Измеритель толщины покрытия двухслойных диэлектрических материалов

 

з 9779 гЕнератора синхросигналов, а выход - с управляющим входом опорного генератора смеситель, входы которого соединены с выходами измерительного и опорного генераторов, последовательно соединенные евыходом смесителя,,,,полосовой фильтр, формирователь импульсов, частотный детектор, избирательный усилитель, синхронный детектор, опорный вход которого со, единен с выходом генератора синхросиг- 30 налов, а выход - с управляющим входом измерительного генератора, снабжен образцовым емкостным датчиком, первым коммутатором, входы которого соединены с выходами соответственно измерительно- 15 го и образцового емкостных датчиков, а выход - с входом измерительного генератора, реверсивным счетчиком, счетный вход которого соединен с выходом форми» рователя импульсов, фазоинвертором, вы- щ0 ход которого подключен к управляющему входу счетчика, вторым коммутатором, вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов, а выходы соответственно с входом фазойнвертора и с управ- 25 ляюшим входом счетчика, делителем частоты, вход котрого подключен к выходу генератора синхросигналов, а выход - к управляющим входам коммутаторов, формирователем строб-импульсов, вход которого 50 подключен к выходу делителя частоты, . блоком задержки, вход которого подключен к выходу формирователя строб-импульсов, а выход - к установочному входу счетчика, элементом И, входы котооого55 подключены соответственно к выходу счетчика и к выходу формирователя строб-импульсов, дешифратором, вход которого подключен к выходу элемента И и регистратором; вход которого соединен с выходом

40 дешифратора.

На чертеже приведена блок-схема измерителя толщины покрытия.

Измеритель содеркит измерительный

1 и опорный 2 генераторы, первый коммутатор 3, частотный модулятор 4, измери-.

45 тельный 5 и образцовый 6 емкостные датчики, смеситель 7, входы которого подключены к выходам генераторов 1 и

2, генератор 8 синхросигналов, полосовой фильтр 9, включенный на выходе сме»50 сителя 7, делитель 10 частоты, формирователь 11 импульсов, включенный на выходе полосового фильтра 9, второй коммутатор 12, фаэоинвертор 13, форми рователь 14 строб-импульсов, вход кото- 55 рого подключен к выходу делителя 10 частоты, частотный детектор 15, реверсивный счетчик 16, блок 17 задержки, 35 4 вход которого подключен к выходу формирователя 14, элемент И 18, избирательный усипитель 19, синхронный детектор 20, подключенный к выходу усилителя

19; дешифратор 21, включенный на выходе элемента И 18, и регистратор 22, включенный на выходе дешифратора 21.

Измеритель работает следующим образом.

Выходные сигналы с измерительного и опорного генераторов 1 и 2 поступают на смеситель 7. Выходной сигнал опорного генератора 2 модулируется напряжением прямоугольной формы с частотного модулятора 4, Частота модулируюшего напряжения равна частоте Я, задаваемой сигналом с выхода генератора 8 синхросигналов. При этом в первый полупериод частоты Я выходной сигнал опорного гене1 ратора 2 имеет частоту о2, а во второй полупериод Jl/ß =40 . Частота сигнала измерительного генератора 1 определяется параметрами емкостных датчиков с измеряемым объектом и контрольным образцом, периодически подключаемых к часто-! тозадаюшей цепи измерительного генератора 1. Первый коммутатор 3 управляется сигналом прямоугольной формы.с делителя

10, частота которого также задается генератором 8 синхросигналов и равна

Яjn, где n - целое число. В первый полупериод частоты Я/n, когда подключен образцовый емкостной датчик 6 (режим коррекции), частота измерительного гене- ратора 1 равна ы„, а при подключении измерительного емкостного датчика 5 (режим измерения) частота измеритель1ного генератора 1 равна но„ . Параметры датчиков и частоты опорного генератора

2 подбираются так, чтобы в отсутствие измеряемого объекта и контрольного образца и при введении их в зоны чувствительности соответствующих датчиков сохранялось условие

