Бесконтактный способ определения потенциалов заряженной поверхности объекта и устройство для его осуществления

 

Использование: для диагностики электризации конструкционных материалов, а также в медицине для оценки функционального состояния человека, его органов и систем путем измерения электрических потенциалов в биологически активных точках (БАТ) кожного покрова. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, повышении чувствительности и разрешающей способности. Способ заключается в том, что предварительно измеряют потенциал V' на измерительном элементе, выполненном в виде токопроводного электрода и установленного на нем пленочного электрета с противоположно заряженной свободной поверхностью относительно исследуемой поверхности, размещенном на расстоянии l от поверхности металлической пластины с нулевым потенциалом, затем измеряют потенциал V'' на измерительном элементе, размещенном на том же расстоянии l от заряженной поверхности объекта, а величину потенциала V_п заряженной поверхности, например кожного покрова, определяют по формуле V_П= (V''-V')С_вх/С_L(ξl/L+1), где С_вх - входная емкость регистрирующего устройства; С_L - емкость электрета; ξ - диэлектрическая проницаемость материала электрета; L - толщина электрета. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики электризации конструкционных материалов, а также в медицине для оценки функционального состояния человека, его органов и систем путем измерения электрических потенциалов в биологически активных точках (БАТ) кожного покрова.

Известен способ измерения потенциала поверхности заряженного диэлектрика [1] , заключающийся в том, что исследуемый образец заряженного диэлектрика размещают внутри динамического конденсатора на его неподвижной обкладке, подвижная заземленная обкладка которого совершает гармонические механические колебания, и измеряют напряжение, наведенное полем диэлектрика на неподвижной обкладке конденсатора. Способ не может использоваться для непосредственного измерения потенциалов заряженной поверхности объекта.

Известен способ измерения, реализуемый устройством для исследования биополя объекта [2], заключающийся в измерении заряда, индуцируемого на измерительном элементе, выполненном в виде токопроводной рамки, на которую накладывается ладонь обследуемого. Вследствие больших размеров измерительного элемента функциональные возможности метода ограничены областью измерений биополей обширных биологически активных зон кожи.

Известен датчик для регистрации низкочастотного электрического поля биообъекта [3] . Измерение биополя обследуемого осуществляется путем наложения датчика на поверхность кожного покрова и регистрации протекающего в цепи измерительного элемента тока с частотой генератора возбуждения и амплитудой, пропорциональной напряженности измеряемого поля. Недостаток - восприимчивость к воздействиям внешних статических полей и низкое разрешение.

Известен датчик для бесконтактного измерения плотности поверхностного заряда [4], содержащий электростатический экран, измерительный электрод, на поверхность торца которого нанесена фторопластовая пленка с целью повышения чувствительности за счет уменьшения расстояния между торцом электрода и исследуемой поверхностью. Недостаток - погрешность измерений, обусловленная возможной трибоэлектризацией фторопластовой пленки при перемещении зонда вдоль измеряемой поверхности.

Наиболее близким по существу к предлагаемому способу определения потенциалов заряженной поверхности объекта является способ определения потенциалов в биологически активных точках (БАТ) кожи [5], заключающийся в наложении кожного покрова на неподвижно установленный экран с измерительным отверстием, с размерами, не превышающими средних геометрических размеров БАТ, и измерении потенциала, индуцированного однородным электростатическим полем кожи на измерительном элементе, установленном соосно под измерительным отверстием. Способ используется для оценки функционального состояния человека по методу Р.Фоля путем измерения потенциалов БАТ кожи пальцев рук.

Наиболее близким к предлагаемому устройству для реализации бесконтактного способа определения потенциалов заряженной поверхности является устройство для измерения электрического заряда биологического объекта [6], содержащее заземленный экран с измерительным отверстием и, коаксиально размещенный в его полости с возможностью продольного перемещения, дискообразный измерительный элемент, подключенный к регистрирующему устройству. Измерение электрического заряда биообъекта осуществляется методом электростатической индукции за счет изменения зазора между поверхностью и измерительным элементом. Устройство обладает невысокой чувствительностью и низким разрешением, обусловленным сравнительно большими размерами измерительного элемента.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение чувствительности и разрешающей способности.

