Способ неразрушающего контроля объемного электрического заряда в диэлектрических материалах

Союз СоветскмхСоцмалмстнческмхРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУдо делам наабретений и открытий(53) УДК 621.319, .74 (088,8) Дата опубликования описания 23.11.82(71) Заяви Ордена Трудового Красного Знамени инстхимии АН СССР(54) СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ15 Цель изобретети контроля.Эта цель пост оно способу неразр объемного электр лектрических мат ния к электродам повышение точносигается тем, что согла ушаюшего контроляического заряда в диэериалах путем приложеналоженным на исслесигнала возбжления емь териа зобретение относится к технике измерения электрического заряда в диэлек, трических материалах и может быть использовано в электротехнической и радиоэлектронной промышленности, а также в научно-исследовательских и заводских лабораториях для неразрушаюшего контроля внутренних электростатических зарядов в диэлектриках и разработку способов борьбы с вредными их проявлениями.Известен способ неразрушаюшего контроля объемного заряда, основанный на измерении распределения поля или потенциала в объеме материала и последующем вычислении распределения заряда по формуле электростатики 1Однако при этом необходимо знание параметров диэлектрика, в частности диэлектрической проницаемости, которые должны измеряться дополнительно. Это затрудняет контроль распределения заря. да и снижает его точность. Наиболее близким к предложенному является способ неразрушаюшего кон троля объемного электрического заряда в диэлектрических материалах путем приложения к электродам, наложенным на, исследуемый материал, сигнала возбуждения и измерения выходного сигнала, характеризующего реакцию материала на указанное возбуждение 23 .Однако и этот способ не обеспечивает высокой точности контроля, так как для его реализации также необходимо знать диэлектрические свойства исследуемого материала, измерить которые не всегда удается, а задание их по аналогии дает значительные ошибки в определении заряда.96507 3и измерения выходного сигнала, характеризующего реакцию материала на указанное возбуждение, используют в качестве сигнала возбуждения импульс напряжения между электродами, создающий в области исследования напряженность поля 10 10 - длительностью3 6 В1 СГф с а в качестве выходного сигнала - величину отклонений участков поверхности исследуемого материала от1 о невозмушенного состояния в различные моменты времени.На фиг. 1 показано изменение во времени сигнала датчика продольных волн;на фиг, 2 - изменение во времени сигна ла датчика поперечных волн в кристалле Ь 1 С при воздействии на него импульсом электрического поля,Способ основан на том, что воздействие импульса электрического поля приводит к возникновению в объеме материала механического импульса, величинаи распределение которого однозначно соответствует величине и распределению добъемного заряда в образце. В результате этого в материале формируется бегущая волна деформации, а на поверхности возникает механическое смешение, величина и измерение во времени которогоописывают распределение заряда в объеме материала. Смещение на поверхностиобъекта контроля может быть преобразовано в электрический сигнал при помощи пьезодатчиков, размещенных на по 35верхности образца, Регистрацию электрического сигнала можно производить,например, осциллографически,Чуствительность данного способа определяетсявеличиной и длительностью прилагаемого импульса внешнего поля;пространственное разрешение определяется длительностью импульса. Таким образом, минимальная длительность импульса 10с определяется необходи мостью достаточной чувствительности, а максимальная - 10 с - требованием-Ьдостаточного пространственного разрешения для практически интересных размеров образцов (до 2,5.10 2 м) различ ных материалов. Максимальная величина внешнего поля определяется напряжением пробоя для диэлектриков и не превышает 10 В/м; минимальная - 10 В/м 8 3должна быть достаточна для определения 55 распределения заряда в образцах большого размера с необходимым разрешением. 4П р и м е р 1, Измеряют объемный электрический заряд в образце алюмоиттриевого гранта в виде пластины толшиной 10м. Необходимое пространственное разрешение составляет 10 м. Амплитуда импульса внешнего электрического поля 10 В/м. При скорости8звука в материале 10 м/с длительность4импульса внешнего поля определяется пространственным разрешением и равна 10 9 с, В качестве датчиков деформации используется кристалл Ь 1+ЬОПри этих условиях получена чувствительность измерения, равная 10 Кл/м,3П р и м е,р 2, Образец полиметакри;лата имеет толщину 2,5 10 м. Пространственное разрешение принимается равным 0,25 10"2 м. При данном пространственном разрешении необходимая длительность импульса составляет 10 с. При использовании в качестве датчика кристалла 1 ЙЬО 5 для получения чувствительности 10 5 Кл/м требуется ам 3плитуда импульса внешнего электрического поля, равная 10 В/м. Особенностью данного способа явля ется то, что при подаче импульса возбуждения в образце генерируются как ,продольные, так и поперечные волны деформации. Следовательно, для их регистрации можно использовать датчики деформации растяжения-сжатия и датчики деформации сдвига, Таким образом, можно одновременно регистрировать распределение электрического заряда вдоль различных направлений в образце.П р и м е р 3. Кристалл Ь 1 С заряжен пучком электронов с энергией 1 МэВ. Для создания внешнего импульса электрического поля используют генератор с длительностью импульса 3 "10с и амплитуда 10 В, при этом создается4напряженность электрического поля -10 В/м. Ддя измерения акустического сигнала датчик продольной волны размещается на той же поверхности, что и один из электродов возбуждения, датчик поперечной волны - на поверхности нормальной к плоскости электрода, В качестве датчика продольной волны используется кристалл Ь 1 ЙЬО 5(2 срез), датчика поперечной волны - ЬМЬО(Х срез). Скорость продольных волн в материале составляет 8 10 м/с (фиг. 1),3поперечных - 6-10 м/с (фиг. 2). Ве 3дичина сигнала датчика, равная 10В, соответствует величине плотности объемного заряда, равной 10 Кл/м .5 97Достоверность результатов, получен-ных данным способом, проверялась методами акустического зонда и термически ким. Все измерения для идентичных образцов дали сходные результаты, Наблюдавшиеся незначительные расхождения можно отнести за счет возможной неоднородности диэлектрическихсвойств материалов, оказывающих влияние при использовании способов акустического зонда.и термического.Таким образом, преимушество данного способа по сравнению с известными состоит в возможности прямого измерения объемного электрического заряда и снижении влияния свойств материала на результат измерений, что повышает точность контроля,формула изобретенияСпособ неразрушаюшего контроля объ емного электрического заряда,в диэлектрических материалах путем приложения 6507 6к электродам наложенным на исследуемый материал, сигнал возбуждения и измерения выходного сигнала, характеризуюшего реакцию материала на указанноевозбуждение, о т л и ч а ю ш и й с ятем, что, с целью повышения точностиконтроля за счет снижения влияниясвойств материала на результат измерений, используют в качестве сигнала1 О возбуждения импульс напряжения междуупомянутыми электродами, создающий вобласти исследования напряженность поля 10 +10 -у длительностью 10 +э 88 -910 Ь с, а в качестве выходного сигна 15 ла - величину отклонений участков поверхности исследуемого материала отневозмушенного состояния в различныемоменты времени,Источники инфбрмации,щ принятые во внимание при экспертизе1. "Известия ВУЗов. физика", 1974,%11, с. 99,2, Авторское свидетельство СССРно заявке % 2877401/18-21,23 кл. С 01 Р 29/24, 1980 (прототип).Корректор О. Билак филиал ППП"Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 9016/79 Тираж 862 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений н открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5