Диэлькометрический датчик

(56) 1, Авторское свидетеЛьство СССРВ 371532, кл. 0 01 й 27/26,1972.2. Авторское свидетельство СССР9 333489, кл. О 01 й 27/26, 1971(54)(57) ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК содержащий компланарные низкопотенциальные электроды, расположенные симметрично относительно центрального высокопотенциального электрода на диэлектрической подложке, ипереключатель, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности послойного контроля слоиатых сред, неметаллических материалов и изделий, в него введены выравнивающие резистивные элементы, .емкостный накопитель и операционный усилитель с формирователем выходного сигнала, причем ближайший к центральному электроду ниэкопотенциальный электрод соединен выравнивающим резистивным элементом с емкостным накопителем, подключенным к входу операционного усилителя, а остальные низко- потенциальные электроды соединены отдельными выравнивающими резистивными элементами со средними выводаИ ми переключателей, нормально замкну- ф тые контакты которых подключены .к эквиваленту входного сопротивления операционного усилителя.Изобретение относится к технике послойного контроля однородности Физических параметров слоистых сред, неметаллических материалов и .изделиЯ и может быть использовано в.неразрушающем контроле, в толщинометрии диэлектрических покрытий при одностороннем доступе к ним, а также в качестве тактильного датчика для робототехники,.Известно устройство для неразрушающего послойного контроля диэлект.- рических свойств материалов, содер, жащее накладной измерительный конденсатор с изменяемым межэлектродным промежутком, который соединяет ся с.мостовой измерительной цепью или с колебательным контуром измерительного генератора 1 .В устройстве при компланарных электродах поток плотности электри ческого поля весьма неравномерно распределен по зоне контроля, что приводит к большой неравномерности разрешения и невысокой точности контроля. 25Наиболее близким к предложенному является устройство, содержащее компланарные ленточные электроды, расположенные симметрично относительно центрального высокопотенциального. электрода на диэлектрической подлож.ке, и двухпозиционный переключатель, одни контакты которого соединены с электродами таким оразом, что при переключении .получают минимальную глубину проникновения поля в исследуемый материал, а другие максимальную 2 .Недостатком известного устройства является низкая точность измере. ния. 40Цель изобретения - повышение точности послойного контроля однородности физических параметров слоистых сред, неметаллических материалов и иэделий. 45Поставленная цель достигается тем, что в диэлькометрический датчик содержащий компланарные низкопотенциальные электроды, расположенные симметрично относительно центрального высокопотенциального электрода на диэлектрической подложке, и переключатель, введены выравнивающие резистивные элементы, емкостный накопитель и операционный усилитель с Формирователем выходного сигнала, причем ближайший к центральному электроду низкопотенциальный элект- род соединен выравнивающим резистивным элементом с емкостным накопителем, подключенным к входу операцион ного усилителя, а остальные низко- потенциальные электроды соединены отдельными выравнивающими резистив" ными элементами со средними выводами переключателей, нормально замкну тые контакты которых подключены к эквиваленту входного сопротивления операционного усилителя.На фиг, 1 изображена электрическая схема диэлькометрического датчика; на фиг. 2 - диэлькометрический датчик, продольный разрез 5 на фиг. 3- то же, вид сверху; на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 2.Диэлькометрический датчик содержит верхнее диэлектрическое основание 1 с компланарными электродами 2 и центральным высокопотенциальным электродом 3, выравнивающие резистивные элементы 4, соединяющие низкопотенциальные элевтроды 2 с переключателем 5, емкостный накопитель б на входе операционного усилителя 7, эквивалент входного сопротивления усилителя 8 и формирователь 9 выходного сигнала, подключенный к выходу усилителя.Диэлькометрический датчик фиг.2 выполнен на дискретных компонентах РЭА, в частности, с двумя магнитоуправляемыми переключателями, однако при требовании меньшей дискретности послойного неразрушающего контроля преобразователь может иметь ш низкопотенциаю 1 ьных электродов и (а) каналов переключателя, Допустимые значения Ф определяются только коэффициентом усиления операционного усилителя 7 и допустимой амплитудной зондирующего импульса напряжения, подводимого к высоко- потенциальному электроду 3.Ленточные электроды 2 и 3 и выравнивающие резистивные элементы 4 изготавливаются путем вакуумного напыления на пластинах поликора или ситала . с последующим нанесением защитного изоляционного покрытия. Верхее диэлектрическое основание 1 размещено на верхней диэлектрической прокладке 10 с малой диэлектрической проницаемостью, Ленточные электроды 2 и 3 соединяются через. металлизированные отверстия посредством контактных металлических штырей с выравнивающими резистивными элементами 4; расположенными на нижнем диэлектрическим основании 11, установленном на нижней диэлектрической прокладке 12. В низкопотейциальной зоне выравнивающих резистивных элементов 4 расположены полоски экранирующего покрытия, которыми образуются активно-емкостные отрезки линий с распределенными параметрами. Высокопотенциальный электрод 3 соединен с центральным проводником коаксиального кабеля, а его оболочка - с экранирующим покрытием низкопотенциальной эоны выравнивающих резистивных элементов 4 и общим корпусом - экраном 13.55 где В.60 65 Укаэанным коаксиальным кабелемосуществляется подвод импульсногонапряжения от внешнего источника кдиэлькометрическому датчику. Верхнеедиэлектрическое основание 1, верхняя прокладка 10, нижнее диэлектрическое основание 11 и подводящийкоаксиальный кабель путем клеевогосоединения образуют единое целое,Выводы выравнивающих резистивных элементов 4 и емкостный накопитель бнаходятся в экранируемой области исоединяются монтажным жгутом с выводами контактов переключателей 5 наплате операционного усилителя 14.