Устройство для контроля толщины диэлектрических материалов

 

Изобретение относится к измери-- тельной текнике. Цель изобретения - повышение точности контроля толщины диэлектрических материалов при введении в известное устройство дополнительных низкопотендиального 6 и высокопотенциального 7 электродов, располозкённых на противоположной стороне -5 диэлектрического основания 1 накладного емкостного датчика. Причем измерительная устройства снабжена фильтрами 14 и 18 нижних и верхних частот (ФНЧ и ФВЧ), блоком 15 сравнения (БС), источником 16 опорного напряжения и интегратором 17. При этом выход интегратора 17 соединен с управляющим входом избирательного усилителя 12 высокой частоты, a входы ФНЧ 14 и ФВЧ 18 подключены к выходу первого синхронного детектора. Выход ФНЧ 14 соединен с одним входом БС 15, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, a выход БС 15 - с входом интегратора 17. Выход ФВЧ 18 соединен с входом усилителя низкой частоты, a дополнительные низкои высокопотенциальный электроды 6 и 7 включены в другое плечо мостовой схемы 10. Причем дополнительный высокопотенциальный электрод 7 расположен против промежуточного электрода 3 датчика, 1 ил. с (g f8

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (51) 4 G 01 В 7/06 1

« м 1 г д

1

" Ф g. ч.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ. (21) 3973648/24-28 (22) 10.11.85 (46) 23.03,87. Бюл. ¹- 11 (71) Киевский технологический институт легкой промышленности

Ъ (72) Ю.А. Скрипник, Н.М. Свиридов, В,А.Ефремов и С.Ю.Любимова (53) 621.317.39:531.717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 892201, кл. G 01 В 7/06, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 958846, кл. G 01 В 7/06, 1982.

Авторское свидетельство СССР № 1186935, кл. G 01 В 7/06, 01.11.84. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к измери= тельной технике. Цель изобретения повышение точности контроля толщины диэлектрических материалов при введении в известное устройство дополнительньгл низкопотенциального 6 и высокопотенциального 7 электродов, расположенных на противоположной стороне диэлектрического основания 1 накладного емкостного датчика. Причем измерительная схема устройства снабжена фильтрами 14 и 18 нижних и верхних частот (ФНЧ и ФВЧ), блоком 15 сравнения (БС), источником 16 опорного напряжения и интегратором 17 ° При этом выход интегратора 17 соединен с управляющим входом избирательного усилителя 12 высокой частоты, а входы

ФНЧ 14 и ФВЧ 18 подключены к выходу первого синхронного детектора. Выход

ФНЧ 14 соединен с одним входом БС 15, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход БС 15 — с входом интегратора

17. Выход ФВЧ 18 соединен с входом усилителя низкой частоты, а дополнительные низко- и высокопотенциальный электроды 6 и 7 включены в другое плечо мостовой схемы 10. Причем дополнительный высокопотенциальный электрод 7 расположен против промежуточного электрода 3 датчика. 1 ил.

1298518

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины изделий .из диэлектрических материалов.

Цель изобретения — повышение точ- 5 ности контроля за счет получения линейной характеристики путем введения цепи автоматического регулирования избирательного усилителя и устранения разбаланса мостовой схемы при измененни температуры диэлектрического основания.

На чертеже приведена блок-схема устройства для контроля толщины диэлектрических материалов.

Устройство содержит накладной емкостной датчик в виде диэлектрического основания l, на одной стороне которого расположены низкопотепциальный электрод 2, промежуточный 3 и высоко20 потенциальный 4 электроды, которые выполнены в виде компланарных концентрических колец и в рабочем положении

KBcBR)TcH контролируемого материала 5, на другой стороне — дополнительные низкопотенциальный .б и высокопотенциальный 7 электроды, выполненные также в виде компланарных концентрических колец, переключатель 8, средний контакт которого соединен с промежуточным электродом 3, а крайние контакты— с низкопотенциальным 2 и .-высокопотенциальным 4 электродами, генератор 9 низкой частоты, выход которого соединен с управляющим входом переключа- 35 теля 8, мостовую схему 10, в одно плечо которой включены высокопотенциальный 4 и низкопотенциальный 2 электроды, а в другое плечо — низкопотенциальный 6 и высокопотенциальный 40

7 дополнительные электроды, генератор

11 высокой частоты, питающий мостовую схему 10, последовательно включенные на выходе мостовой схемы 1 0 избирательный усилитель l2 высокой частоты, первый синхронный детектор 13 опорным входом подключенный к генератору

11 высокой частоты, фильтр 14 низкой частоты, блок 15 сравнения, к второму входу которого подключен источник 16 опорного напряжения, и интегратор 17, выходом соединенный с управляющим входом усилителя l2, поцключенные к выходу синхронного детектора 13 последовательно соединенные фильтр 18 верхних частот, усилитель 19 низкой частоты, второй синхронный детектор

