Способ определения удельного электросопротивления твердых материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений электрофизических параметров электропроводных твердых материалов. Цель изобретения - повышение точности измерений путем снижения систематической погрешности. Способ определения удельного электросопротивления твердых материалов основан на четырехзондовом методе, причем при расчете удельного очектросопротивления образца по двум образцам с известными удельными электросопротивлениями и геометрией вычисляют масштабный коэффициент, причем геометрию второго образца выбирают соответствующей геометрии исследуемых образцов и определеяют их искомые характеристики с учетом масштабного коэффициента . Устройство содержит датчик 1 тока , исследуемый образец 2, измерительный зонд 3, интегратор 4, усилитель 5, компаратор 6, информационный вход 7 ОЗУ, ОЗУ 8, вход 9 управления ОЗУ, генератор 10 управляемой частоты, микропроцессор 11, мультиплексор 12, ПЗУ-13. выход 14 ПЗУ. выход 15 ОЗУ, выход 16 мультиплексора, блок 17 индикации, аналого-цифровой преобразователь 18. 2-с.п.ф-лы, 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 27/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4776674/21 (22) 22.01.90 (46) 30.08.92, Бюл. ¹ 32 (71) Тамбовский институт химического машиностроения (72) С;В.Мищенко, Б.И.Герасимов и

Е.И.Глинкин (56) Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. — M. Высшая школа, 1975, с. 5 — 21.

Авторское свидетельство СССР

¹ 416627, кл. G 01 R 27/00, 1974, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО

ЭЛ ЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ

МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений злектрофизических параметров электропроводных твердых материалов.

Цель изобретения — повышение точности измерений путем снижения систематичеИзобретение относится к измерительной технике и технической физике, в частности к измерениям электрофизических характеристик электропроводных твердых материалов.

Известен способ определения электросопротивлений твердых материалов, заключающийся в приведении в контакт с поверхностью исследуемого образца четырех зондов, расположенных вдоль линии, параллельной длине исследуемого образца на фиксированном расстоянии друг от друга, в плоскости, перпендикулярной поверхности образца, пропускании тока через образец между внешними зондами, измере.... Ж„, 1758586 А1 ской погрешности. Способ определения удельного электросопротивления твердых материалов основан на четырехзондовам методе, причем при расчете удельного злектросопротивления образца по двум образцам с известными удельными электросопротивлениями и геометрией вычисляют масштабный коэффициент, причем геометрию второго образца выбирают соответствующей геометрии исследуемых образцов и определеяют их искомые характеристики с учетом масштабного коэффициента. Устройство содержит датчик 1 тока, исследуемый образец 2, измерительный зонд 3, интегратор 4, усилитель 5, компаратор 6, информационный вход 7 ОЗУ, 03У 8. вход 9 управления ОЗУ, генератор 10 управляемой частоты, микропроцессор 11, мультиплексор 12, ПЗУ-13. выход 14 ПЗУ, выход

15 ОЗУ, выход 16 мультиплексора, блок 17 индикации, аналого-цифровой и реобразователь 18. 2.с.п.ф-лы, 2 ил, нии падения напряжения между внутренними зондами, расстояния между зондами и определении искомых характеристик исследуемого материала.

Недостатком способа является низкая точность и узкий диапазон определения удельного электросопротивления, ограничиваемые геометрией исследуемых образцов, так как расчетная формула выведена для полубесконечного образца и не учитывает масштабные деформации электрического поля в образце, определяемые его геометрией. Данный способ предполагает непосредственные измерения разнородных физических величин: электрический (ток, на1758586 пряжение) и геометрических (расстояний, росопротивления с учетом масштабного кокоэффициента), что вносит в конечный ре- эффициента, зультат как систематическую погрешность, Кроме того, в устройство для опредетак и случайную. ления удельного электросопротивления

