RU2231804C1 - Method for measurement of parameters residual charge of flat dielectrics - Google Patents

Method for measurement of parameters residual charge of flat dielectrics Download PDF

Info

Publication number
RU2231804C1
RU2231804C1 RU2003106593/09A RU2003106593A RU2231804C1 RU 2231804 C1 RU2231804 C1 RU 2231804C1 RU 2003106593/09 A RU2003106593/09 A RU 2003106593/09A RU 2003106593 A RU2003106593 A RU 2003106593A RU 2231804 C1 RU2231804 C1 RU 2231804C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
capacitor
current
measuring
gap
instrument
Prior art date
Application number
RU2003106593/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003106593A (en
Inventor
Н.М. Алейников (RU)
Н.М. Алейников
А.Н. Алейников (RU)
А.Н. Алейников
Original Assignee
Воронежский государственный университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Воронежский государственный университет filed Critical Воронежский государственный университет
Priority to RU2003106593/09A priority Critical patent/RU2231804C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2231804C1 publication Critical patent/RU2231804C1/en
Publication of RU2003106593A publication Critical patent/RU2003106593A/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

FIELD: method for measurement of surface density of the real (full) charge and its mean position, as well as of surface densities of effective charges of flat dielectric materials based on induction of current in the circuit of an instrument vibrating capacitor, with the dielectric under test placed between its plates.
SUBSTANCE: the flat dielectric is placed in the gap of the instrument vibrating capacitor, the position of the specimen in the gap of the capacitor is measured, and the capacitor current for various positions of the specimen is measured. The instrument capacitor has an auxiliary vibrating capacitor, whose electric signal is used as a synchronizing one at a comparison of the currents of the instrument capacitor in various positions of the specimen in the gap of the capacitor.
EFFECT: provided detection of variation of the initial phase of the current of the instrument capacitor and excluded probable error in determination of the residual charge of flat dielectrics.
3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехническим измерениям, предназначено для измерения поверхностной плотности реального (полного) заряда и его среднего положения, а также поверхностных плотностей эффективных зарядов плоских диэлектриков и может быть использовано при диагностике остаточного заряжения различных диэлектрических материалов (электретов).The invention relates to electrical measurements, is intended to measure the surface density of the real (full) charge and its average position, as well as the surface densities of the effective charges of flat dielectrics and can be used in the diagnosis of residual charging of various dielectric materials (electrets).

Способ основан на индуцировании тока в цепи измерительного вибрационного конденсатора, между обкладками которого находится заряженный диэлектрик. Применение динамического конденсатора для измерения заряда в плоских диэлектриках известно, например, при компенсационных измерениях, когда внешним компенсационным напряжением достигается нулевой ток в цепи динамического конденсатора. Существенным ограничением компенсационных способов является необходимость применения больших компенсационных напряжений, величина которых при больших плотностях заряда в диэлектриках может достигать нескольких киловольт, что приводит к разрушению исследуемого электретного состояния [1] и делает эти способы недостаточно корректными и технологичными.The method is based on inducing a current in the circuit of the measuring vibrational capacitor, between the plates of which there is a charged dielectric. The use of a dynamic capacitor for measuring charge in flat dielectrics is known, for example, in compensation measurements, when an external compensation voltage reaches zero current in the circuit of a dynamic capacitor. A significant limitation of the compensation methods is the need to use large compensation voltages, the magnitude of which at high charge densities in dielectrics can reach several kilovolts, which leads to the destruction of the studied electret state [1] and makes these methods insufficiently correct and technologically advanced.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому способу являются патенты RU №1471152 [2], №1688199 [3], №1769157 [4]. В [2] рассмотрен способ измерения заряда в плоских диэлектриках, который позволяет существенно уменьшить величину напряжения на измерительном вибрационном конденсаторе по сравнению с компенсационными способами. В [3] и [4] описаны способы определения среднего положения заряда в плоских диэлектриках вообще при нулевом напряжении на измерительном вибрационном конденсаторе. Отличительная особенность, объединяющая эти способы, в том, что сравнивают величины токов вибрационного конденсатора для различных положений исследуемого образца в зазоре измерительного конденсатора.The closest in technical essence to the proposed method are patents RU No. 1471152 [2], No. 1688199 [3], No. 1769157 [4]. In [2], a method for measuring the charge in flat dielectrics was considered, which allows one to significantly reduce the voltage across the measuring vibrational capacitor in comparison with compensation methods. In [3] and [4], methods for determining the average charge position in flat dielectrics in general at zero voltage on a measuring vibrational capacitor are described. A distinctive feature that combines these methods is that they compare the values of the currents of the vibrational capacitor for various positions of the test sample in the gap of the measuring capacitor.