Цель достигается тем, что способу определения потенциалов, заключающемуся в измерении потенциалов, индуцированных на измерительном элементе электростатическим полем поверхности объекта, предварительно измеряют потенциал V' на измерительном элементе, выполненном в виде токопроводного электрода и установленного на нем пленочного электрета с противоположно заряженной свободной поверхностью относительно исследуемой поверхности, размещенном на расстоянии l от поверхности металлической пластины с нулевым потенциалом, затем измеряют потенциал V'' на измерительном элементе, размещенном на том же расстоянии l от заряженной поверхности объекта, а величину потенциала V_п заряженной поверхности определяют по формуле: V_п=(V''-V')C_вх/C_L(ξl/L+1), где С_вх - входная емкость регистрирующего устройства; C_L - емкость электрета; ξ - диэлектрическая проницаемость материала электрета; L - толщина электрета.

Для достижения поставленной цели в устройстве для осуществления бесконтактного способа определения потенциалов заряженной поверхности объекта, содержащем экран с измерительным отверстием и, коаксиально размещенный в его полости, дискообразный измерительный элемент, подключенный к регистрирующему устройству, измерительный элемент выполнен в виде токопроводного электрода с пленочным электретом на его поверхности, установленным противоположно заряженной свободной поверхностью к поверхности исследуемого объекта. Регистрирующее устройство выполнено в виде электрометрического усилителя, индикатора и автономного блока питания, причем токопроводный электрод подключен ко входу электрометрического усилителя, а выход электрометрического усилителя соединен с экраном, подключенным через нормально замкнутый ключ ко входу электрометрического усилителя.

Устройство дополнительно снабжено комплектом насадок с отверстиями различного диаметра для установки их на измерительное отверстие экрана.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - схема измерения потенциалов заряженной поверхности.

Устройство содержит (фиг. 1) измерительный узел 1, регистрирующее устройство - электрометрический усилитель 2, с индикатором 3 и автономным блоком питания 4, размещенные в металлическом корпусе 5. Измерительный узел 1 содержит измерительный элемент 6, выполненный в виде токопроводного дискообразного электрода 7 с пленочным электретом 8, установленным на его поверхности, коаксиально размещенного на изоляторе 9 в полости экрана 10. Экран 10, с насадкой 11, с измерительным отверстием 12, установлен на изоляторе 13 в корпусе 5, соединен с выходом усилителя 2 и через нормально замкнутый ключ 14 подключен ко входу усилителя 2 с входной емкостью С_вх, 15 - поверхность либо металлической пластины с нулевым потенциалом, либо заряженной поверхности исследуемого объекта (фиг.2).

Устройство работает следующим образом. Предварительно на экран 10, установленный на изоляторе 13 в корпусе 5 и, с размешенным в его полости на изоляторе 9 измерительным элементом 6, выполненным в виде электрода 7 с электретом 8, устанавливают насадку 11 с измерительным отверстием 12. Затем размыкают ключ 14 и перемещают устройство с автономным блоком питания 4 до момента касания насадки 11 измерительного узла 1 с поверхностью 15, в одном случае, металлической пластины с нулевым потенциалом, в другом - исследуемого объекта. При этом на входной емкости С_вх электрометрического усилителя 2 выделится разность потенциалов, пропорциональная заряду, индуцированному на токопроводном электроде 7, в одном случае, полем электрета 8, в другом - результирующим полем электрета 8 и заряженной поверхности 15. Усиленное напряжение с выхода усилителя 2 поступает на индикатор 3 и параллельно по цепи обратной связи на экран 10 в противофазе напряжению на входе усилителя 2.

Сущность способа (фиг.2) заключается в измерении зарядов, индуцированных электростатическими полями пленочного электрета и заряженной поверхности исследуемого объекта (кожного покрова) на обкладках конденсатора С, подключенных к электрометрическому усилителю. Одной из обкладок конденсатора С является токопроводный электрод, с установленным на его поверхности пленочным электретом, другой служит элемент поверхности металлической пластины, либо элемент заряженной поверхности объекта с площадью S, равной площади электропроводного электрода.

