Измеритель напряженности статических и квазистатических электрических полей

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений. Измеритель в качестве возбудителя механических колебаний имеет пьезоэлектрик 1. При подаче на электроды 3 через проходной транзистор 7 с генератора 8 опорного напряжения возбуждения пьезоэлектрик 1 будет изменять свою длину синхронно с напряжением возбуждения. Для стабилизации амплитуды колебаний пьезоэлектрика 1 введен электрод 4 обратной связи, сигнал с которого поступает на схему сравнения 9, а с ее выхода - на базу транзистора 7. Если амплитуда продольных колебаний пьезоэлектрика 1 уменьшилась или увеличилась (при изменении окружающей влажности, температуры и т.д.), то схема сравнения 9 подает на базу транзистора 7 сигнал рассогласования, который так изменит сопротивление транзистора 7, что напряжения возбуждения на электроде 3 восстановит прежнюю амплитуду колебаний. Это обеспечивает повышение чувствительности и точности измерений. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1

„„Я0„„150975

1511 4 С 01 К 29/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ие.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4306040/24-09 (22) 14,09,87 (46) 23.09.89, Бюл. N- 35 (72) Ю.Г,Пехтерев, В.,В,Каннхпкин и В.А,Кочнев (53) 621.317 ° 328(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 830256, кл. G.01 R 29/12, 1979.

Авторское свидетельство СССР

В 983586, кл. G 01 R 29/12, 1981, I (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕННОСТИ СТАТИЧЕСКИХ И КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике, Цель изобретения — повьппение чувствительности и точности измерений. Измеритель в качестве возбудителя механических колебаний имеет пьезоэлектрик 1. При.подаче на электроды 3 через проходной

2 транзистор 7 с генератора 8 опорного напряжения возбуждения пьезоэлектрик

1 будет. изменять свою длину синхронно с напряжением возбуждения, Дпя стабилизации амплитуды колебаний пьезоэлектрика 1 введен электрод 4 обратной связи, сигнал с которого поступает на схему сравнения 9, а с ее выхода — на базу транзистора 7. Если амплитуда продольных колебаний пьезоэлектрика 1 уменьшилась или увеличилась (при изменении окружакяцей влаж-, ности, температуры и т.д.), то схема сравнения 9 подает на базу транзистора 7 сигнал рассогласования, который так изменит сопротивление транзистора 7, что напряжение возбуждения на электроде 3 восстановит прежнюю амплитуду колебаний. Это обеспечивает повышение чувствительности и точности измерений. 2 ил, ! 50975

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности статических и квазистатических электрических полей при контроле электрических зарядов элементов конструкций, образцов материалов, свойств атмосферы.

Цель изобретения — повышение чув-. 10 ствительности и точности.

На фиг, 1 приведена электрическая структурная схема измерителя напряженности статических и квазистатических электрических полей; на фиг. 2 — 15 конструкция возбудителя механических колебаний с расположением на нем электродов.

Измеритель напряженности статических и квазистатических электрических полей включает возбудитель механических колебаний, в качестве которого используется пьезоэлектрик 1, на котором расположены измерительный электр род 2, электроды 3 возбуждения, элект-25 род 4 обратной связи, вспомогательный электрод 5, электрод 6 отрицательной обратной связи, причем один возбуждающий электрод заземлен, а другой соединен с коллектором проходного транзистора 7, эмиттер которого .соединен с выходом генератора 8 опорного напряжения, а база проходного транзистора 7 соединена с выходом схемы 9 сравнения (схема сравнения содержит 35 также источник эталонного сигнала), вход которой соединен с электродом 4 обратной связи, измерительный электрод 2.. соединен с входом первого усилителя 10 постоянного тока, выход ко- 40 торого соединен с входом первого синхронного фильтра 11 причем выход первого синхронного фильтра 11 и вход первого усилителя 10 постоянного тока соединены через первую емкость обрат- 45 ной связи. С,, а вспомогательный электрод 5 соединен с вторым усилителем 12 постоянного тока, выход которого соединен с входом второго син" хронного фильтра 13, а выход последнего — с инвертирующим входом дифференциального усилителя 14, с неинвертирующим входом .которого соединен выход фильтра 11, выход второго синхронного фильтра 13 и вход второго уси- ss лителя 12 тока соединены через вторую емкость обратной связи Сощ < а выход дифференциального усилителя 14 соединен с входом синхронного детек8 4 тора 15, выход которого соединен с: входом блока.16 измерения и элекгродом б отрицательной обратной связи, причем управляющие входы синхронного детектора 15, первого синхронного фильтра 1.1 и второго синхронного фильтра 13 соединены с выходом генератора 8 опорного напряжения.