Недостаток этих способов в том, что при изменении положения образца не учитывается возможность изменения начальной фазы колебаний тока вибрационного конденсатора на противоположную. Т.к. по измеряемой величине тока невозможно определить изменение его начальной фазы, которая зависит не только от величины и полярности заряда диэлектрика, но и от вида его распределения в диэлектрике, это может приводить к ошибкам в определении величины и полярности заряда диэлектрика, а также его среднего положения.The disadvantage of these methods is that when changing the position of the sample, the possibility of changing the initial phase of the oscillation current of the vibrational capacitor to the opposite is not taken into account. Because it is impossible to determine the change in its initial phase from the measured current, which depends not only on the magnitude and polarity of the dielectric charge, but also on the type of its distribution in the dielectric, this can lead to errors in determining the magnitude and polarity of the dielectric charge, as well as its average position.

Задача, решаемая данным изобретением, - повышение точности измерений. Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения параметров остаточного заряжения плоских диэлектриков, заключающемся в помещении плоского диэлектрика в зазор измерительного вибрационного конденсатора, изменении положения образца в зазоре конденсатора и измерении тока конденсатора для различных положений образца, согласно изобретению подают постоянное напряжение на вспомогательный вибрационный конденсатор, вибрационный электрод которого механически жестко связан с вибрационным электродом измерительного конденсатора, сравнивают начальные фазы токов в цепях обоих конденсаторов, и, если колебания токов измерительного конденсатора для двух различных положений образца противофазны, то при определении параметров остаточного заряжения токи для двух различных положений образца берут с разными знаками.The problem solved by this invention is to increase the accuracy of measurements. The problem is achieved in that in the known method for measuring the parameters of the residual charge of flat dielectrics, which consists in placing the flat dielectric in the gap of the measuring vibrational capacitor, changing the position of the sample in the gap of the capacitor and measuring the current of the capacitor for different positions of the sample, according to the invention, a constant voltage is applied to the auxiliary vibration a capacitor whose vibration electrode is mechanically rigidly connected to the vibration electrode of the measuring of the capacitor, the initial phases of the currents in the chains of both capacitors are compared, and if the fluctuations of the currents of the measuring capacitor for two different positions of the sample are out of phase, then when determining the parameters of the residual charge, the currents for two different positions of the sample are taken with different signs.

На фиг.1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ. На фиг.2 и фиг.3 показаны временные зависимости токов вспомогательного и измерительного конденсаторов.Figure 1 presents a diagram that implements the proposed method. Figure 2 and figure 3 shows the time dependence of the currents of the auxiliary and measuring capacitors.

Предлагаемый способ может быть реализован на следующем устройстве. Устройство состоит из измерительного конденсатора, образованного неподвижным 1 и вибрационным 2 электродами, вспомогательного конденсатора, образованного неподвижным 3 и вибрационным 4 электродами, регулируемого двухполярного источника 5 постоянного напряжения, вольтметра 6, источника 7 постоянного напряжения, вибратора 8, усилителей 9 и 10 переменного тока, осциллографа 11.The proposed method can be implemented on the following device. The device consists of a measuring capacitor formed by a fixed 1 and vibration 2 electrodes, an auxiliary capacitor formed by a fixed 3 and vibration 4 electrodes, an adjustable bipolar constant voltage source 5, a voltmeter 6, a constant voltage source 7, a vibrator 8, AC amplifiers 9 and 10, oscilloscope 11.