Предположим, что обкладки конденсатора С плотно прилегают к пленочному электрету. Обкладкой, прилегающей к отрицательно заряженной поверхности электрета, служит металлическая пластина с нулевым потенциалом. Тогда на обкладках конденсатора С индуцируются противоположные по знаку и равные по величине заряды σ_эфS, σ_эф - эффективная поверхностная плотность заряда электрета. При этом разность потенциалов V_c на конденсаторе С будет равна электретной разности потенциалов V_э (потенциал на поверхности электрета), V_c = V_э = (σ_эф/ξε₀)L (1) а на входной емкости С_вх электрометрического усилителя, выделится разность потенциалов Vʹ = σ_эфS|C_вх (потенциал на токопроводном электроде, индуцированный полем электрета).

Подставляя σ_эф = VʹC_вх/S в (1), получим V_c=V'C_вх/C_L.

С учетом того, что емкость электрета C_L=С, V_c=V'C_вх/C (2).

Если металлическую пластину заменить элементом положительно заряженной поверхности, в частности кожного покрова с площадью S, то разность потенциалов V_c на конденсаторе С изменится на величину потенциала V_п заряженной поверхности, а на входной емкости С_вх электрометрического усилителя выделится разность потенциалов V'' (потенциал на токопроводном электроде, индуцированный суммарным полем электрета и заряженной поверхности объекта).

С учетом этого можно записать V_c+V_п=V''C_вх/C (3).

Решая совместно (2) и (3) получим V_п=(V''-V')C_вх/C (4).

Реализация рассмотренной схемы измерения потенциалов затруднена тем, что при наложении и последующем снятии заряженной поверхности объекта или металлической пластины с поверхности электрета, возникают микроразряды или дополнительные заряды на поверхности электрета, приводящие к изменению его электрических параметров.

В геометрии измерений, исключающей контактные явления, когда одна из обкладок конденсатора С (токопроводный электрод) прилегает к электрету, а другая размещена на расстоянии l от его свободной отрицательно заряженной поверхности, емкость конденсатора С будет равна эквивалентной емкости последовательно соединенных конденсаторов C_L и С_l воздушного промежутка l, и тогда выражение (4) принимает вид:
Подставляя

в (5), получим формулу для определения потенциалов положительно заряженной поверхности объекта (кожного покрова)

Полученное выражение 6 справедливо и для определения потенциалов отрицательно заряженной поверхности, для этого на токопроводный электрод устанавливают пленочный электрет с полярностью обратной той, что представлена на фиг. 2. Повышение чувствительности обеспечивается тем, что предложено принципиально новое схемотехническое решение измерительного узла, позволяющее:
- во-первых, исключить из измерительной системы емкостной делитель напряжения, характерный для известных емкостных схем измерения, что в свою очередь позволяет исключить влияние частичной емкости измерительного отверстия, шунтирующей измеряемое поле;
- во-вторых, уменьшить входную емкость С_вх, за счет введения обратной отрицательной связи, путем соединения экрана с выходом электрометрического усилителя.

Кроме того, повышение чувствительности обеспечивается за счет суммирования потенциалов, индуцированных на измерительном электроде полями электрета и заряженной поверхностью.

В целом, по экспериментальным данным, чувствительность предложенного устройства многократно превышает чувствительность этого же устройства, но без использования электрета в измерительном узле.

Экстремально высокая чувствительность, в свою очередь, позволяет получить предельно высокое продольное разрешение, порядка 1 мм.

Функциональные возможности расширились за счет выполнения устройства, в виде малогабаритной конструкции с автономным блоком питания, позволяющей определить электрический потенциал в любой точке поверхности исследуемого объекта.

Способ осуществляется следующим образом (фиг.2). Предварительно измеряют потенциал V', индуцируемый полем пленочного электрета 8. Для этого размыкают ключ 14 и перемещают устройство (фиг.1) до момента касания насадки 11, с измерительным отверстием 12, измерительного узла 1 с поверхностью металлической пластины. Регистрируют показание индикатора 3 в вольтах, прямо пропорциональное потенциалу V, индуцированному полем пленочного электрета 8 на токопроводном электроде 7. Замыкают ключ 14.

