Устройство для измерения электростатических зарядов материалов

СОЮЗ СОЭЕТСНИХ .СОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИК С 01 К 29/ все "ощй,Ййо 4 ЦОтЯЯ ЕТЕЛЬСТВУ Н ДВТОРСК сотоклю ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Патент США В 3887877, кл. 330-10 э 19762. Авторское свидетельство СССР ф 900221, кл. С 01 К 31/00, 1980 (прототип).(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ МАТЕРИАЛОВ,содержащее заземленное основани для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительным элек родом, усилитель, потенциальный вхо ной вывод которого подключен к измерительному электроду, синхронный детектор, сигнальный вход которого единен с выходом усилителя, модуляр, один из выходов которого подчен к управляющему входу синхронного детектора, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения надежности в работе и расширения диапазона измерения, в емкостной зонд введены заземленный электрод с отверстием, пластина из сегнетоэлектрика и два модулирующих электрода, а модулятор выполнен в виде генератора переменного напряжения с противофазными выходами, причем пластина из сегнетоэлектрика установлена в отверстии заземленного электрода между измерительным электродом и исследуе мым образцом, а модулирующие электро- у ды нанесены на боковые грани власти- ЬВВ ны и соединены с выходами модулятора. С"1112318 Устройство содержит заземленноеоснование 1 для крепления исследуемого образца 2, емкостной зонд 3 сизмерительным электродом 4, заземленным электродом 5, пластиной 6 изсегнетоэлектрика и модулирующими 15 электродами 7 и 8, усилитель 9, синхронный детектор 1 О,модулятор 11, выполненный в виде генератора переменного напряжения с противофазными 1Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при испытаниях диэлектрических и полупроводниковых материалов на электростатическую зарядку еИзвестно устройство для измерения электростатических зарядов материалов, содержащее заземленное основание для крепления исследуемого образца, не подвижный емкостной зонд, выход которого подключен к входу узла регистрации, электромеханический модулятор, выполненный в виде диска с отверстиями, насаженного на ось синхронного 15 двигателя и расположенного между емкостным зондом и исследуемым образцом 13.Недостатки устройства заключаются в невысокой достоверности результатов измерения, обусловленной чувствительностью к воздействию внешних факторов, а также в низкой эксплуата.ционной надежности, предопределенной наличием механических, в .астности вращающихсяузлов. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения электростатических зарядов материалов30 содержащее заземленное основание для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительным электродом в виде тонкой консольной балки,усилитель низкой частоты, потенциальный входной вывод которого подключен к измерительному электроду, два синхронных детектора, сигнальные входы которых соединены с выходом усилителя низкой частоты, а выходы - с входами блока вычитания, модулятор, механический выход которого связан с .измерительным электродом, а один из электрических выходов подключен к управляющим входам синхронных детекторов, изолированный проводящий элект 4 род, установленный на заземленном основании под емкостным зондом, усилитель постоянного тока, вход которого соединен с выходом одного из синхронных детекторов, блок сравнения входы которого подключены к выходам блока вычитания и усилителя постоянного тока, источник опорного напряжения, потенциальный вывод которого соединен сизолированным проводящим электродом, а управляющие входы - с выходом блока сравнения ц с другим электрическим выходом модулятора,индикатор, включенный между изолированным проводящим электродом и шинойнулевого потенциала 23.Недостатки известного устройствазаключаются в невысокой эксплуатационной надежности вследствие значительной конструктивной сложности ивесьма узком диапазоне измерения иэза невозможности функционирования вобласти высоких потенциалов, вызывающих пробои между исследуемым образцом и емкостным зондом.Цель изобретения - повышение надежности в работе и расширение диапа.зона измерения.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройстве для измеренияэлектростатических зарядов материалов, содержащем заземленное основание для крепления исследуемого образца, емкостной зонд с измерительнымэлектродом, усилитель, потенциальныйвходной вывод которого подключен кизмерительному электроду, синхронныйдетектор, сигнальнчй вход которогосоединен с выходом усилителя, модулятор, один из выходов которого подключен к управляющему входу синхронного детектора, в емкостной зондвведены заземленный электрод с отверстием, пластина из сегнетоэлектрика и два модулирующих электрода,а модулятор выполнен в виде генератора переменного напряжения с противофазными выходами, причем пластинаиз сегнетоэлектрика установлена в отверстии заземленного электрода междуизмерительным электродом и исследуемым образцом, а модулирующие электроды нанесены на боковые грани пластиныи соединены с выходами модулятора.