При измерениях исследуемый плоский диэлектрик 12 толщиной L и диэлектрической проницаемостью ε помещают между электродами 1 и 2. Возникающие в цепях обоих конденсаторов токи усиливаются усилителями 9 и 10 и, преобразованные в напряжения, подаются на осциллограф 11. Причем на вход 13 (вход Y) вертикального отклонения луча подается сигнал, пропорциональный току измерительного конденсатора, а сигнал, пропорциональный току вспомогательного конденсатора, подается на вход 14 внешней синхронизации горизонтальной развертки луча осциллографа.During measurements, the investigated flat dielectric 12 of thickness L and dielectric constant ε is placed between the electrodes 1 and 2. The currents arising in the chains of both capacitors are amplified by amplifiers 9 and 10 and converted to voltages are fed to the oscilloscope 11. Moreover, the input 13 (input Y) of the vertical beam deflection, a signal is proportional to the current of the measuring capacitor, and a signal proportional to the current of the auxiliary capacitor is fed to the external synchronization input 14 of the horizontal scan of the oscilloscope beam.

Рассмотрим суть предлагаемого изобретения. В работе [1] получено уравнение тока динамического конденсатора, когда вибрационный электрод 2 совершает гармонические колебания и величина зазора h между электродами 1 и 2 изменяется по закону h=h0+asinωtConsider the essence of the invention. In [1], the dynamic capacitor current equation was obtained when the vibration electrode 2 performs harmonic oscillations and the gap h between the electrodes 1 and 2 changes according to the law h = h 0 + asinωt

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
, ε0=8,85·10-14 Ф/см - электрическая постоянная, S - площадь электродов 1 и 2, h0 - равновесный зазор между электродами 1 и 2, U - напряжение на конденсаторе, l - величина зазора между образцом 12 и электродом 1, а и ω - амплитуда и циклическая частота вибрации электрода 2,
Figure 00000004
- поверхностная плотность полного (реального) заряда, распределенного в диэлектрике с объемной плотностью заряда ρ(x) вдоль оси x, перпендикулярной поверхности диэлектрика, за начало отсчета х=0 принята поверхность диэлектрика, обращенная к неподвижному электроду 1,
Figure 00000005
- поверхностная плотность эффективного (формального) заряда, приведенного к плоскости образца x=L, обращенной к электроду 2.Where
Figure 00000003
, ε 0 = 8.85 · 10 -14 F / cm is the electric constant, S is the area of the electrodes 1 and 2, h 0 is the equilibrium gap between the electrodes 1 and 2, U is the voltage across the capacitor, l is the gap between the sample 12 and electrode 1, and ω is the amplitude and cyclic vibration frequency of electrode 2,
Figure 00000004
- the surface density of the total (real) charge distributed in a dielectric with a volume charge density ρ (x) along the x axis perpendicular to the surface of the dielectric, the surface of the dielectric facing the stationary electrode 1 is taken as the origin x = 0,
Figure 00000005
- the surface density of the effective (formal) charge, reduced to the plane of the sample x = L, facing the electrode 2.

По определению среднего значения аргумента функции центром распределения одномерно распределенного заряда или его средним положением будет величинаBy definition of the average value of the argument of the function, the distribution center of a one-dimensionally distributed charge or its average position will be the quantity

Figure 00000006
Figure 00000006

Из (2) следует, что, зная величины σr и σL, можно вычислить

Figure 00000007
или, наоборот, по измеренным величинам
Figure 00000008
и σr можно определить, например, величину σL. Кроме того, можно определить поверхностную плотность эффективного заряда σ0=σr+σL, приведенного к другой поверхности образца x=0. Представим уравнение (1) в виде I(t)=Imcosωt, где Im - начальная амплитуда тока измерительного вибрационного конденсатора, т.е.From (2) it follows that, knowing the values of σ r and σ L , we can calculate
Figure 00000007
or, conversely, by measured values
Figure 00000008
and σ r can be determined, for example, the value of σ L. In addition, it is possible to determine the surface density of the effective charge σ 0 = σ r + σ L reduced to another surface of the sample x = 0. We represent equation (1) in the form I (t) = I m cosωt, where I m is the initial amplitude of the current of the measuring vibrational capacitor, i.e.