Процесс формирования выходногосигнала поясняется электрическойсхемой диэлькометрического датчика(фиг. 1),К высокопотенциальному электроду 3 подводится импульс напряжения,например отрицательный, по длительности превышающий время установле ния электрического поля в испытумомобъекте, Поток электрического поляс высокопотенциального электрода 3на низкопотенциальные 2 расчленяет-.ся на части, соотношение между которыми определяется распределениемполя в испытуемом объекте. Токи смещения через отдельные низкопотенциальные электроды 2 однозначноопределяются динамикой потокораспределения электрического поля и фиксируются изменениями напряжения наемкостном накопителе б и, так каксопротивление любого резистивногоэлемента 4 превышает входное сопротивление усилителя б, указанноеквазистационарное распределение поля в объете контроля практически неменяется при изменении положения контактов переключателя 5.Изменение геометрических илиэлектрофизических характеристикобъекта контроля приводит к соответствующим изменениям уровней переходного напряжения на емкостном накопителе б, которые передаются на инвертирующий вход операционного усилителя 7. Напряжение с выхода операционного усилителя 7 поступает навходформирователя 9 выходного сигнала, состоящего, например, из резистора и обращенного диода, При увеличении положительного потенциала навыходе операционного усилителя 7 обращенный диод переключается из состояния низкого сопротивления в состояние высокого сопротивления и формируется передний фронт выходногосигнала. При уменьшении указанногопотенциала в течение некоторого времени.происходит обратное переключение обращенного диода и формируетсязаданный фронт выходного сигнала.Информативными параметрами предлагаемого диэлькометрического дат 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 чика являются относительные изменения длительностей выходных сигналов при последовательной во времени и пространственно упорядоченной коммутации низкопотенциальных электродов переключателя 5. Процесс установления электрического пьля в неоднородном в несовершенном диэлектрике определяется двумя Факторами - быстрым переходным процессом начального этапа и относительно медленным переходным процессом накопления объемного заряда на неоднородностях при соответствующем перераспределении электрического поля по контролируемому объекту. Начальный этап перекодного процесса характеризуется токами заряда частичных емкостей в системе. компланарных электродов диэлькометрического датчика. Эти токи протекают через резистивные элементы 4,. выравнивающие распределение плотностей тока через секционированный ниэ.- копотенциальный электрод. Переходной процесс накопления объемного электрического заряда на неоднородностях также приводит к появлению уравнительных токов через резистивные элемеНты 4. Выбор параметров резистивных элементов 4, емкостного накопителя б и входной цепи операционного усилителя 7 определяет, какой из указанных факторов процесса установления электрического поля в исследуемом объекте блоее существенеый для выбранного класса объектов контроля. От выбранного класса объектов контроля зависит и режим зондирования, а именно частота повторения одиночных импульсов или частота следования импульсов в пакете. Верхняя допустимая частота следования импульсов и скважность определяются временными характеристиками релаксационных процессов в диэлектрике испытуемого материала или изделия.Временный интервал Т между зондирующими импульсами выбирается таким, что,переходное напряжение 0 (С ) на накопительном конденсаторе удовлетворяет условиньО,О=Ц.Ь+т:О. (11При этом значения сопротивления выравнивающих резисторов выбираются из соотношения ф "э 4 ь (,2)л) й ф 4,ф 2,вФфкз Ю сопротивление выравнивающего резистора с номером и, отсчитанным от крайнего низкопотенциального электродафчисло низкопотенциальныхэлектродов;эквивалентное входное сопротивление усилителяфЩ - кваэистационарное значение тппотенциала на низкопотенциальном электроде с номером й при отключенных выравнивающих резисторах иоднородной среде окружающегопространства..Эффективность предлагаемого диэлькометрического датчика обусловлена тем, что он позволяет осуществить измерение отдельных составляющих потока поля в контролируемой среде.В качестве базового объекта рас" 15 смотрены электроемкостный преобраэо- вателВ к отечественному прибору ИДПи аналогичный первичный преобраэо" ватель, выпускаемый серийно канадс кой фирмой "Бапйгоп АцСова 1 оп", 20 типа Ка 8-70-408. Наличие в предлагаемом устройстве выравнивающих .реэистивных элементов между секционированным ниэкопотенциальным электродом и входной частью встроенного вторичного пре обраэователя на основе операционного усилителя позволяет не только повысить точность послойного контроля, но и увеличить глубину эоны контроля в условиях одностороннего доступа к объекту контроля. При увеличении сопротивления резистивных элементов и при соответствующем увеличении амплитуды зондирующих импульсов может быть достигнуто дополнительное повьвюние точности послойного контроля. Амплитуда зондирующих импульсов ограничена только электрической прочностью защитного изоляционного покрытия и электрофизическими свойствами объекта контроля,