RU2471198C1 - Method to detect contact difference of potentials and related device - Google Patents
Method to detect contact difference of potentials and related device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2471198C1 RU2471198C1 RU2011136736/28A RU2011136736A RU2471198C1 RU 2471198 C1 RU2471198 C1 RU 2471198C1 RU 2011136736/28 A RU2011136736/28 A RU 2011136736/28A RU 2011136736 A RU2011136736 A RU 2011136736A RU 2471198 C1 RU2471198 C1 RU 2471198C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring electrode
- test sample
- voltage
- amplifier
- sample
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве средства неразрушающего контроля энергетического состояния поверхности деталей и изделий, выполненных из электропроводящих материалов или полупроводников.The invention relates to measuring equipment and can be used as a means of non-destructive testing of the energy state of the surface of parts and products made of electrically conductive materials or semiconductors.
Определение контактной разности потенциалов между исследуемым образцом и измерительным электродом по электрическим характеристикам, полученным в результате прямых измерений, позволяет оперативно контролировать энергетическое состояние поверхности образца в течение технологического процесса обработки и после его окончания. Технологический процесс может включать различные виды обработки, включая химическую, механическую и термическую. После каждого этапа обработки необходимо определять наличие и тип дефектов на поверхности образца. Для определения контактной разности потенциалов в настоящее время широко применяются методы измерений электрических характеристик с помощью динамического и статического конденсатора.Determination of the contact potential difference between the test sample and the measuring electrode according to the electrical characteristics obtained as a result of direct measurements allows you to quickly control the energy state of the surface of the sample during the technological process of processing and after its completion. The process can include various types of processing, including chemical, mechanical and thermal. After each processing step, it is necessary to determine the presence and type of defects on the surface of the sample. To determine the contact potential difference, methods for measuring electrical characteristics using a dynamic and static capacitor are currently widely used.
При использовании динамического конденсатора в зазоре между измерительным электродом и образцом, образующими конденсатор, возникает электрическое поле, величина которого зависит от разности поверхностных потенциалов электрода и образца. При изменении зазора между обкладками конденсатора изменяется напряженность электрического поля, что приводит к появлению электрического тока во внешней электрической цепи. Изменение зазора между обкладками конденсатора обеспечивается, например, с помощью вибрационного электрода. Изменение разности потенциалов между обкладками конденсатора компенсируют с помощью регулируемого источника напряжения, включенного во внешнюю цепь. При перемещении электрода напряжение во внешней цепи регулируют таким образом, чтобы величина тока в цепи была равна нулю. При этом величину контактной разности потенциалов определяют по значению напряжения во внешней цепи при нулевом значении тока.When using a dynamic capacitor in the gap between the measuring electrode and the sample forming the capacitor, an electric field arises, the value of which depends on the difference of the surface potentials of the electrode and the sample. When the gap between the capacitor plates changes, the electric field strength changes, which leads to the appearance of an electric current in the external electric circuit. Changing the gap between the plates of the capacitor is provided, for example, using a vibrating electrode. The change in the potential difference between the capacitor plates is compensated by an adjustable voltage source included in the external circuit. When moving the electrode, the voltage in the external circuit is controlled so that the current in the circuit is zero. In this case, the contact potential difference is determined by the voltage value in the external circuit at zero current value.
Метод измерения контактной разности потенциалов с помощью статического конденсатора отличается от вышеописанного метода тем, что электрод и образец остаются неподвижными после их разъединения. Вызванная действием контактной разности потенциалов утечка зарядов с обкладок конденсатора компенсируется регулируемой величиной напряжения во внешней электрической цепи. Данный метод не позволяет измерить изменение разности потенциалов между обкладками конденсатора, наиболее полно характеризующее контактную разность потенциалов.The method of measuring the contact potential difference using a static capacitor differs from the above method in that the electrode and the sample remain stationary after they are disconnected. The leakage of charges from the capacitor plates caused by the action of the contact potential difference is compensated by an adjustable voltage in the external electric circuit. This method does not allow measuring the change in the potential difference between the capacitor plates, which most fully characterizes the contact potential difference.