Figure 00000009
Figure 00000009

Из (3) следует, что в зависимости от полярности зарядов σL и σr, а также от величины зазора l и внешнего напряжения U начальная амплитуда тока Im может быть как положительной, так и отрицательной. Т.к. механические колебания электродов 2 и 4 синфазны, колебания тока измерительного конденсатора будут либо синфазны току вспомогательного конденсатора, либо противофазны.From (3) it follows that, depending on the polarity of the charges σ L and σ r , as well as on the magnitude of the gap l and external voltage U, the initial amplitude of the current I m can be either positive or negative. Because mechanical vibrations of electrodes 2 and 4 are in-phase, current fluctuations of the measuring capacitor will be either in-phase with the auxiliary capacitor current, or out of phase.

На фиг.2 приведен пример, когда при изменении положения образца из а в б начальная фаза тока 2 измерительного конденсатора относительно колебаний тока 1 вспомогательного конденсатора не изменилась, т.е. Im1/Im2>0. На фиг.3 начальные фазы токов 2 для положений а и б противоположны, т.е. Im1/Im2<0.Figure 2 shows an example when, when changing the position of the sample from a to b, the initial phase of the current 2 of the measuring capacitor relative to the oscillations of the current 1 of the auxiliary capacitor has not changed, i.e. I m1 / I m2 > 0. In Fig. 3, the initial phases of currents 2 for positions a and b are opposite, i.e. I m1 / I m2 <0.

Пример 1. Определение плотности σr реального заряда плоского диэлектрика.Example 1. Determination of the density σ r of the real charge of a plane dielectric.

Пусть при нулевом напряжении U1=0 в цепи измерительного конденсатора, в зазоре которого на расстоянии l1=1 мм от неподвижного электрода находится диэлектрик, идет ток Im1. Переместим образец на расстояние l2=1,1 мм, т.е. величина перемещения Δl=l2-l1=0,1 мм. Регулируя напряжение U, добьемся первоначального значения тока, т.е. Im2=Im1. Пусть величина напряжения при этом составит, например, U2=50 В, т.е. ΔU=U2-U1=50 В. Величину σr вычислим по формуле, которая получается подстановкой l1 и U1, а затем l2 и U2 в (3) и приравниванием токов Im1 и Im2 Let at zero voltage U 1 = 0 in the circuit of the measuring capacitor, in the gap of which a dielectric is located at a distance l 1 = 1 mm from the fixed electrode, there is a current I m1 . We move the sample to a distance l 2 = 1.1 mm, i.e. the amount of displacement Δl = l 2 -l 1 = 0.1 mm By adjusting the voltage U, we obtain the initial current value, i.e. I m2 = I m1 . Let the voltage value be, for example, U 2 = 50 V, i.e. ΔU = U 2 -U 1 = 50 V. The value of σ r is calculated by the formula, which is obtained by substituting l 1 and U 1 , and then l 2 and U 2 in (3) and equating the currents I m1 and I m2

Figure 00000010
Figure 00000010

Предположим теперь, что при тех же условиях начальная фаза тока изменилась на противоположную, т.е. Im2=-Im1. Величину σr вычислим по формулеSuppose now that under the same conditions the initial phase of the current has changed to the opposite, i.e. I m2 = -I m1 . The value of σ r is calculated by the formula

Figure 00000011
Figure 00000011

Приведенный пример показывает, что неучитывание во втором случае изменения полярности начальной амплитуды тока приводит к ошибочному результату, в данном примере отличающемуся более чем в 20 раз от действительного, а также к ошибке в определении полярности заряда.The above example shows that the neglect in the second case of a change in the polarity of the initial current amplitude leads to an erroneous result, which in this example differs by more than 20 times from the real one, as well as to an error in determining the charge polarity.

