Устройство для измерения электростатического потенциала образца

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при испытаниях диэлектрических и полупроводниковых материалов на зарядку их статическим электричеством. Цель изобретения - повьрнение точности измерения электростатического потенциала и надежности работы, достигается введением в измерительный зонд 1 устройства компенсационного. элехтрода 4, а в устройство - калиброванных резисторов 9 и tO, аналогоцифрового 13 и цифроаналогового 17, преобразователей. Кроме того, устройство содержит испытываемый образец 2, измерительный электрод 3 в зонде 1, торроидальное металлическое кольцо, на котором образована мембрана из полимерной пленки с напыленным резистивнь элементом в виде спирали, управляющий 6 и экранирующий 7 электроды , изоляционные втулки 8, источник 1 1 питающего напряжения, усилитель 12, счетчик 14, тактовый генератор 15, генератор 16 импульсов сброса и регулируемый источник 18 компенсирующего напряжения. 3 Ил. г (/)

СОЮЗ СОВЕтСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (Н) (51) 4 G 01 R 29 12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬ(ТИИ (21) 3764491/24-21 (22) 04.07.84 (46) 15.06.86. Бюл. Ф 22 (72) Б.И. Тихомиров и В.Н. Карамьппев (53) 621. 317. 7(088. 8) (56) Патент США И 3887877, кл.330-10, 1976.

Авторское свидетельство СССР

У 900221, кл. С 01 R 31/00, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ОБРАЗЦА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может испольэоваться при испытаниях диэлектрических и полупроводниковых материалов на зарядку их статическим электричеством.

Цель изобретения — повыщенне точности измерения электростатического потенциала и надежности работы, достигается введением в измерительный зонд 1 устройства компенсационного. эле<трода 4, а в устройство — калиброванных резисторов 9 и 10 аналого" цифрового 13 и цифроаналогового 17, преобразователей, Кроме того, устройство содержит испытываемый образец 2, измерительный электрод 3 в зонде 1, торроидальное металлическое кольцо, на котором образована мембрана из полимерной пленки с напыленным резистивным элементом в виде спирали, управляющий 6 и зкранирующий 7 электроды, изоляционные втулки 8, источник 11 питающего напряжения, усилитель 12, счетчик 14, тактовый генератор 15, генератор 16 импульсов сброса и регулируемый источник 18 компенсирующего напряжения. 3 ил.

Ф 12.37999 3

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при испытаниях диэлектрических и полупроводниковых материалов на электростатическую 5 зарядку.

Целью изобретения является повышение точности измерения электростатического питенциала и надежности работы. !О

На фиг. 1 Представлена функциональная схема предложенного устройства для измерения электростатического потенциала образца; на фиг. 2 — резистивный элемент измерительного и 15 компенсационного электродов, вид сверху; на фиг.3 — временные диаграммы напряжений на выходах отдельных составных блоков..

Устройство содержит измерительный 20 зонд 1 (фиг.1), устанавливаемый вблизи испытываемого образца 2. Зонд I состоит иэ измерительного 3 и компенсационного 4 электродов, каждый из которых выполнен в виде мембраны из по- 25 лимерной нпенки, натянутой на торроидальное металлическое кольцо 5, с напыпенным резистивным элементом в виде спирали (фиг.2), управляющего

6 и заземленного экранирующего 7 элек.-з0 тродов, расположенных на одинаковом расстоянии от измерительного 3 и компенсационного 4 электродов соответственно. Все электроды скреплены с помощью изоляционных втулок 8. Резис3S тивные элементы измерительного 3 и компенсационного 4 электродов соединены с калиброванными резисторами 9 и

10 по мостовой схеме, в одну из диагоналей которой включен источник 11

40 питающего постоянного напряжения, а в другую диагональ — усилитель 12.

Выход усилителя 12 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 13, в частности к запрещающему входу

»$ !

