Устройство для определения плотности заряда на неровных поверхностях

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) Б 4(5 ВЕККЫЙ КОМИТЕТ СССРИЗОБРЕ П:КИЙ И ОТКРЫТИЙВВИсктета: се ФееЩГГ- с", 19 ЕЛ 13,: 9 Р,ЧЬК 1;К,ЮЮКеат юеюдъеътеъ осПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ а иборв,(21) 3478342/24-21(36) Костенко В.И. н. др. Прдля измерения заряда электрет(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА, НА НЕРОВНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ, содержащее координатор, генератор нивкой частоты, подключенный к модулятору, подвижная системакоторого механически связана с зондом, имеющим возбуждающий электрод,подключенный к выходу генераторавысокой частоты, измерительный элект.род, усилитель низкой частоты, соединенный через синхронный детекторнизкой частоты с индикатором, связанным также с координатором, и селективный усилитель высокой частоты, соединенный через синхронный детектор высокой частоты с модуляторомпричем входы опорного сигнала синхронных детекторов нивкой и высокойчастоты подключены соответственнок выходам генераторов низкой и высокой частоты, а вход опорного сигнала селективного усилителя высокой частоты соединен с выходом генератора высокой частоты через блок на чального уровня, о т л и ч ющ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей, заключающемся в обеспечении измерения на поверхностях с широким диапазоном .величины неровностей н повышения устойчивости функционирования, в него введены М дополнительных зондов и соединенных с ними механичес-. ки й сервосистем через которые последовательно также механически координатор связан с модулятором, по числу дополнительных зондов. вве-дены соединенные с каждым из них последовательно заграждающий фильтр низкой частоты, селективный усилитель высокой частоты и синхронный детектор высокой частоты, подключен" ф ный к соответствующей сервосистеме, причем входы опорного.,сигнала дополнительных синхронных детекторов высокой частоты соединены с выходом генератора высокой частоты, который через И блоков начального уровня подключен к входам опорного сигнала селективных усилителей высокой частоты, измерительный электрод подключен к входу усилителя низкой частоты через введенные дополнительно эа-: граждающий фильтр высокой частоты, а к входу основного селективного уси- ) лителя высокой частоты через заграж дающий фильтр низкой частоты, 1157482Изобретение относится к измерительной. технике и может испольеоваться в электрографии, фазовой рельефографии, дефектоскопии, микроэлектронике, в также в электротехнике, тек стильной и химической промыаленности и при выполнениинаучных исследований.Цель изобретения -"рвсюирение функ. циональных возможюстей устройства, О заключающееся в обеспечении измерения распределения плотности заряда иа поверхйостях с вироким диапазоном величины неровностей, а также повьвение устойчивости функционирования. 15На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - модуля.тор электродинамического типа с одним дополнительным зондом.Устройство содержит зонд 1, сое диненный механически с подвижной системой 2, модулятор 3, состоящий из возбуждающего 4 и измерительного 5 электродов. Возбуждающий электрод 4 подключен к генератору 6 высокой час 2 з тоты, а измерительный электрод 5 соединен с индикатором 7 через заграждающий по высокой частоте фильтр 8, усилитель 9 низкой частоты н синхронный детектор 10, а также с модулятором 3 через заграждающий по низкой частоте фильтр 8, селективный усилитель 11 высокой частоты и синхронный детектор 12 высокой частоты, Входы опорного сигнала синхронных детекторов 10 и 12 связаны соответЗЗ ственно с.генератором 13 низкой частоты, подключенный к модулятору 3, и с генератором 6 высокой частоты, который через блок 14 начального уров ня соединен с вторым входом селективного усилителя 1 высокой частоты.Устройство содержит также дополнительные зонды 15, которые соединены с соответствующими сервосистемами 16 через эаграждвющие по низкой частоте фильтры 17, селективные усилители 18 высокой частоты и синхронные детекторы 19 высокой частоты, связанные по входу опорного сигнала 0 с генератором 6, выход которого через блоки 20 начального уровня соединен с входами опорного сигнала селективных усилителей 18 высокой иастоты. Сервосистемы 16 включены между модулятором 3 и. координатором 21, синхрониэирующим работу индикатора 7. Основной и дополнительные зондыи 15 вместе с модулятором 3 исервосистемами 16 образуют электромеханическую систему телескопичес фкого типа.В устройстве, предназначенном для измерения плотности заряда на неплоской гладкой поверхносфти 22 дополнительный зонд 15 расположен на корпусе 23 модулятора 3, аосновной зонд 1 соединен механически с подвижной системой 2, взаимо"действующей сполем магнита 24 и укрепленной на пружинах диафрагмах 25,Устройство работает следувщим образом.Зонд 1 помещается с помощью координатора 21 нвд заряженной поверхностью 22 на заданном расстоянии ЬВследствие подачи напряжения ьт генератора 13 низкой частоты на модуФлятор 3 подвижная система 2 вместе сосновным зондом 1 соверщает осциллирующие колебания с малой амплитудой Ь 6 по нормали к некоторой базовой плоскости, расположенной надповерхностью 22,На измерительном электроде 5 зонда 1 индуцируется заряд, пропорциональный плотности заряда поверхности 22, который например в случае плоско-параллельного ноля в области расположения зонда 1 можно выразить следующим образом8 Р 1где Н - средняя толщина заряженногослоя с постоянной диэлектрической проницвемостьюб - плотность эарядафЯ - поверхность.