На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройствадля измерения электростатических за-.рядов материалов, дополненная трактомрегистрации эталонной величины зарядадля исключения мультипликативнойпогрешности измерения,0 Если под действием каких-либо внешних факторов (например, в результате воздействия потока заряженных частиц) исследуемый образец 2 приобретает электростатический потенциал,выходами. Кроме того, на схеме показаны дополнительно используемые источник 12 опорного напряжения, эталонный образец 13, емкостной зонд 14 с измерительным электродом 15, заземленным электродом 16, пластиной 17 из сегнетоэлектрика и модулирующими электродами 18 и 19, усилитель 20, синхронный детектор 21, аналоговый делитель 22. Пластина 6 из сегнетоэлектрика установлена в отверстии заземленного электрода 5 между измерительным электродом 4 и исследуемым образцом 2, модулирующие электроды 7 и 8 нанесены на боковые грани пластины 6. Лналогичным образом сопряжены между собой составные элементы емкостного зонда 14. Модулирующие электроды 7, 8 и 18, 19 соединены с противофазными выходами модулятора 11, потенциальные входные выводы усилителей 9 и 20 подключены соответственно к измерительным электродам 4 и 15, сигнальные входы синхронных детекторов 10 и 21 соединены соответственно с выходами 25 усилителей 9 и 20, управляющие входы - с одним из выходов модулятора 11, а выходы - с входами аналогового делителя 22, выход источника 12 опорного напряжения подключен к эталонному образцу 13.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии при отсутствии потенциала на исследуемом образце 2 сигнал 0 на измерительном электро 35 де 4 емкостного зонда 3 отсутствует, ,а сигнал О на измерительном электроде 15 емкостного зонда 14 пропорционален величине напряжения источника40 12 опорного напряжения. Так как напряжение на входе усилителя 9 равно нулю, то напряжение на выходе синх.ронного детектора 10 и первом входе аналогового делителя 22 также равно45 нулю. Напряжение на втором входе аналогового делителя 22 соответствует величине измеряемого емкостным зондом 14 эталонного напряжения. Поскольку выходное напряжение аналогового дели 50 теля 22 пропорционально отношению напряжений 04 и ОЗ, оно также находится на нулевом уровне. то на измерительном электроде 4 появляется переменное напряжение с частотой, равной частоте модулятора 1 1,вследствие периодического изменениядиэлектрической проницаемости пластины 6 и периодического перезарядаемкости, образованной поверхностямисследуемого образца 2 и измерительного электрода 4, Переменное напряжение на измерительном электроде 4оказывается пропорциональным величине электростатического потенциалаисследуемого образца 2, В этом случае усиленное напряжение на выходахусилителя 9, синхронного детектора10 и на первом входе аналогового делителя 22 также пропорционально величине измеряемого электростатического потенциала, а, следовательно,выходное напряжение аналогового делителя 22 является мерой измеряемогозаряда. Под влиянием температурных и временных факторов диэлектрическая проницаемость пластин 6 и 17 может изменяться, что приводит к изменению напряжений на измерительных электродах 4 и 15 емкостных зондов 3 и 14. Однако вследствие идентичности зондов 3 и 14 и, в частности, пластин 6 и 17 диэлектрическая про" ницаемость последних изменяется в одинаковой степени, В такой же пропорции изменяются напряжения на входах аналогового делителя 22, а результирующий выходной сигнал остаегся постоянным (при постоянном заряде исследуемого образца 2).Благодаря противофазности напряжений, подводимых от модулятора 11 к модулирующим электродам 7, 8 и 18, 19 пластин 6 и 17, электростатические наводки на измерительные электроды 4 и 15 являются минимальными и могут быть снижены практически до нуля перемещением измерительных электродов 4 и 15 в небольших пределах относительно пластин 6 и 17.Повышение эксплуатационной надеж ности предлагаемого устройства достигнуто за счет полного исключения из его конструкции. движущихся и вибрирующих узлов и деталей. Предлагаемое устройство характеризуется, кроме того, широким диапазоном измерения (расширенным в область высоких значений электростатических зарядов),1112318Составитель Л. МорозовРедактор А. Мотыль Техред М,Кузьма Корректор М. Максимишинец Заказ 6453/31Тираж 710 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 поскольку каждый используемый емкостной зонд имеет в своем составе охранный электрод, геометрические размерыкоторого позволяют обеспечить равномерность электрического поля междуповерхностями исследуемого образца и зонда при сколь угодно больших потенциалах. В данном случае исключает" ся возможность высоковольтного пробоя между измерительным электродом зонда 5. и исследуемым образцом н выхода изстроя измерительного усилителя.