1-разрядного счетчика 14. Счетный вход счетчика 14 соединен с выходом тактового генератора !5, а вход сброса " с выходом генератора 16 импульсов сброса. Информационные выходы счетчика 14 подключены к соответствующим разрядным входам цифроаналогового преобразователя 17 и цифровому выходу устройства. Выход цифроаналогового преобразователя 17 соединен с входом регулируемого источника 18 компенсирующего на:пряжения (на постоянном токе) и аналоговым выходом устройства. Выходной потенциальггый вывод источника 18 подключен к управляющему электроду 6 зонда 1.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, если измеряемый электростатический потенциал равен нулю (промежуток времени

0- 1» на фиг.3), электростатические силы между поверхностью испытываемого образца 2 и поверхностью измерительного электрода 3 зонда 1 отсутствуют, деформация измерительного электрода 3 также отсутствует, сопротивления резистивных элементов измерительного 3 и компенсационного 4 электродов одинаковы и мост, состоящий из резистивных элементов этих электродов и резисторов 9 и 10 сбалансирован. При этом выходной сигнал усилителя !2, равный нулю, поступает на запрещающий вход счетчика 14 и импульсы тактового генератора 15 не воздействуют на него. Счетчик 14 находится в нулевом состоянии, на выхо— де цифроаналогового преобразователя

17, и, соответственно, на выходе регулируемого источника 18 компенсирующего напряжения и управляющем электроде 6 напряжение равно нулю.

Если под действием каких-либо внешних факторов (например, в результате воздействия потока заряженных частиц) испытываемый образец 2 приобретает электростатический потенциал какой-то определенной величииы 0»»» (фиг. 3 а, момент времени 1» ), то в результате действия электростатических сил, возникающих между поверхностью испытываемого образца 2 и измерительного электрода 3, последний прогибается в сторону испытываемого образца 2, сопротивление резистивного элемента на его поверхности увеличивается. Зто приводит к нарушению баланса моста, на выходе усилителя !

2 появляется напряжение рассогласо-. вания »»», (фиг.3 б ), которое разрешает счет импульсов в счетчике 14.

Последний начинает счет импульсов

U»g (фиг.3 в), поступающих от тактового генератора 15, что приводит к ступенчатому росту напряжения 11»г (фиг. 3 д) на выходе цифроаналогового преобразователя 17 с дискретностью

»»

1/2 . При достаточно большом числе разрядов счетчика 14 рост напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 17 может считаться линей" ным с высокой точностью. Линейно на1237999 растающее напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя 17 поступает на вход регулируемого источни:ка 18 компенсирующего напряжения, что вызывает линейное нарастание 5 напряжения на его выходе, которое подается на управляющий электрод 6.

Под действием .этого напряжения деформация измерительного электрода 3 компенсируется, измерительный элек- 10 трод 3 занимает исходное положение.

Сопротивление резистивного элемента измерительного электрода 3 восстанавливается до исходного состояния, мост балансируется и на выходе уси- f5 лителя 12 появляется уровень напряжения, равный О, который останавливает счетчик 14 в определенном состоянии (момент времени 4 на фиг.3).

Промежуток времени 1 = 1 — 4 20 характеризует быстродействие устройства при возрастании измеряемого потенциала и определяется главным образом скоростью упругой деформации управляющего электрода 6, поскольку 25 быстродействие электронных элементов устройства (усилителя 12, счетчика

14, цифроаналогового преобразователя 17, регулируемого источника 18 компенсирующего напряжения) на нес- 0 колько порядков выше. В момент времени 1 состояние счетчика 14 (логичес- . кие уровни напряжений на его разрядных выходах) является цифровой формой информации о величине измеряемого электростатического потенциала испытываемого образца 2; а выходное напряжение О,> цифроаналогового преобразователя 17 — аналоговой мерой измеряемого потенциала.

Если электростатический потенциал испытываемого образца 2 увеличивается до уровня O„z (момент времени на фиг.3), процесс измерения повторяется, через промежуток времени pt 45 выходная информация будет соответствовать величине измеряемого электростатического потенциала.

Если электростатический потенциал испытываемого образца 2 уменьшается 50 до уровня 0„> (момент времени t на фиг.3), измерительный электрод 3 прогибается в сторону управляющего электрода 6, что вызывает разбаланс моста, аналогичный разбалансу приувеличении электростатического потенциала. В этом случае баланс моста не наступает, так как появившееся напряжение рассогласования на выходе моста и усилителя

12 приводит к еще большему напряжению на выходе регулируемого источника

18, большей деформации измерительного электрода 3 и еще большему разбалансу моста. Этот процесс продолжается до момента 1 прихода импульса сброса (фиг.3 r) с выхода генератора 16, а выходная информация (как цифровая, так и аналоговая) в интервале времени t 4 — < ) не соответствует величине измеряемого электростатического потенциала. Однако, с приходом импульса сброса 0 в момент времени 1 устройство приходит в исходное состояние, процесс измерения повторяется аналогично предлагаемому при увеличении электростатического потенциала и выходная информация будет соответствовать величине измеряемого электростатического потенциала.