Методы определения контактной разности потенциалов реализуются с помощью различных электроизмерительных средств. Так, например, известно устройство для измерения электрического потенциала заряженной поверхности, описанное в японской патентной заявке JP 55140163A (МПК: G01R 15/04, 15/06, опубл. 01.11 1980). Устройство для определения разности потенциалов содержит корпус, измерительный электрод и исследуемый образец (проводник), окруженные экранирующим электродом. Измерение напряжения производится на участке электрической цепи между измерительным электродом и резистором, имеющим высокое значение сопротивления. Сигнал с измерительного электрода усиливается с помощью усилителя напряжения, имеющего высокое входное сопротивление. Усиленный сигнал поступает на вход прибора, регистрирующего напряжение.Methods for determining the contact potential difference are implemented using various electrical measuring tools. For example, a device for measuring the electric potential of a charged surface is known, described in Japanese patent application JP 55140163A (IPC: G01R 15/04, 15/06, publ. 01.11 1980). The device for determining the potential difference contains a housing, a measuring electrode and a test sample (conductor) surrounded by a shielding electrode. The voltage is measured in the area of the electrical circuit between the measuring electrode and the resistor having a high resistance value. The signal from the measuring electrode is amplified by a voltage amplifier having a high input impedance. The amplified signal is fed to the input of the device that registers the voltage.
Известное измерительное устройство и способ его работы не позволяют полностью устранить утечку заряда конденсатора через измерительную цепь в процессе проводимых измерений. Утечка заряда с измерительного электрода через подключенные к нему электрические цепи существенно снижает точность проводимых измерений.The known measuring device and the method of its operation do not completely eliminate the leakage of the capacitor charge through the measuring circuit in the process of measurements. Charge leakage from the measuring electrode through the connected electrical circuits significantly reduces the accuracy of the measurements.
Наиболее близкими аналогами патентуемой группы изобретений являются способ измерения контактной разности потенциалов и измерительное устройство, предназначенное для его осуществления, которые описаны в авторском свидетельстве SU 1798736A1 (МПК G01R 29/12, опубл. 28.02.1993). Данное устройство содержит электропроводящий корпус, контактирующий с исследуемым образцом. Напротив образца установлен вибрационный измерительный электрод, который окружен экранирующим заземленным электродом. Вибрационный электрод механически связан с пьезоэлектрическими элементами вибрационной системы. Измерительный электрод параллельно соединен с регулируемым источником постоянного компенсирующего напряжения и с входом усилителя переменного тока, к выходу которого подключен регистрирующий прибор (осциллограф). Исследуемый образец и измерительный электрод образуют при проведении измерений динамический конденсаторThe closest analogues of the patented group of inventions are a method for measuring the contact potential difference and a measuring device designed for its implementation, which are described in the copyright certificate SU 1798736A1 (IPC G01R 29/12, publ. 02.28.1993). This device contains an electrically conductive housing in contact with the test sample. Opposite the sample, a vibrating measuring electrode is installed, which is surrounded by a shielded, grounded electrode. The vibration electrode is mechanically coupled to the piezoelectric elements of the vibration system. The measuring electrode is connected in parallel with an adjustable source of constant compensating voltage and with the input of an alternating current amplifier, to the output of which a recording device (oscilloscope) is connected. The test sample and the measuring electrode form a dynamic capacitor during measurements
В процессе работы устройства происходит колебательное движение измерительного электрода относительно поверхности исследуемого образца. В электрической цепи динамического конденсатора возникает переменный электрический ток, который усиливается с помощью усилителя и затем регистрируется осциллографом. Одновременно с регистрацией электрического тока регулируют напряжение, подаваемое на измерительный электрод, до момента полной компенсации электрического поля (разности потенциалов) между обкладками конденсатора. Момент компенсации электрического поля определяют по величине регистрируемого электрического тока: компенсация электрического поля происходит при нулевом значении тока. При этом величину контактной разности потенциалов определяют по показаниям измерителя напряжения, подключенного к выходу регулируемого источника напряжения.In the process of operation of the device, the oscillating movement of the measuring electrode relative to the surface of the test sample occurs. An alternating electric current arises in the electrical circuit of the dynamic capacitor, which is amplified by an amplifier and then recorded by an oscilloscope. Simultaneously with the registration of electric current, the voltage applied to the measuring electrode is regulated until the electric field (potential difference) is completely compensated between the capacitor plates. The moment of compensation of the electric field is determined by the magnitude of the recorded electric current: the compensation of the electric field occurs at a current value of zero. The magnitude of the contact potential difference is determined by the readings of the voltage meter connected to the output of an adjustable voltage source.