Измеритель напряженности статических и квазистатических электрических полей работает следующим образом, В качестве возбудителя механических колебаний (модулятора) применяется пьезоэлектрик 1 (титанат бария . BaTi0 ) и используется обратный продольный пьезоэлектрический эффект, Это значит, что если к электродам 3 пьезоэлектрика 1 (фиг. 2) приложить напряжение возбуждения, то длина пьезоэлектрика 1 будет изменяться, а следовательно и длина (площадь) измерительного электрода 2, причем на торце пьезоэлектрика на электроде 4 обратной связи возникает напряжение, пропорциональное изменению длины пьезоэлектрика.

Все перечисленные электроды, а также вспомогательный электрод 5 нанесены на пьезоэлектрик путем термо-обработки специальной содержащей серебро пасты. В результате термообработки на пьезоэлектрике 1 Могут быть получены надежно закрепленные продиффундированные в керамику серебряные электроды, Итак, при подаче на электроды 3. через проходной транзистор 7 с генератора 8 опорного напряжения напряжения возбуждения. пьезоэлектрик 1 бу дет изменять свою длину синхронно с напряжением возбуждения, а это приводит к тому, что будет изменять свою длину, а следовательно, и площадь AS измерительный электрод 2, находящийся в измеренном поле Е, и на этом электроде будет индуцироваться заряд Ь я

Величина заряда пропорциональна

6q =E,éSÅ, где ЕΠ— диэлектрическая проницае-. мость воздуха;

Ь S — изменение площади измерительного электрода;

Š— напряженность измеряемого поля, 1509758

Зависимость изменения заряда Д от времени определяет ся соотношением

Д qsinQt. (2)

При этом входной ток усилителя 10

hq> t hSEsinQt

6е (3)

= E ДЯЕасо вас, 10 где Q — угловая частота изменения длины измерительного- электрода.

Первыи усилитель 10 тока усиливает полезный сигнал, а также шумовые ían- 15 ряжения и наводку от сигнала возбуждения, а введение первой емкости от-. рицательной обратной связи С по о,св 4 полезному сигналу совместно с первым усилителем 10 тока и первым синхрон- 20 ным фильтром 11 (синхронный фильтр настроен на усиление только сигнала (3),подавляет не совпадающие с сигналом по фазе и частоте) позволяет на

2-3 порядка улучшить отношение сиг- 25 нал-шум, по отношению к (2).

Для того, чтобы подавить наведенный сигнал, вызванный напряжением возбуждения (наведенньп сигнал синфазен с полезным сигналом), и тот 30 спектр шумов модулятора, которьп совпадает с его резонансной частотой (остальную часть спектра подавляют синхронные фильтры), введен вспомогательный электрод 5, равньп по площади

1 измерительному электроду 2, и сигнал с которого, пройдя через тракт, аналогичньп тракту для полезного сигнала (второй усилитель 12 тока, второй синхронный фильтр 13, выход которого 40 соединен с входом усилителя 12 второй емкостью обратной связи С ), поступает на вход дифференциального усилителя 14 на другой вход которого поступает сигнал- от измерительного 45 электрода 2, т.е. происходит окончательное подавление синфазных помех, Усиленньп дифференциальным усилителем 14 полезный сигнал детектируется синхронным детектором 15 и выпрямпен- 50 ный сигнал д ОД 1 2 (4) где К вЂ” коэффициент усиления по по1 55 лезному сигналу (т. е, усиление первого усилителя 10 совместно с первым синхронным фильтром 11) К вЂ” коэффициент усиления диффег ренцнального усилителя 14 и синхронного детектора 15, поступает на электрод 6 обратной связи и создает на нем, по отношению к измерительному электроду, напряженность поля обратной связи