ЮХС (ш ы) ю2 () Росле смешивания выходных напряжений генераторов 1. и 2 в смесителе 7 и выделения полосовым фильтром 9 сигнала разностной частоты на вход формирователя 11 импульсов с выхода полосового фильтра 9 поступает частотно-модулированное напряиэние с частотой модуляции Я и несушими частотами ы, ю", щ ц, и (Ч и), соответствующими полупериоду модулируюшего сигнала Л/Я и сигнала (с полупериодом J7n/Я ), управляющего первым коммутатором 3 и задающего режимы ра5 977935 4 боты измерителя. Следовательно в первый ах - дополнительная расстройка часполупериод 3ЪЯ(режим коррекции) полосо- тоты w вызванная подключео вым фильтром выделяется частотно-модули- нием к частотозадаюшей цепи ровайный сигнал с несушими частотами, измерительного емкостного датравными в первый полупериод 3 чика 5 с измеряемым объектом и зависяшая от различия техно° О

2 логических параметров измеряе а во второй полупериод Jl!ß мого объекта и контрольного

tl

О 2 2, +ц(образца;

1421O u) = — — частота измерительного генера2

Соответственно s режиме измерения (вто- - тора 1, соответствуюц(ая на рой полупериод Уп/Я ) несушие частоты частотной оси точке, симметрич- . выделяемого частотно-модулированного ной относительно частот щ и сигнала равны в первый полупериод 3I/O ц1о опорного генератора 2.

)(1! ((1 Я(15 При этом предлагается, что в отсутствие измеряемого объекта и контрольного а во второй полупериод ((/Я образца параметры измерительного и об(Ч

М = и1, (.( разцового емкостных датчиков 5 и 6 идентичны (датчики выполнены на одной

На.выходе формирователя 11 импульсов, щ подложке по единой технологии и соединеявляюшегося одновременно амплитудным ны по дифференциальной схеме), и что ограничителем, устраняюшим паразитную под воздействием внешних факторов(климатиамплитудную модуляцию сигнала, появят. ческие условия и пр.) изменения их пара« ся периодические последовательности паметров эквивалентны. кетов импульсов. Частота импульсов в

И Усиленный избирательным усилителем пакете (длительность пакета ((/Я ), paa19, настроенным на частотуъс и преобра ная частоте поступаюшего в данный полузуюшим напряжение прямоугольной формы период.Ууъс входного разностного сигнала, в синусоидальное, сигнал поступает в синпериодически изменяется (с частотой мохронный детектор 20, на опорный вход дуляции и i, принимая в пределах одной рр которого подается напряжение с генерапоследовательности (одного полупериода тора 8 синхросигналов частоты зс . Так

Лп/Я ) поочередно два значения - либо

111 М как выход синхронного детектора 20 соещ ию, либо цо и и) . После преобразодинен с управляюшим входом измерительвания импульсов частотно-модулированноного генератора 1, то изменения амплиго напряжения в частотном детекторе .15 туды выходного сигнала детектора (имеюна выходе последнего выделится амплитуд" шего форму пакетов выпрямленных полу- . но-модулированное напряжение с несушей, волн длительностью Tin /Q), пропорциональчастотойЯ и огибаюшей частоты (./и . ные измеряемой величине ЬХ, воэдейст-. . Амплитуда сигнала несушей частоты бувуют на частоту измерительного генератодет пропорциональна девиации разностной ра 1, изменяя ее таким образом, чтобы частоты д1 - в режиме коррекции (перв оба полулериода Мир (в оба такта равый полупериод (n/Я ) и (с((.дс! — в ре- боты измерителя) выполнялись условия жиме измерения, причем баланса частот генераторов 1 и 2: (дь|(О 1(1О3 - ш )