Пример 2. Определение среднего положения

Figure 00000012
распределенного заряда.Example 2. Determination of the average position
Figure 00000012
distributed charge.

Пусть в зазоре измерительного конденсатора при нулевом напряжении (U1=U2=0) находится плоский диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε=4 на расстоянии l1=1 мм от неподвижного электрода. Переместим образец на расстояние l2=3 мм. Пусть, например, ток увеличится в 2 раза, а начальная фаза колебаний тока не изменится, т.е. Im2/Im1=2. Подставляя (2) в (3) для двух положений образца l1 и l2, получимLet in the gap of the measuring capacitor at zero voltage (U 1 = U 2 = 0) is a flat dielectric with a dielectric constant ε = 4 at a distance l 1 = 1 mm from the fixed electrode. Move the sample to a distance l 2 = 3 mm. Let, for example, the current increase by 2 times, and the initial phase of the current oscillations will not change, i.e. I m2 / I m1 = 2. Substituting (2) in (3) for two positions of the sample l 1 and l 2 , we obtain

Figure 00000013
Figure 00000013

Если при тех же условиях начальная амплитуда тока изменит полярность, т.е. Im2=-2Im1, тоIf, under the same conditions, the initial amplitude of the current changes polarity, i.e. I m2 = -2I m1 , then

Figure 00000014
Figure 00000014

Этот пример показывает, что неучитывание во втором случае изменения полярности начальной амплитуды тока приводит к ошибкам в определении не только величины среднего положения заряда

Figure 00000015
, но и в его положении относительно поверхности образца.This example shows that the neglect in the second case of a change in the polarity of the initial current amplitude leads to errors in determining not only the value of the average charge position
Figure 00000015
, but also in its position relative to the surface of the sample.

Необходимо отметить, что для упрощения измерений при определении начальной фазы колебаний тока измерительного конденсатора применение осциллографа необязательно. Например, усиленные синусоидальные токи измерительного и вспомогательного конденсаторов, преобразованные в П-импульсы, могут быть поданы на входы двухвходового логического элемента типа И (конъюнктор), на выходе которого включен, например, световой индикатор, сигнализирующий о синфазном следовании импульсов токов обоих конденсаторов. В случае противофазных колебаний токов и чередования импульсов индикатор светиться не будет. Для измерения величины тока измерительного конденсатора на выходе усилителя может быть включен вольтметр.It should be noted that in order to simplify measurements when determining the initial phase of the oscillation current of the measuring capacitor, the use of an oscilloscope is optional. For example, the amplified sinusoidal currents of the measuring and auxiliary capacitors converted to P-pulses can be fed to the inputs of a two-input logic element of type I (conjunctor), the output of which is switched on, for example, a light indicator signaling in-phase following of the current pulses of the currents of both capacitors. In case of out-of-phase current fluctuations and pulse alternation, the indicator will not light. To measure the current value of the measuring capacitor at the output of the amplifier, a voltmeter can be turned on.

Литература:Literature:

1. Алейников А.Н., Алейников Н.М. Индукционные методы определения параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов, "Материаловедение". - М., Наука и технологии, №3, с.26-33, 2002.1. Aleinikov A.N., Aleinikov N.M. Induction methods for determining the parameters of the residual charge of dielectric materials, "Materials". - M., Science and Technology, No. 3, p. 26-33, 2002.

2. Патент RU №1471152, кл. G 01 R 29/12.2. Patent RU No. 1471152, cl. G 01 R 29/12.

3. Патент RU №1688199, кл. G 01 R 29/12.3. Patent RU No. 1688199, cl. G 01 R 29/12.

4. Патент RU №1769157, кл. G 01 R 29/12.4. Patent RU No. 1769157, cl. G 01 R 29/12.