Затем, в той же последовательности проведенных операций, устанавливают устройство на исследуемый участок заряженной поверхности 15 объекта (кожный покров) и регистрируют показание индикатора 3 в вольтах, прямо пропорциональное потенциалу V'', индуцированному на электропроводном электроде 7 результирующим полем электрета 8 и заряженной поверхностью 15. Подставляя измеренные значения величин V' и V'' в формулу (6), получают искомую величину потенциала V_п поверхности объекта.

Поскольку V'= const, то последующие измерения ограничиваются измерением величины V'', а при определении потенциала поверхности V_п используют однажды найденное значение величины V'.

Для определения местоположения биологически активной точки БАТ кожи устройство, в последовательности описанной выше, устанавливают на кожный покров и перемещая по его поверхности, добиваются максимальных показаний индикатора, характерных для БАТ.

Оптимальные условия реализации предложенного способа, имеют место, когда величина потенциала V', индуцированного полем электрета, совпадает по знаку и равна средней величине потенциалов (V''-V'), индуцированных полем заряженной поверхности объекта. Это достигается выбором электрета с соответствующими параметрами и расстоянием l.

Необходимо отметить, что установка пленочного электрета на измерительные электроды устройств с динамической емкостью, в частности вибрационного типа, также приводит к многократному повышению чувствительности этих устройств. Следовательно, представляется возможным повышение чувствительности существующих устройств для измерений электрических полей за счет применения электретов, в качестве активных элементов, в измерительных узлах этих устройств.

Источники информации
1. A.с. СССР 1651245, кл. G 01 R 29/12, 1991 г.

2. A.с. СССР 1627128, кл. А 61 B 5/05, 1991 г.

3. A.с. СССР 1530172, кл. А 61 В 5/05, 1989 г.

4. А.С. СССР 1497591, кл. G 01 R 29/12, 1989 г.

5. Заявка 2001114379 от 4.05.2001 г. на выдачу патента РФ на изобретение.

6. A.с. СССР 1378814, кл. А 61 В 5/05, 1986 г.

Формула изобретения

1. Бесконтактный способ определения потенциалов заряженной поверхности объекта, заключающийся в измерении потенциалов, индуцированных на измерительном элементе электростатическим полем поверхности объекта, отличающийся тем, что предварительно измеряют потенциал V’ на измерительном элементе, выполненном в виде токопроводного электрода и установленного на нем пленочного электрета с противоположно заряженной свободной поверхностью относительно исследуемой поверхности, размещенном на расстоянии l от поверхности металлической пластины с нулевым потенциалом, затем измеряют потенциал Vʹʹ на измерительном элементе, размещенном на том же расстоянии l от заряженной поверхности объекта, а величину потенциала V_п заряженной поверхности определяют по формуле

V_П=(Vʹʹ-Vʹ)С_вх/С_L(ξl/L+1),

где С_вх - входная емкость регистрирующего устройства;

С_L - емкость электрета;

ξ - диэлектрическая проницаемость материала электрета;

L - толщина электрета.

2. Устройство для осуществления бесконтактного способа определения потенциалов заряженной поверхности объекта, содержащее экран с измерительным отверстием и коаксиально размещенный в его полости дискообразный измерительный элемент, подключенный к регистрирующему устройству, отличающееся тем, что измерительный элемент выполнен в виде токопроводного электрода с пленочным электретом на его поверхности, установленным противоположно заряженной свободной поверхностью к поверхности исследуемого объекта.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что регистрирующее устройство выполнено в виде электрометрического усилителя, индикатора и автономного блока питания, причем токопроводный электрод подключен ко входу электрометрического усилителя, а выход электрометрического усилителя соединен с экраном, подключенным через нормально замкнутый ключ ко входу электрометрического усилителя.

4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что дополнительно снабжено комплектом насадок с отверстиями различного диаметра для установки их на измерительное отверстие экрана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2