Устройство для определения плотности заряда на неровных поверхностях

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА НА НЕРОВНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ , содержащее координатор, генератор низкой частйты подключенный к модулятору, подвижная система которого механически связана с зондом , имеющим возбуждающий электрод, подключенный к выходу генератора высокой частоты, измерительный злект род, усилитель низкой частоты, соединенный через синхронный детектор низкой частоты с индикатором, связанным также с координатором, и селективный усилитель высокой частоты , соединеннь й через синхронный детектор высокой частоты с модулятором причем входы опорного сигнала синхронных детекторов низкой и высокой частоты подключены соответственно к выходам генераторов низкой и высокой частоты, а вход опорного сигнала селективного усилителя высокой частоты соединен с выходом генератора высокой, частоты через блок начального уровня, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, заключающемся в обеспечении измерения на поверхностях с широким диапазоном -величины неровностей и повышения устойчивости функционирования, в него введены N дополнительных зондов и соединенных с ними механически N сервосистем, через которые последовательно также механически координатор связан с модулятором, по числу дополнительных зондов введены соединенные с каждым из них (Л последовательно заграждающий фильтр низкой частоты, селективный усилис тель высокой частоты и синхронный детектор высокой частоты, подключенный к соответствующей сервосистеме, причем входы опорного ,сигнала дополнительных синхронных детекторов высокой частоты соединены с выходом генератора высокой частоты, который через N блоков начального уровня 4ii подключен к входам опорного сигнала X) селективных усилителей высокой часND тоты, измерительный электрод подключен к входу усилителя низкой частоты через введенные дополнительно заграждающий фильтр высокой частоты, а к входу основного селективного усилителя высокой частоты через заграждающий фильтр низкой частоты.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (Н) 4 (51) G R 2

««е«ю«Ве«р р« !

Щ(Г :

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

13,: ив(",:-:1« Кт; 86

«ЮВЕе«атее е«ъ«е«»«те- е.о.. с.

ГОСУДАРСТВЕККЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕ П=КИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3478342/24»21 (22) 28.07.82 (46) 23.05.85. Бюл. У19 (72) Ю.Д.Арсентьев, В.АеМарцинкявичус Л.М.Науменко и В.П.Пронин (331 621.317.7 (088.8) (36) Костенко 8.И. и. др. Приборы для измерения заряда электретов.

"Электронная обработка материалов", 1972 У 1, с, 88-91, Авторское .свидетельство СССР

Ф 574684 кл, G 01 к 29/12, 1977, (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА, НА НЕРОВНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ, содержащее координатор, генератор низкой частоты, подключенный к модулятору, подвижная система которого механически связана с зондом, имеющим возбуждающий электрод, подключенный к выходу генератора высокой частоты, измерительный злект. род, усилитель низкой частоты, соединенный через синхронный детектор низкой частоты с индикатором, связанным также с координатором, и селективный усилитель высокой частоты, соединенный через синхронный детектор высокой частоты с модулятором причем входы опорного сигнала синхронных детекторов низкой и высокой частоты подключены соответственно к выходам генераторов низкой и высокой частоты, а вход опорного сигнала селективного усилителя высокой частоты соединен с выходом генератора высокой частоты через блок на чального уровня, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей, заключающемся в обеспечении измерения на поверхностях с широким диапазоном .величины неровностей н повышения устойчивости функционирования, в него введены М дополнительных зондов и соединенных с ними механически и сервосистем8, через которые последовательно также механически координатор связан с модулятором, по числу дополнительных зондов. вве- Е дены соединенные с каждым из них последовательно заграждающий фильтр низкой частоты, селективный усилитель высокой частоты и синхронный детектор высокой частоты, подключен- Я ный к соответствующей сервосистеме, причем входы опорного-,сигнала дополнительных синхронных детекторов высокой частоты соединены с выходом генератора высокой частоты, который через И блоков начального уровня подключен к входам опорного сигнала селективных усилителей высокой частоты, измерительный электрод подключен к входу усилителя низкой частоты через введенные дополнительно эа-: граждающий фильтр высокой частоты, а к входу основного селективного усилителя высокой частоты через заграж» дающий фильтр низкой частоты.