Рассмотренный случай быстрого изменения величины электростатического потенциала является чисто гипотетическим. 3а время, равное периоду Т ! импульсов сброса (1,, электростатический потенциал диэлектрических образцов не меняется, поскольку про-, цесс накопления потенциала достаточ-. но медленный, и процесс измерения характеризуется эпюрами напряжений в промежутке времени(1-.t,. При этом выходная информация в промежутке времени i,> — 1 соответсТвует величине измеряемого электростатического потенциала, а так как 4»-, « -1, то можно считать, что выходная информация всегда соответствует величине измеряемого электростатического потенциала кроме тех случаев, когда время уменьшения электростатического потенциала меньше периода Т импульсов сброса 11 . Следовательно, пред,ложенное устройство предназначено. для измерения постоянных электростатических потенциалов или изменяющихся с небольшой скоростью.

Измерения величины электростатического-потенциала испытываемого образца 2 повторяются периодически с периодом Т импульсов сброса 0, .

Величина этого периода не играет существенного значения и должна удовлетворять единственному условию — быть не меньше времени измерения электро— статического потенциала. В связи с тем, что скорость изменения электро- ! статических потенциалов очень мала, период 7 следования импульсов сбро1237999 са 0 во много раз больше времени

<6 измерения и выбирается исходя из требуемой дискретности измерения.

Компенсационный электрод. 4 служит для компенсации изменений, происходящих с измерительным электродом 3 под действием температурных, временных и других факторов в процессе эксплуатации. Компенсация достигается полной

1О идентичностью изготовления измерительного 3 и компенсационного 4 электродов и напыпенных на них резистивных элементов. Заземленный экранирующий электрод 7 служит для экранирования компенсационного 4 и управляющего

6 электродов.

В предложенном устройстве по сравнению с известными достигнуто качественное повышение достоверности 20 измерения электростатического потенциала в жестких условиях эксплуатации при воздействии механических факторов (вибраций, ударов} в жироком диапазоне частот и ускорений. 25

Это преимущество позволяет значительно расширить сферу применения устройства и испольэовать его, например, при исследовании процессов электризации элементов конструкции ЗО летательных аппаратов, технологических процессов, связанных с производством пленочных полимерных материалов, и т.д.

Отсутствие механически движущихся

35 узлов и деталей, а также вибрирующего зонда обеспечивает высокую надежность устройства и упрощает его конструкцию. Кроме того, преимуществом

40 данного устройства является то, что оно позволяет получать информацию о величине электростатических потенциалов как в аналоговой, так и в цифровой форме.

Фо рмула изобретения

Устройство для измерения электростатического потенциала образца, содержащее измерительный зонд с измерительным, управляющим и заземленным экранирующим электродами, регулируемый источник компенсирующего напряжения, выходной потенциальный вывод которого соединен с управляющим электродом зонда, усилитель, источник питающего постоянного напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения и надежности, в него введены два калиброванных резистора, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, а зонд снабжен компенсационным электродом, причем измерительный и компенсационный электроды зонда выполнены в виде мембран из полимерной пленки с напыпенными в виде спиралей резистивнычи элементами, компенсационный электрод установлен напротив измерительного электрода, в промежутке между названными электродами на одинаковом расстоянии от них расположены управляющий и экранирующий электроды, калиброванные резисторы соединены с резистивными элементами измерительного и компенсационного электродов по мостовой схеме, в одну иэ диагоналей которой включен источник питающего постоянного напряжения, а в другую диагональусилитель, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом усилителя, а выход — с входом цифроаналогового преобразователя и цифровым выходом устройства, вход регулируемого источника компенсирующего напряжения, выполненного на посто" янном токе, подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, соединен. ного.с аналоговым выходом устройства.

1237999 а е ts

Qua. Э

Составитель Л.Морозов

Техред Л.Олейник Корректор А.Обручар

Редактор H.Слободняник

Заказ 3285/46 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4