1У,1 0 1 1ш ы (где с - суммарная расстройка частоты

tlat измерительного генератора

1 с образцовым емкостным датчиком 6 в частотозадаюшей цепи, вызванная параметрами контрольного образца и аддитивной составляюшей погрешности первичного преобразователя и прямого канала преобразования сигнала;

ы„ы2- ы2 ш1 (4)

1 (2= оа

1 c точностью до ошибки некомпенсации замкнутой системы, состояшей из звеньев

7, 9, 11, 15, 19, 20, 1. Причем величина некомпенсации пропорциональна величинам сФЦ и (d+gy(в соответствуюший полупериод ТТп./Я. Измеряемый технологи.ческий параметр, пропорциональный. величине йх, определится; исходя из соотношений (.2) и (3), как

1ЬХ! 12 М 1Ч !Ж1 Ы1 Ц (Ь) 7 9779

Реверсивный счетчик 16, на счетный вход которого поступает импульсный частотнс модулированный сигнал с выхода формирователя 11 импульсов, выполняет операции вычисления величины 5tt по за 5 данному соотношением (6) алгоритму, при этом на его счетный вход периодически поступают пакеты импульсов (частота следования паиьтов Я ), частота которых в первый полупериодТп/Я равна M или Ы >,.а во второй полупериод.3Ъ/QM л или u} . Одновременно на управляющий вход реверсивного счетчика 16 поступают синхросигналы с генератора 8 через второй коммутатор 12, управляемый делителем ™

10 частоты, причем суммирование импульсов, поступающих на счетный вход, происходит при высоком уровне напряжения синхросигнала, а вычитание - при низком.

В первый полупериод Лп/Я (режим кор-® рекции) в результате чередования операций сложения и вычитания импульсов числовое значение кода реверсивного счетчика будет равно д фЯ а во второй полупериод Уп/Я (режим измерения) к выходу генератора 8 синхросигналов подключается фазоинвертор 13 и происходит инверсия управляющего напря- ЗЕ жения, т.е. очередность операций суммирования и вычитания изменится на противоположную, в результате чего показания реверсивного счетчика изменятся на величину ЭЗ ш ч2

4Я

При этом результирующий выходной код реверсивного счетчика за период 2)ЮЯ работы измерителя станет равным 40 м = и Ки2!- Ои)- (lit øt÷»= п д сч}

0 т.е. когда изменение частоты w измерительного генератора 1 ттд воздействием параметров измерительного и образцового емкостных датчиков 5 и 6 с измеряемым объектом и контрольным образцом будут одного знака. Это условие выполняется при соответствующем подборе параметров контрольного образца, относительно которого ведутся измерения.

По окончании управляющего импульса с делителя 10 частоты формирователь 14 строб-импульсов выдает сигнал, разрешающий прохождение информационного сигнала, с выхода реверсивного счетчиха 16 через .элемент И 18 на дешифратор 21 и, далее, на регистратор 22. Время индикации результата измерения определяется перио.дом 2Лп/Я, а время перезаписи результата с выхода реверсивного счетчика 16 в дешифратор 21 определяется временем задержки блока 17, по истечении которого выходной сигнал с формирователя 14 строб-импульсов, пройдя блок 17 задержки, поступит на,установочный вход реверсивного счетчика 16 и переведет все его разряды в состояние. О". Разрядность счетчика определяется максимальным числом импульсов, поступающих на его счетный вход за пауупериод Уп/Я., и величиной коэффициента деления р делителя 10, т.е., исходя из соотношения (7.), разрядность реверсивного счетчика должна быть не меньше, чем величина

Х rnct> Ù t Wtt ®ttt WW (W t п1 1

--2 2 (Mttt ш!ЧР1

2! и не будет зависеть от величины суммарной расстройки с, которая определяется 43 как параметрами контрольного образца, так и аддитивной погрешностью, связанной с дрейфом первичного преобразователя

t и прямого тракта усиления и выделения измерительной информации. И

Как следует из описания режимов работы реверсивного счетчика и соотношений (6) и (7), однозначное соответствие выходно- го кода счетчика Nt измеряемому технологическому параметру д < будет соблю- Я даться лишь при условии

2 (1 12 1

Для простоты отсчета результата измерений коэффициент деления и выбирается кратным двадцати, что приводит при считывании результата к переносу запятой. Кроме того, необходимо соблюдение условия, согласно которому частота синхросигналов должна быть меньше частоты переключаемых сигналов ФЯ<<щ п Jul ш", t0,Ю ) << 4>2.