20, опорный вход которого подключен к выходу генератора 9 низкой частоты, и регистратор 21, и конденсатор 22 переменной емкости, включенный между промежуточным 3 и высокопотенциальным

4 электродами.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии контролируемого материала емкость между низкопотенци;альным 2и промежуточным 3 электродами равна емкости между дополнительными

6 и 7. Поэтому мостовая схема 10 в положении переключателя 8, указанном на чертеже, уравновешена, и на выходе мостовой схемы высокочастотное напряжение отсутствует. Промежуточный электрод 3 расположен относительно низкопотенциального 2 и высокопотенциального 4 электродов так, что начальная емкость между высокопотенциальным 4 и промежуточным 3 электродами равна начальной емкости между промежуточным 3 и низкопотенциальным

2 электродами. Благодаря этому коммутация промежуточного электрода 3 переключателем 8 не нарушает равновесия мостовой схемы 10.

При наложении датчика на контролируемый материал 5 равенство емкостей между электродами 2-3 и 3-4 нарушается из-за разной глубины зондирования материала электрическим полем.

В положении переключателя 8, указанном на чертеже, электрическое поле из-за большой глубины зондирования пронизывает контролируемый материал, и вносимая емкость функционально связана с толщиной контролируемого материала и его диэлектрической проницаемостью. Выходное напряжение мостовой схемы 10 при этом пропорционально вносимой емкости:

U = sC,U1i, где 8 — чувствительность мостовой схемы, С вЂ” вносимая контролируемым ма1 териалом емкость, U — высокочастотное питающее l мост напряжение.

В противоположном положении переключателя 8 силовые линии электрического поля при малой глубине зондирования полностью замыкаются в контролируемом материале 5. Вносимая при этом емкость С не зависит от толщины материала, начиная с некоторого минимального значения, и определяется

1298518 в основном его диэлектрической проницаемостью. Выходное напряжение становится равным

sc u

При непрерывной работе переключателя 8, управляемого прямоугольным напряжением генератора 9 низкой частоты, пакеты высокочастотных напряжений U, и U поочередно усиливаются 10 избирательным усилителем 12 высокой частоты с автоматической регулировкой коэффициента усиления. Усиленные пакеты напряжений синхронно детектируются детектором 13, на выходе кото- 15 рого образуются видеоимпульсы с амплитудами: и =sK;кси

U4 БК„КСБ где К вЂ” регулируемый коэффициент

l усиления избирательного усилителя 12, К вЂ” коэффициент выпрямления синхронного детектора 13.

Постоянная составляющая последовательности видеоимпульсов U+

= — (U + U ) выделяется фильтром 14 30

2 з нижних частот и воздействует на один вход блока 15 сравнения, на второй вход которого воздействует опорное напряжение источника 1б. На выходе блока 15 формируется разностное напряжение, которое интегрируется интегратором 17. Выходное напряжение интегратора 17 изменяет коэффициент усиления высокочастотного усилителя

12 в направлении уменьшения разности сравниваемых напряжений Б - и U . При равенстве сравниваемых найряжений, С + С

U =U =SKK- — — сь Б 1 2. 45 выходное напряжение блока 15 сравнения становится равным нулю, и процесс регулирования коэффициента усиления

К, избирательного усилителя 12 прекращается. SO

Из равенства сравниваемых напряжений следует, что установившееся значение коэффициента усиления становится равным

2U

К

$К (С + С )U

Из последовательности видеоимпульсов U u U фильтром 18 верхних частот выделяется переменная составляющая частоты переключения

U = — (U -u)=sKк-.— — u

= f С вЂ” С

Е 3 1 2 2

С, — С

1 2 у

С; + С О

Напряжение U усиливается усилителем 19 низкой частоты и выпрямляется вторым синхронным детектором 20,- который управляет напряжением генератора 9 низкой частоты. Выходное постоянное напряжение регистрируется региатратором 21:

С, — С .=KК вЂ” — — U э С + С.

2 где К вЂ” коэффициент усиления низкоз частотного усилителя 19, К вЂ” коэффициент выпрямления син4 хронного детектора 20.

Вносимая емкость накладного датчика математически описывается приближенным экспоненциальным выражением:

С„= А Е(1 — 2qe "), где h — толщина контролируемого ди1 электрического материала, А „иВ, — коэффициенты, определяемые размерами электродов, датчика и глубиной зондирования;

Š— диэлектрическая проницаемость контролируемого материала, 8-1

q = — — — ко эффициент, о тражающий

8+1 различие в диэлектрических свойствах контролируемого материала и воздуха.