1157482. Изобретение относится к измерительной технике и может испольеоваться в электрографии, фазовой рельефографии, дефектоскопии, микроэлектронике, а также в электротехнике, тек стильной и химической промьеиленности и при выполнении научных исследований.

Цель изобретения - рвсаирение функциональных возможностей устройства, to заключающееся в обеспечении измерения распределения плотности заряда иа поверхйостях с широким диапазоном величины неровностей, а также повьииение устойчивости функционирования. 15

На фиг.I представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - модуля.тор электродинамического типа с одним дОполнительным зондом

Устройство содержит зонд 1, сое- 2в диненный механически с подвижной системой 2, модулятор 3, состоящий из возбуждающего 4 и измерительного 5 электродов. Возбуждающий электрод 4 подключен к генератору 6 высокой час. 25 тоты, а измерительный электрод 5 соединен с индикатором 7 через заграждающий по высокой частоте фильтр 8, усилитель 9 низкой частоты н синхронный детектор 10, а также с модулятором 3 через заграждающий по низкой частоте фильтр 8, селективный усилитель I! высокой частоты и синхронный детектор 12 высокой частоты.

Входы опорного сигнала синхронных детекторов 10 и 12 связаны соответ35 ственно с генератором 13 низкой частоты, подключенный к модулятору 3, и с генератором 6 высокой частоты, который через блок 14 начального уров« ня соединен е вторым входом селективного усилителя !I высокой частоты.

Устройство содержит также дополнительные зонды 15, которые соединены с соответствующими сервосистемами 16 через заграждающие по низкой частоте фильтры 17, селективные усилители 18 высокой частоты и синхронные детекторы 19 высокой частоты, связанные по входу опорного сигнала 5О с генератором 6, выход которого через блоки 20 начального уровня соединен с входами опорного сигнала селективных усилителей 18 высокой иастоты. Сервосистемы 16 включены между модулятором 3 и. координатором 21> синхронизирующим работу индикатора 7.

Основной и дополнительные зонды и 15 вместе с модулятором 3 и сервосистемами 16 образуют электромеханическую систему телескопичес кого типа.В устройстве, предназначенном для измерения плотности заряда на неплоской гладкой поверхнос ти 22 дополнительный зонд 15 расположен на корпусе 23 модулятора 3 а основной зонд 1 соединен механически с подвижной системой 2, взаимо действующей с полем магнита 24 и укрепленной на пружинах диафрагмах 25, Устройство работает следующим образом.

Зонд 1 помещается с помощью координатора 21 нвд заряженной поверхностью 22 на заданном расстоянии b,.

Вследствие подачи напряжения ьт генератора 13 низкой частоты на модулятор 3 подвижная система 2 вместе с основным зондом 1 соверщает осциллирующие колебания с малой амплитудой Ь Ь по нормали к некоторой базовой плоскости, расположенной над поверхностью 22.

+ Ь% 3in яф.

На измерительном электроде 5 зонда 1 индуцируется заряд, пропорциональный плотности заряда поверхности 22, который например в случае плоско-параллельного ноля в области расположения зонда I можно выразить следующим образом

S И1) где Н - средняя толщина заряженного слоя с постоянной диэлектрической проницвемостью, О - плотность заряда, Я6 - поверхность.

Переменная сост нляющая напряжения, пропорциональная заряду ы пооале усилителя 9 и детектора !О, на который подается опорное напряжение от генератора 13, измеряется индикатором 7.

3 1157 где К - общий коэффициент передачи по напряжению усилителя 9 и детектора 10.

При сравнительно быстром относительном перемещении слоя и зонда 5 (линейная скорость больше О,! м/с) целесообразно измерять индуцированный на зонде заряд беэ его преобразования в переменное напряжение на частоте, В этом случае генера- 10 тор 13 низкой частоты и синхронный детектор 10 исключаются иэ схемы, а вместо селективного усилителя 9 используется широкополосный, ооединенный с индикатором 7 непосредствен- 15 но.