Известно устройство для разбраковки 5 твердых материалов, содержащее датчик электрических изделий по активному сопро- тока, выполненный в виде резистора, соетиплению, содержащее две мостовые изме- диненного выводом с клеммой токового рительные схемы нижнего и верхнего зонда, в отличие от прототипа введены пределов с общей диагональю, к выходам микропроцессор, аналого-цифровой прекоторых подкл ючен ы входы усилителей 10 образователь, генератор управляемой часформирователей, генератор стробирующих тоты, компаратор, усилитель, импульсов, две схсмы И, инвертор, триггер, мультиплексор, оперативное запоминаютретья схема И, причем выход первого уси- щее устройство, постоянное запоминаюлителя формирователя соединен с входом щее устройство, причем вывод датчика первой схемы И, выход которого усилителя 15 тока соединен с входом интегратора и вхоформирователя подключен к вторым входам дом аналого-цифрового преобразователя, первой и второй схем И, выход генератора второй выход соединен с вторым и третьим стробирующих импульсов соединен стреть- входами интегратора, входом генератора ими входами первой и второй схем И, через управляемой частоты и с выходом аналого первый и второй триггеры подключены к 20 цифрового преобразователя, второй вывходам третьей схемы И, причем триггер с ход аналого-цифрового преобразователя первой схемой И на входе соединен прямым соединен с входом микропроцессора, его входом, а второй триггер — инверсным выхо- второй вход соединен с выходом ceHGpGTQдом. ра управляемой частоты, а третий его вход

Однако данное устройство имеет низ- 25 соединен с выходом мультиплексора, выкие функциональные возмо>кности, обус- ход микропроцессора соединен с входом ловленные отсутствием количественных блока индикатора, вход мультиплексора сопоказателей проведения процессов разбра- единен с выходом постоянного запоминаюковки, lr0 естественно ухудшает качество щего устройства, его второй вход соединен проведения, имеет узкий диапазон разбра- 30 с выходом оперативного запоминающего ковки изделий, обусловленный жесткими устройства, его вход соединен с выходом структурными связями устройства. генератора управляемой частоты, второй

Цель изобретения — повышение точно- вход соединен с выходом компаратора, втости измерения и расширение диапазона из- рым выходом датчика тока, вход компаратомерений в зависимости от геометрии 35 расоединен с выходоминтегратора, второй исследуемых образцов, расширение функ- вход соединен с выходом усилителя, первый циональных возможностей и диапазона из- и второй входы которого соединены с клеммерений. мами потенциальных зондов, причем втоЦельдостигаетсятем,что вспособеоп- рая клемма второго токового зонда ределения удельного сопротивления твер- 40 соединены с общей шиной. дых материалов, включающем Сущность способа определения удельг",уществление контакта с г|оверхностью ного электросопротивления твердых матеобразца четырех зондов, расположенных риалов заключается в следующем. вдоль линии, параллельной длине образца В контакт с поверхностью первого этана фиксированном расстояниидруготдру- 45 лонного образца с известными удельным га, в плоскости, перпендикулярной повер- электросопротивлением р 1 и геометрией хности образца, пропускание тока через (длина а1, ширина Ь1) приводят четыре эонобразец между двумя внешними зондами, да, расположенных вдоль прямой линии паизмерение падения напряжения на образ- раллельно длине а1 образца на це между двумя внутренними зондами, в 50 фиксированном расстоянии э друг от друга, расчете удельного электросопротивления в плоскости, перпендикулярной поверхнообразца, в отличие от известных решений сти образца. Пропускают ток 1, через обравычисление осуществляют по двум образ- зец между внешними зондами, измеряют цам с известными значениями удельных падение напряжения U на образце посредэлектросопротивлений и геометрией мас- 55 ством двух внутренних зондов. Затем опрештабного коэффициента, причем геомет- деляют удельное сопротивлениер,г второго ри ю второго образца вы бира e r (!+1) эталонного образца с геометрией а2/Ь2, соответствующей геометрии исследуемых равной отношению длины ан- и ширины образцов и определяют их удельные элект- bi+<, т.е. à2/Ь2=са /Ь1, таким образом