Несмотря на применение средств, предотвращающих утечку заряда с обкладок конденсатора, известный способ определения контактной разности потенциалов и измерительное устройство, с помощью которого осуществляется способ, не обеспечивают требуемого уровня точности и достоверности измерений. Данный недостаток связан с тем, что заряд конденсатора небольшой емкости, образующийся при разъединении электрода и образца, быстро уменьшается из-за утечек через электрические цепи измерения тока и регулирования напряжения. Кроме того, с помощью известных аналогов невозможно обеспечить быстродействие средства измерений и автоматизацию процесса измерения контактной разности потенциалов из-за необходимости регулировки напряжения на измерительном электроде.Despite the use of means to prevent leakage of charge from the capacitor plates, the known method for determining the contact potential difference and the measuring device by which the method is carried out do not provide the required level of accuracy and reliability of measurements. This drawback is due to the fact that the charge of a small capacitor, which is formed when the electrode and the sample are disconnected, quickly decreases due to leaks through electric circuits for measuring current and regulating voltage. In addition, using known analogues it is impossible to ensure the speed of the measuring instrument and the automation of the process of measuring the contact potential difference due to the need to adjust the voltage at the measuring electrode.
Патентуемое изобретение направлено на устранение утечек заряда конденсатора, образованного исследуемым образцом и измерительным электродом, как через окружающее пространство, так и через питающие и измерительные электрические цепи, соединенные с измерительным электродом за счет автоматической компенсации изменения разности потенциалов между исследуемым образцом и измерительным электродом в процессе его перемещения и проведения измерений. Решение данной задачи позволяет проводить измерения при постоянной величине заряда на обкладках конденсатора. Вместе с тем способ и устройство для его осуществления должны обеспечивать прямое измерение электрических характеристик, по которым определяется контактная разность потенциалов, без проведения дополнительных преобразований измеряемого сигнала.The patented invention is aimed at eliminating the leakage of the charge of the capacitor formed by the test sample and the measuring electrode, both through the surrounding space and through the supply and measuring electric circuits connected to the measuring electrode by automatically compensating for the change in potential difference between the test sample and the measuring electrode during it moving and taking measurements. The solution to this problem allows measurements at a constant charge on the capacitor plates. However, the method and device for its implementation should provide a direct measurement of electrical characteristics, which determine the contact potential difference, without additional transformations of the measured signal.
Решение поставленных технических задач позволяет повысить точность определения контактной разности потенциалов и обеспечить автоматизацию процесса измерений.The solution of the technical problems posed allows one to increase the accuracy of determining the contact potential difference and to provide automation of the measurement process.
Достижение данных технических результатов обеспечивается при осуществлении способа измерения контактной разности потенциалов. Способ включает подвод измерительного электрода к поверхности исследуемого образца, осуществление электрического контакта между измерительным электродом и исследуемым образцом, последующее размыкание электрического контакта и поступательное перемещение измерительного электрода в направлении от поверхности исследуемого образца. В процессе указанных выше действий производят экранирование измерительного электрода, усиление величины сигнала, фиксируемого на измерительном электроде, и регистрацию усиленного сигнала. Согласно патентуемому изобретению в качестве сигнала фиксируют напряжение на измерительном электроде, инвертируют и усиливают сигнал. Усиленный сигнал подают на исследуемый образец и регистрируют изменение напряжения на исследуемом образце в зависимости от расстояния между противолежащими поверхностями исследуемого образца и измерительного электрода. Измеренную зависимость используют в качестве электрической характеристики контактной разности потенциалов.The achievement of these technical results is ensured by the implementation of the method of measuring the contact potential difference. The method includes supplying the measuring electrode to the surface of the test sample, making electrical contact between the measuring electrode and the test sample, subsequent opening of the electrical contact and translational movement of the measuring electrode in the direction from the surface of the test sample. In the process of the above actions, the measuring electrode is shielded, the magnitude of the signal recorded on the measuring electrode is amplified, and the amplified signal is recorded. According to the patented invention, the voltage at the measuring electrode is fixed as a signal, the signal is inverted and amplified. An amplified signal is applied to the test sample and the voltage change on the test sample is recorded depending on the distance between the opposite surfaces of the test sample and the measuring electrode. The measured dependence is used as the electrical characteristic of the contact potential difference.