Вносимая емкость при малой глубине зондирования электрическим полем: — А Р (1 — 2q 2. х) где h — максимальная толщина мате2 риала, на которую еще реагирует электрическое поле, при h > h вносимая

1 2 емкость зависит только от

Я(е " 0) .

-6

При допусковом контроле толщины материала h,: = h, + ah где ah — абсолютное значение допуска, h — номинальное значение толщины, Из условия равенства начальных емкостей датчика при переключении промежуточного электрода 3 коэффициенты А „ и А равны, так как при отсутствии контролируемого материала h „ = h = О. При касании

5 12985 датчиком материала 5 с номинальной толщиной h устанавливают конденсатором 22 переменной емкости нулевое показание регистратора 21, что соответствует услоьию В Ь = В Ь . Поэта- 5 о g Я му регистрируемое напряжение с учетом значений вносимых емкостей С и

С .можно представить н виде и -В(о 4»

U .10

В з 4 1 ае (»о 4» qp g»g о

Пренебрегая в знаменателе величиной допуска 4Ь по сравнению с номинальной толщиной h,, получаем

+6,44 о

П, = к к,.1

B14b — P

=ККq U з е+в" — 2q о

Разложив показательную функцию в х х2 ряд е = 1+ х+ — -+ ... и огранив

2 чившись двумя первыми членами ряда, получим

+ В„ l -é

Ч1 + В 1.„2q а

1 О

Для сухих диэлектрических материа— лов типа кожи, тканей, полимерон и т.п. диэлектрическая проницаемость находится в пределах Я = 2-:4. Поэтому можно считать, что q 0,5, и регистрируемое напряжение 35

1, ь11 сй

= — KK U -- = Y--о 1.

1 где K = -K U — постоянный коэффи234 о циент пропорцион альности.

Таким образом, регистрируемое напряжение пропорционально относительному отклонению толщины контролируеgr h мого материала --, и шкала регистраho тора может быть отградуирована непосредственно в процентах отклонения толщины от номинала. При этом пока= à 50 ния регистратора не зависят от изменения диэлектрической проницаемости материала (P.) в определенных пределах и температурных изменений параметров накладного датчика (А, А, В,, В ).

Не влияет также непостоянство амплитуды высокочастотного генератора U чувствительности мостовой схемы S коэффициента усиления нысбкочастоткого избирательного усилителя К из1 за его неизбежной расстройки и коэффициента ныпрямления высокочастотного синхронного детектора I(о.

При этом достигается повышение точности за счет устранения разбаланса мостовой схемы при изменении температуры диэлектрического основания датчика, так как межэлектродные емкости

2-3 и 6-7 изменяются одинаково.

Формула изобретения

Устройство для контроля толщины диэлектрических материалов, содержащее накладной емкостный датчик в виде диэлектрического основания, на котором расположены нысокапотенциальный и низкопотенциальный электроды, выполненные н виде компланарных концентрических колец, мел;цу которыми размещен промежуточный электрод таким образам, что начальные емкости между нысакопатенциальным и промежуточным электродами и между промежуточным и низкопатенциальíbM электродами равны, переключатель, средний контакт которого соединен с промежуточным электродом, а крайние контакты — с высокопотенциальным и низкопатенциальным электродами, конденсатор переменной емкости, нключенный между промежуточным и нысокопотенциальным электродами, генератор высокой частоты, подключенную к нему мостовую схему, в адно из плеч которой нклочены низкопотенциальный и высокопотенциальный электроды, генсратор низкой частоты выход которого подключен к управляющему входу переключателя, последовательно включенные на выходе мостовой схемы избирательный усилитель высокой частоты и первый синхронный детектор, опорный вход которого подключен к выходу генератора нысокой частоты, пос .".понательно соединенные усилитель низкой частоты, второй синхронный детектор опарйый вход которого подключен к выходу генератора низкой частоты„ и регистратор, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, избирательный усилитель высокой частоты выполнен управляемым, а устройство снабжено дополнительными низкопотенциальным и высокопотенциальным электродами„ расположенными на противоположной от основных электродов стороне диэлектрического основания, 18

Составитель В.Николаев . Техред М.Ходанич Корректор И. Эрдейи

Редактор С.Патрушева

Заказ 875/40 Тираж б78 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

7 12985 включенными в другое плечо мостовой схемы, причем высокопотенциальный электрод расположен против промежуточного электрода, последовательно соединенными фильтром нижних частот, 5 вход которого подключен к выходу первого синхронного детектора, блоком сравнения, и интегратором, выход которо го подключен к управляющему входу избирательного усилителя, источником опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу блока сравнения, и фильтром высших частот, включенным между выходом первого синхронного детектора и входом усилителя низкой частоты.