Claims (1)

Способ измерения параметров остаточного заряжения плоских диэлектриков, заключающийся в том, что помещают плоский диэлектрик в зазор измерительного вибрационного конденсатора, изменяют положение образца в зазоре конденсатора и измеряют ток конденсатора для различных положений образца, отличающийся тем, что подают постоянное напряжение на вспомогательный вибрационный конденсатор, вибрационный электрод которого механически жестко связан с вибрационным электродом измерительного конденсатора, сравнивают начальные фазы токов в цепях обоих конденсаторов и, если колебания токов измерительного конденсатора для двух различных положений образца противофазны, то при определении параметров остаточного заряжения токи для двух различных положений образца берут с разными знаками.The method of measuring the parameters of the residual charging of flat dielectrics, which consists in placing a flat dielectric in the gap of the measuring vibrational capacitor, changing the position of the sample in the gap of the capacitor and measuring the capacitor current for different positions of the sample, characterized in that a constant voltage is applied to the auxiliary vibrational capacitor, vibration the electrode of which is mechanically rigidly connected to the vibrational electrode of the measuring capacitor, the initial phases of the currents in the circuits are compared both capacitors and, if the fluctuations of the currents of the measuring capacitor for two different positions of the sample are out of phase, then when determining the parameters of the residual charge, the currents for two different positions of the sample are taken with different signs.
RU2003106593/09A 2003-03-11 2003-03-11 Method for measurement of parameters residual charge of flat dielectrics RU2231804C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003106593/09A RU2231804C1 (en) 2003-03-11 2003-03-11 Method for measurement of parameters residual charge of flat dielectrics

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003106593/09A RU2231804C1 (en) 2003-03-11 2003-03-11 Method for measurement of parameters residual charge of flat dielectrics

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2231804C1 true RU2231804C1 (en) 2004-06-27
RU2003106593A RU2003106593A (en) 2004-09-20

Family

ID=32846850

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003106593/09A RU2231804C1 (en) 2003-03-11 2003-03-11 Method for measurement of parameters residual charge of flat dielectrics

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2231804C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPH0454165B2 (en)
RU2231804C1 (en) Method for measurement of parameters residual charge of flat dielectrics
RU2260811C1 (en) Method for determining the charge surface density of plane dielectrics
US20070216418A1 (en) Surface voltmeter and surface voltage measurement method
Liess et al. The scanning Kelvin microscope with voltage modulation: a new principle to image discrete surface potentials
SU709990A1 (en) Electronic moisture-content meter
RU133319U1 (en) RESIDUAL ELECTRICITY METER FOR DIELECTRIC MATERIALS
SU1307395A1 (en) Method of measuring surface charge density of dielectric
RU2287835C2 (en) Method for observation of surface charge density and its middle position in flat dielectrics
SU1260753A1 (en) Device for determining surface tension and viscous-elastic parameters of liquid
SU1531031A1 (en) Method of measuring surface density of electret charge
SU206140A1 (en)
SU1471152A1 (en) Method of determining charge density in dielectrics
SU440614A1 (en) Device for measuring the penetration depth of an electric field of a capacitive sensor
SU815472A1 (en) Dynamic device for measuring small displacements
SU1297261A1 (en) Method of determining antiresonance frequency of piezoresonators
SU960604A1 (en) Device for determination of solid body thermap expansion coefficient
RU1798736C (en) Device for measurement of electric potential of charged surface
RU92545U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE DENSITY OF A SURFACE ELECTRIC CHARGE OF HETEROGENEOUS STRUCTURES ON THE EARTHED CONDUCTING SUBSTRATE
SU759984A1 (en) Device for measuring dielectric parameters of substances
RU2016377C1 (en) Method of measuring dielectric articles thickness
RU1783453C (en) Method of determination of electric intensity in plane of bulk of solid dielectric
SU1002821A1 (en) Device for touch-free distance measuring
JPH08292144A (en) Liquid viscosity sensor
SU746200A1 (en) Apparatus for determining two components of mechanical construction oscillations

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060312