1758586

Ui+ <

+2(i+ ) =+<

По определению иэ (1) значению рд(н-1) и известному +z вычисляют масштабный коэффициент К +1, учитывающий изменение геометрии от первого ко второму эталону (деформацию, коэффициент преобразования координат), однозначно связанное через измеряемые величины. Принимая для удобства I+2=1, получаем расчетную формулу для определения удельного злектросопротивления исследуемого образца с геометрией, равной второму эталону и отличной от геометрии первого эталона: 15

На практике удельное электросопро20 тивление удобно рассчитывать по формупер> = К1->U1, а масштабный коэффициент

К - =Кн- рассчитывают по двум эталонам перед измерениями на исследуемых образцах по вышеприведенной схеме.

Выражение (1) с применением одного эталона является частным случаем из более общего выражения (2) для двух эталонов при условии, что рэ1 =р2 и равной геометрии 30 эталонов, для различных геометрий формула (2) преобразуется как:

Ui+ Ui+

/ +2= /Ъ1

1Я

Ка фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство для определения удельного 40 электросоп ротивления твердых материалов содержит датчик 1 тока, выполненный в виде резистора, исследуемый образец изделий 2, измерительный зонд 3, интегратор 4, усилитель 5, компаратор 6, связанный с ин- 45 формационным входом 7 оперативного запоминающего устройства 8, управляющий вход 9 которого соединен с генератором управляемой частоты 10, микропроцессор

11, мультиплексор 12, постоянное эапоми- 50 нающее устройство 13. Выходы 14 и 15 запоминающих устройств через мультиплексор 12 соединены с первыми входами 16 микропроцессора 11, связанного с блоком индикации 17, причем вторые 55 входы микропроцессора 11 соединены с аналого-цифровым преобразователем 18.

Устройство работает циклически следу-ющим образом.

Питание измерительного зонда осуществляется выходным сигналом компаpатора. Сигналы с измерительного зонда 3 датчика 1 тока и потенциальных выходов зонда поступают для cpBBHQI- на входы компаратора 6 (фиг. 2а). На первый вход компаратора 6 подается сигнал с интегратора 4, а на второй вход — с усилителя 5. В момент равенства проинтегрироьанного напряжения с датчика 1 и усиленного напр,1жения с потенциальных выходов измерительного зонда 3 на выходе компаратора 6 фиксируются импульсы длительноcт ь ю fi (ф и г. 2 б) и р о и о р ц и î ) i а л ь н ы и напряжению, Выходной сигнал компаратора 6 пост;— пает на информационный вход 7 операгивного запоминающего устройства 8, заполненный с помощью управляющего входа 9 фиксированной част отой I -o (фиг. 2в), вырабатываемой генератором 10 управляемой частоты.

Ка выходе оперативного запоминающего устройства 8 формируется код (фиг. 2г) прямо пропорциональный измеряемому напряжению, В момент равенства сигналов на входах компаратора 6 последний переключается (фиг. 26), т.е. формируется спад импульса длительностью t>, Спадом этого импульса отключается датчик 1 тока, обнуляется интегратор 4, с помощью микропроцессора 11 из аналого-цифрового преобразователя 18 вводится коррекция по току датчика в блок

8 посредством генератора 10, Полученный код Ni переписывается (фиг. 2д) из оперативного запоминающего устройства 8 через мультиплексор 12 в микропроцессор 11, где производится расчет по математическим моделям, хранящимся в блоке 13, активного удельного сопротивления образца изделия 2 и разбраковки образцов в заданных пределах измерения удельного активного сопротивления (фиг, 2е).

Разбраковка образцов пор производится с помощью логической математической модели вида (рж, р ) — сигнал "годен"

Р ф (р, р ) — сигнал "брак"

Ф Ф где pe =N*,p =N (N», N ) — диапазон раэбраковки по сопротивлению образцов, выраженный в коде.