Переменная сост вляющая напряжения, пропорциональная заряду ы 1, поале усилителя 9 и детектора О, на который подается опорное напряжение от генератора 13, измеряется индикатором 7.ОМВЗхК -- 6 ЗБ, (Ц ЕЬ 1 з.Н3 1157где К - общий коэффициент передачипо напряжению усилителя 9и детектора 10.При сравнительно быстром относительном перемещении слоя и зонда 3линейная скорость больше О, м/с)целесообразно измерять индуцированный на зонде заряд беэ его преобразования в переменное напряжение начастоте , В этом случае генератор 13 низкой частоты и синхронныйдетектор 10 исключаются иэ схемы,а вместо селективного усилителя 9используется широкополосный, ооединенный с индикатором 7 непосредственно,Действительно, так как ьИО,из формулы (1) имеемНИ+ЕЬ 45На возбуждающий электрод 4 зонда 1 подается от генератора 6 напряжение высокой частоты 0 О, 5 ЬоМ , и, вследствие этого, на измерительном электроде 5 индуцируется напряжение, пропорциональное переменному заряду на частоте И . Это напряжение после З 0 сложения усилителем 11 с компенсирующим напряжением через блок 14 начального уровня от генератора 6 высокой частоты и синхронный детек ьтор 12 поступает на модулятор 3 И0 фс,Ор эц)Ф 1 ъ) где С, - результирующая емкость между возбуждающим и измерительными электродами 4, 5 зонда 1, которая может 40 быть представлена.в виде суммы постоянной емкости С, соответствующей расстоянию Н и переменной составляющей ьС 1, обусловленной вариациями й,)45с с +лс эмадС учетом выражения 4) получаемА с +ас зги ЙСО 91 ом 1 ) у где А - коэффициент пррпорциональностифВ результате селекции на частоте сд выделяется переменная состав- И ляющая напряжения, амплитуда которо- го 1 аМ Я,С О компенсируется напряжением, подаваемым на вход опорно 482 фго сигнала селективного усилителя 11 через блок 14 начального уровня от генератора 6, и поэтому напряжение подаваемое по этой цепи на модулятор 3 равно. нулю. При изменении Н в .процессе перемещения зонда 1 ,вдоль заряженной поверхности на выходе детектора 12 появится напряжение рассогласования, которое, воздействуя.на подвижную систему 2 мо дулятора 3, возвращает ее вместе с зондом 1 в равновесное состояние н тем самым восстанавливает значение И.Для уменьшения взаимного влияния цепей низкой и высокой частоты между зондом 1 и селективными усилителями 9 и 11 включены заграждающие фильтры 8, настроенные соответственно на высокую и низкую частоты,ФОдновременно с основньак зондом 1 на каждый из дополнительных зондов 15 также индуцируется напряжение, пропорциональное емкости мезду возбуздающнм электродом 4 и соответствующим дополнительным зондом,0 А(с +аспью й 10 ъви 1, Ч где Со - значение емкости междувозбущцающим электродом 4 и К -м дополнительным зондом 15, соответствующее некоторым расстоянием И между каж дым зондом и поверхностью 22,. причем"ф".(,-1)Селекция на частоте 3 усилителями 18 и компенсация амплитудного значения переменной составляющей (101 АС,О) с помощью напряжения подаваемого от генератора 6 на вторые входы усилителей 18 через блоки 20 начального уровня, соответствует равновесному состоянию каждой сервосистемы 16, соединенной с выходами селективньпс усилителей 18 через синхронные детекторы 19, на которые подаются опорные напряжения от генератора 6 высокой частоты, Из менение начального уровня Ипри перемещении зонда 1 вдоль заряженной поверхности 22 приводит к полелению напряжений рассогласования на каждой из сервосистем 16обусловленных.изменением С , ), в результате действия обратных связей восстанав 1157482ливаются заданные первоначальныеуровни,Для повышения устойчивости функционирования устройства между каждым зондом 15 и соответствующими селек тивными усилителями 18 высокой частоты включены загралдающие фильтры 17 низкой частоты, настроенные на частоту генератора 13 низкой частоты,Устройство с несколькими допол нительными зондами применяется в случае исследования поверхностей с большим диапазоном неровностей. В этом случае все дополнительные зонды (основным является центральнцй 1 и соот ветствующие им сервосистемы связаны электромеханически - на подвижном элементе каждой последующей серво-системы закреплен неподвижный элемент предыдущей сервосистемы и один 20 дополнительный зонд. Подвижньй и неподвижный элементы сервосистемы могут быть выполнены и связаны между собой различным образом, например, в виде постоянного магнита непод- ф вижный элемент) и катушки (подвиж ный элементподвешенной относительно магнита на пружинах, или в виде двух катушек, связанных между собой пружинной диафрагмой, или другим об ф разом. Однако зонды, подвижные и неподвижные элементы сервосистем .образуют всегда последовательную электромеханическую связь по типу штыревойтелескопической системы. Это значит,что при работе устройства вступает вдействие сначала "грубая" сервосистема (имеющая большой дополнительныйзонд и чувствительная к неплоскостности)затем все более и более чувствительные системы к другим боВлее мелким, неровностям. Таким образом, при неремешении устройства надисследуемой поверхностью более "грубые" сервосистемы обеспечивают работуустройства при малых пространственных частотах неровностей, но большихамплитудах (неплоскостность), а бове 1 Флее тонкие - при больших пространственных частотах, но меньших амплиг.тудах,ФТаким образом, при перемещениисистемы зондом 1 и 15 вдоль неровнойзаряженной поверхносты 22 каждый изних вместе с соответствующими селективными усилителями 11 и 18синхронными детекторами 12 и 19, модулятором 3 и сервосистемами 1 б и фильтрами 8 и 17 повторяют рельеф поверхности 22 в широком диапазоне измене 1иия его пространственных составляющих..ло делам 113035, Москва Корректор, В, Сэпащкая. 748 Подписноетвениого комитета СССРбретеиий и открытий5, Раувская наб.д. 4/5