Действителъно, так как ь)1 О, ке формулы (1) имеем

H+Kh

На возбуждающий электрод 4 зонда

1 подается от генератора 6 напряжение высокой частоты U Ue 5Ü >t, и, вследствие этого, на измерительном электроде 5 индуцируется напряжение, пропорциональное переменному заряду на частоте Q . Это напряжение после сложения усилителем 11 с компенсирующим напряжением через блок !4:начального уровня от генератора 6 высокой частоты и синхронный детек тор 12 поступает на модулятор 3 И

»

0 " С.,О@ SinCc)4 (S) где С, - результирующая емкость между возбуждающим и измерительными электродами 4, 5 зонда 1, которая может 4Е быть представлена в ниде суммы постоянной емкости Сс, соответствующей расстоянию h 1 и переменной составляющей аС1, обусловленной вариациями И,! ° 45 с с +Лс 51h 40/ . (4)

С учетом выражения (4} получаем

V 4 (со,+ЬС,Sin Qt)Vо е " 1 (5) 5Е где А„- коэффициент пррпорциональности е

В результате селекции на частоте cD выделяется переменная состав- 55 ляющая напряжения, амплитуда которого!40) А, с „О компенсируется напряжением, подаваемым на вход опорно482 4 го сигнала селективного усилителя ll через блок 14 начального уровня от генератора 6, и поэтому напряжение подаваемое по этой цепи на модулятор 3 равно. нулю. При изменении h в .процессе: перемещения зонда 1 ,вдоль заряженной поверхности на выходе детектора 12 появится напряжение рассогласования, которое, воздействуя.на подвижную систему 2 мо дулятора 3, возвращает ее вместе с зондом 1 в равновесное состояние к тем самым восстанавливает значение И„.

Для уменьшения взаимного влияния цепей низкой и высокой частоты между зондом 1 и селективными усилителями 9 и 11 включены заграждающие фильтры S настроенные соответственно на высокую и низкую частоты.

Одновременно с основньак зондом l на каждый кз дополнительных soa дов 15 также индуцируется напряжение, пропорциональное емкости мазду возбуздающнм электродом 4 и соответствующим дополнительным зондом, U„-A„(co +hcxsin A4) V sinut, (Ф) где Со - значекие емкости между возбущцающим электродом 4 и K -м дополкительным зондом 15, соответствующее кекоторьаа расстоянием И между каж дым зондом и поверхностью 22,. причем

0 (К-1)

Селекция ка частоте .3 усилителями 18 и компенсация амплитудного значения переменной составляющей ()V

Устройство с несколькими допол- 16 нительными зондами применяется в случае исследования поверхностей с большим диапазоном неровностей. В этом случае все дополнительные зонды (основным является центральньй1 и соот- 15 ветствующие им сервосистемы связаны электромеханически - на подвижном элементе каждой последующей сервоI системы закреплен неподвижный элемент предыдущей сервосистемы и один 20 дополнительный зонд. Подвижный и неподвижный элементы сервосистемы могут быть выполнены и связаны между собой различным образом, например, в виде постоянного магнита (неподвижный элемент1 и катушки (подвиж» ный элемент) 1 подвешенной относительно магнита на пружинах, или в виде двух катушек, связанных между собой пружинной диафрагмой, или другим об- Зр разом. Однако зонды, подвижные и не1 подвижные элементы сервосистем .образуют всегда последовательную элект-. ромеханическую связь по типу штыревой телескопической системы. Это значит, что при работе устройства вступает в действие сначала "грубая" сервосистема (имеющая большой дополнительный зонд и чувствительная к неплоскостности) ° затем все более и более чувI ствительные системы к другим бо1 лее мелким, неровностям. Таким образом, при неремешении устройства над исследуемой поверхностью более "гру« бые" сервосистемы обеспечивают работу устройства при малых пространственных частотах неровностей, но больших амплитудах (неплоскостность)1 а бо11 11 лее тонкие - при больших пространственных частотах, но меньших амплиг. тудах, Ф

Таким образом, при перемещении системы зондом 1 и 15 вдоль неровной заряженной поверхносты 22 каждый из них вместе с соответствующими селективными усилителями 11 и 18 ° синхронными детекторами 12 и 19, модулятором 3 и сервосистемами 16 и фильтрами 8 и 17 повторяют рельеф поверх» ности 22 в широком диапазоне изменеI. иия его пространственных составляющих.

1157482

Составитель О.Глухарев

Радактор О.Головач Техред Л.Мартяиова Корректор В,Синицкая

Заказ 3363/44 Тирах 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР .ло делам изобретений и открытий

1 1 3035 ° Москва Ж«35 ° Раужская наб. ° д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Уигород, ул. Проектная, 4