Сигнал "годен" соответствует появлению единицы на табло блока 17, а сигнал

1758586

10

20

"брак" — появлению набора нулей на табло блока 17.

При обнулении индикатора 4 заканчивается 1-й цикл измерения и разбраковки, а компаратор 6 устанавливается в исходное состояние, Это соответствует формированию (l+ 1) цикла измерения и разбраковки, который происходит аналогичноо 1-му циклу.

Проверка способа осуществлялась с применением измерительно-вычислительной системы (ИВС) для определения электрофизических характеристик (ЭФХ) неразрушающим контролем (НК), созданной в 1983 году в ТИХМе ИВС-ЗФХ-НК-83, на предприятии по изготовлению электроугольных изделий, Сопоставляя способ определения удельного электросопротивления твердых материалов и способ ампервольтметра, используемый на производстве, очевидно, что точность измерения предлагаемого способа, д1=+ 1% в 5 раз выше точности известного способа, сЪ= А 5%.

Определение удельного электросопротивления твердых материалов с учетом масштабного коэффициента, рассчитанного по измерениям удельного электрического сопротивления на двух эталонных образцах, позволяет значительно снизить погрешность измерений и расширить диапазон контролируемых материалов от мини — до микроизделий с точностью, заданной эталонами. Измерения с помощью второго эталона, учитывающего геометрию исследуемого твердого материала, позволяют проводить неразрушающий контроль удельного электросопротивления последних и значительно повысить эффективность способа.

По сравнению с прототипом, устройство позволяет количественно и качественно определить характеристики изделий, т.е. с наперед заданной точностью определять параметры и производить разбраковку изделий по заданным диапазонам разбраковки.

Формула изобретения

1. Способ определения удельного электросопротивления твердых материалов, заключающийся в том, что осуществляют контакт с поверхностью образца с помощью четырех зондов, расположенных вдоль линии, параллельной длине образца на фиксированном расстоянии друг от друга в плоскости, перпендикулярной поверхности

45, 50

55 образца, пропускают ток через образец между двумя внешними зондами, измеряют падение напряжения на образце между двумя sHóòðåííèìè зондами и рассчитывают удельное электросопротивление образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения диапазона измерений в зависимости от геометрии исследуемых образцов, по двум образцам с известными значениями удельных электросопротивлений и геометрией вычисляют масштабный коэффициент, причем геометрию второго образца выбирают соответствующей геометрии исследуемых образцов и определя.от их удельные электросопротивлания с учегом масштабного коэффициента.

2. Устройство для определения удельного электросопротивления твердых материалов, содержащее датчик тока. выполненный в виде резистора, соединенного выводом с клеммой токового зонда, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и диапазона измерений, в него введены микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь, генератор управляемой частоты, компаратор, усилитель, мультиплексор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, причем вывод датчика тока соединен с входом интегратора и входом аналого-цифро-. вого преобразователя, второй выход соединен с вторил и третьим входами интегратора, входом генератора управляемой частоты и с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй выход аналогоцифрового преобразователя соединен с входом микропроцессора, его второй вход

Соединен с выходом генератора управляемой частоты, а третий его вход соединен с выходом мультиплексора, выход микропроцессора соединен с входом блока. индикатора, вход мультиплексора соединен с выходом постоянного запоминающего устройства. его второй вход соединен с выходом оперативного запоминающего устройства, его вход соединен с выходом генератора управляемой частоты, второй вход. соединен с выходом компаратора, вторым выводом датчика тока, вход компарато- . ра соединен с выходом интегратора, второй входсоединен с выходомусилителя, первый и второй входы второго соединены с клеммами потенциальных зондов, причем вторая клемма второго токового зонда соединена с общей шиной.

1758586

Фиг.!

Составитель Б.Герасимов

Редактор Е.Егорова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Т.Палий

Заказ 2998 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101