Ео 6 БЕ К К ос (5) где d — расстояние между измеритель ным электродом 2 и электродом 6 обратной связи, Вследствие наличия обратной отрицательной связи по электрическому полю измеритель работает как нуль-орган, причем его точность тем выше, чем больше напряженность поля обратной связи по отношению к напряженности измеряемого электрического поля °

Для стабилизации амплитуды колебаний пьезоэлектрика введен электрод 4 обратной связи, сигнал с которого поступает на схему 9 сравнения, а с выхода схемы сравнения на базу проходного транзистора 7, Предположим, что амплитуда продольных колебаний пьезоэлектрика: уменьшилась или увеличилась, сказалось изменение окружающей влажности, температуры и т.д,, то схема сравнения подает на базу проходного транзистора 7 сигнал рассогласования, который так изменяет сопротивление транзистора 7, что напряжение возбуждения на электроде 3 восстановит прежнюю амплитуду колебаний, что и обеспечивает высокую точность измерений в производственных условиях.

Качественно новое решение поставленной задачи (использование пьезо— электрика), применение электронной стабилизации амплитуды колебаний с использованием физических свойств самого. рабочего элемента — пьезоэлектрика, введение вспомогательного электрода, емкостей обратной связи по отфильтрованному сигналу, а также дифференциального усилителя, позволяет качественно улучшить отношение сигнал — шум, и как следствие — точность и чувствительность измерений.

При этом чувствительность предлагаемого устройства выше чем известного (0,2 В/м) при точности измерений,17 °

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Измеритель напряженности статических и квазистатических электри1509758 ческих полей, включакиций измерительный электрод, подсоединенный к входу первого усилителя постоянного тока, выход которого подключен к входу первого синхронного фильтра, последовательно соединенные синхронный детектор и блок измерения, электрод отрицательной обратной связи, подключенный к выходу синхронного детектора, генератор опорного напряжения, выход которого подсоединен к опорному входу первого синхронного фильтра и синхронного детектора, возбудитель механических колебаний, отличающийся тем, что, с целью новыщения чувствительности и точности, возбудитель механических колебаний выполнен в виде пластины из пьезокерамики с обратным продольным пьезоэлектрическим эффектом, на одной части с двух сторон которой друг против друга нанесены введенные электроды возбуждения, а измерительный электрод выполнен на другой части одной из сторон пластины, напротив измерительного электрода.выполнен введенный вспомогательный электрод, введены электрод обратной связи, нанесенный на торец пластины, удаленный от электродов возбуждения, схема сравнения, первый вход которой подключен к электроду обратной связи, второй вход — к источнику эталонного сигнала, а выход — к базе введенного проходного транзистора, эмиттер которого подсоединен к выходу генератора опорного напряжения, а коллектор †к первому электроду возбуждения, а второй электрод возбуждения заземлен, введены последовательно соединенные второй усилитель постоянного тока, вход которого подключен к вспомогательному электроду, и вто"

-рой синхронный фильтр, выход которого подсоединен к инвертирукцему входу введенного дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к выходу первого синхронного фильтра, а выход дифференциального усилителя подключен к вхо20 ду синхронного детектора, опорный вход второго синхронного фильтра подсоединен к выходу генератора опорного напряжения, введенная первая емкость обратной связи включена меж25 ду выходом первого синхронного фильтра и входом первого усилителя постоянного тока, а введенная вторая емкость обратной связи включена между выходом второго синхронного фильтра

ЗО и входом. второго усилителя постоянного тока, электрод отрицательной обратной связи расположен напротив измерительного электрода,