Для .устранения погрешности измерения, связанной с неидентичностью параметров емкостных датчиков, производится нредварительная "установка нуля . Измеряе мый объект и контрольный образец вы10

935

О и)1= 1 «™1

9 977 водятся из зон чувствительности соответ ствуюших емкостных датчиков и с помошью подстроечных элементов частотозадаюших цепей измерительного 1 и опорного 2 генераторов добиваются выполнения условий баланса частот генераторов (4) и (5). В этом случае частоты измерительного генератора 1 станут равными между собой и установится равенство частот разностных сигналов ШI-ион u3 « ШIn ш(ч

1$ где из — среднее значение частоты разностного сигнала, выделяемого полосовым фильтром 9, Тогда, согласно выражению (7), показания регистратора 22 установятся в "0 . 20

Таким образом, использование в измерителе замкнутой структуры аналогового тракта позволяет уменьшить влияние нестабильностей прямого канала усиления и выделения измерительной информации, 2$ а введение двухтактного режима работы с коррекцией измеряемого технологического параметра по образцу в цифровой части, реализуюшей операцию вычитания аддитивной составляющей погрешности из Эф суммарного сигнала, дает воэможность повысить точность измерения. Кроме того, благодаря чередованию операций суммирования и вычитания, а также инверсии очередности этих операций, между тактами коррекции и измерения уменьшается разрядность реверсивного счетчика, при этом заданная точность может быть обеспечена эа счет увеличения коэффициента деления п делителя час-10 тоты.

Формула изобретения генератора синхросигналов, а выход - c: управляющим входом опорного генератора, смеситель, входы которого соединены с выходами измерительного и опорного генераторов, последовательно соединенные с выходом смесителя, полосовой фильтр, формирователь импульсов, частотный детектор, избирательный усилитель, синхронный детектор, опорный вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов, а выход» с управляюшим входом иэ» мерительного генератора, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью погышения точности измерения, он снабжен обраэцо» вым емкостным датчиком, первым комму» татором, входы которого соединены с выходами соответственно измерительного и образцового емкостного датчиков, а вы ход - с входом измерительного reHepa ра, реверсивным счетчиком, счетный вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, фазоинвертором, выход которого подклююн к управляющему входу. счетчика, вторым коммутатором, вход которого соединен с выходом генератора синхросигналов, а выходы соответственно с входом фазоинвентора и с управляющим входом счетчика, делителем частоты, вход которого подключен к выходу генерВтора синхросигналов, а выход - к управляюшим входам коммутаторов, формирователем строб-импульсов, вход которого подключен к выходу делителя частоты, блоком задержки, вход которого подключен к выходу формирователя строб«импульсов, а выход - к установочному входу счетчика, элементом И, входы которого подключены соответственно к выходу счетчика и к выходу формирователя строб-импульсов, дешифратором, вход которого подключен к выходу элемента И и регистратором, вход которого соединен с выходом дешифратора.

1$

Измеритель толщины покрытиядвухслойных. диэлектрических материалов, содержащий измерительный и опорный генерато- ры, измерительный емкостный датчик, генератор синхроснгналов, частотный моду$0 лятор, вход которого соединен с выходом

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США № 4048844, кл. 4 01 N 27/22, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2868124/18-21 (003151) кл. 5 01 М 27/22 (прототип). 977935 г

Составитель В. Николаев

Редактор Н. Сташишина Техред Л.Пекарь . Корректор Ю. Макаренко

Заказ 9198/54 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4