверстии заземленного электрода 5 между измерительным электродом 4 и исследуемым образцом 2, модулирующие электроды 7 и 8 нанесены на боковые грани пластины 6. Лналогичным образом сопряжены между собой составные элементы емкостного зонда 14. Модулирующие электроды 7, 8 и 18, 19 соединены с противофазными выходами модулятора ii, потенциальные входные выводы усилителей 9 и 20 подключены соответственно к измерительным электродам 4 и 15, сигнальные входы синхронных детекторов 10 и 21 соединены соответственно с выходами усилителей 9 и 20, управляющие входы— с одним из выходов модулятора 11, а выходы — с входами аналогового делителя 22, выход источника 12 опорного напряжения подключен к эталонному образцу 13. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии потенциала на исследуемом образце 2 сигнал О„ на измерительном электро35 де 4 емкостного зонда 3 отсутствует,,а сигнал U на измерительном электроде 15 емкостного зонда 14 пропорционален величине напряжения источника 12 опорного напряжения. Так как напряжение на входе усилителя 9 равно нулю, то напряжение на выходе синх.ронного детектора 10 и первом входе аналогового делителя 22 также равно. 15 нулю. Напряжение на втором входе аналогового делителя 22 соответствует величине из..теряемого емкостным зондом 14 эталонного напряжения. Поскольку выходное напряжение аналогового дели50 теля 22 пропорционально отношению напряжений 0 и U „, оно также находится на нулевом уровне. то на измерительном электроде 4 появляется переменное напряжение с частотой, равной частоте модулятора 1 1, вследствие периодического изменения диэлектрической проницаемости пластины 6 и периодического перезаряда емкости, образованной поверхностям исследуемого образца 2 и измерительного электрода 4. Переменное напряжение на измерительном электроде 4 оказывается пропорциональным величине электростатического потенциала исследуемого образца 2. В этом случае усиленное напряжение на выходах усилителя 9, синхронного детектора 10 и на первом входе аналогового делителя 22 также пропорционально величине измеряемого электростатического потенциала, а, следовательно, выходное напряжение аналогового делителя 22 является мерой измеряемого заряда. Под влиянием температурных и временных факторов диэлектрическая проницаемость пластин 6 и 17 может изменяться, что приводит к изменению напряжений на измерительных электродах 4 и 15 емкостных зондов 3 и 14. Однако вследствие идентичности зондов 3 и 14 и, в частности, пластин 6 и 17 диэлектрическая проницаемость последних изменяется в одинаковой степени. В такой же пропорции изменяются напряжения на входах аналогового делителя 22, а результирующий выходной сигнал остае гся постоянным (при постоянном заряде исследуемого образца 2). ! Благодаря противофазности напряжений, подводимых от модулятора 11 к модулирующим электродам 7, 8 и 18, 19 пластин 6 и 17, электростатические наводки на измерительные электроды 4 и 15 являются минимальными и могут быть снижены практически до нуля перемещением измерительных электродов 4 и 15 в небольших преде1 лах относительно пластин 6 и 17. Повышение эксплуатационной надеж. ности предлагаемого устройства достигнуто за счет полного исключения из его конструкции. движущихся и вибрирующих узлов и деталей. Предлагаемое устройство характеризуется, кроме того, широким диапазоном измерения (расширенным в область высоких значений электростатических зарядов), 1112318 Составитель Л. Морозов Редактор А. Мотыль Техред М,Кузьма Корректор M. Максимишинец Заказ 6453/31 Тираж 710 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 поскольку каждый используемый емкостной зонд имеет в своем составе охранный электрод, геометрические размеры которого позволяют обеспечить равно мерность электрического поля между поверхностями исследуемого образца и зонда при сколь угодно больших потенциалах. В данном случае исключается воэможность высоковольтного пробоя между измерительным электродом зонда 5. и исследуемым образцом н выхода из строя измерительного усилителя.