При касании измерительным электродом поверхности исследуемого образца, вследствие различия величин работы выхода электронов контактирующих материалов, противоположные поверхности электрода и образца приобретают разноименные заряды и между ними устанавливается контактная разность потенциалов, которую невозможно определить методами прямых измерений. После удаления измерительного электрода от поверхности исследуемого образца и при дальнейшем его перемещении заряд на измерительном электроде сохраняется за счет экранирования с помощью электропроводящего экрана, подключенного к общему выводу блока электропитания.When the measuring electrode touches the surface of the test sample, due to the difference in the work function of the electrons of the contacting materials, opposite surfaces of the electrode and the sample acquire opposite charges and a contact potential difference is established between them, which cannot be determined by direct measurement methods. After removal of the measuring electrode from the surface of the test sample and with its further movement, the charge on the measuring electrode is saved due to shielding using an electrically conductive screen connected to the common terminal of the power supply unit.
Автоматическая компенсация изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора, образованного измерительным электродом и исследуемым образцом, при изменении его емкости обеспечивается за счет подачи на исследуемый образец усиленного напряжения противоположной полярности относительно измерительного электрода. В результате автоматической компенсации изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора входные сигналы усилителя напряжения становятся равными по величине. Точность компенсации определяется напряжением смещения между входами усилителя напряжения и составляет величину ~1 мВ. После уравнивания входных сигналов усилителя процесс компенсации изменения разности потенциалов автоматически прекращается.Automatic compensation of changes in the potential difference between the capacitor plates formed by the measuring electrode and the test sample when changing its capacitance is provided by supplying the test sample with an amplified voltage of opposite polarity relative to the measuring electrode. As a result of automatic compensation of changes in the potential difference between the capacitor plates, the input signals of the voltage amplifier become equal in magnitude. The compensation accuracy is determined by the bias voltage between the inputs of the voltage amplifier and is ~ 1 mV. After equalizing the input signals of the amplifier, the process of compensating for the change in the potential difference automatically stops.
Величина контактной разности потенциалов определяется по регистрируемой зависимости изменения напряжения на исследуемом образце от расстояния между противолежащими поверхностями исследуемого образца и измерительного электрода, которое определяет емкость конденсатора. Осуществление процесса автоматической компенсации изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора при проведении измерений позволяет полностью исключить утечку заряда через электрические цепи, подключенные к измерительному электроду.The magnitude of the contact potential difference is determined by the recorded dependence of the voltage change on the test sample on the distance between the opposite surfaces of the test sample and the measuring electrode, which determines the capacitance of the capacitor. The process of automatic compensation of changes in the potential difference between the capacitor plates during measurements allows you to completely eliminate charge leakage through electrical circuits connected to the measuring electrode.
Таким образом, за счет применения метода автоматической компенсации изменения разности потенциалов обеспечивается постоянство заряда на обкладках конденсатора и вследствие этого достигается высокая точность измерения электрических характеристик, определяющих контактную разность потенциалов, и реализуется автоматизация процесса измерений.Thus, due to the use of the method of automatic compensation of changes in the potential difference, a constant charge is ensured on the capacitor plates and, as a result, high accuracy of measuring the electrical characteristics that determine the contact potential difference is achieved, and the measurement process is automated.
Инвертирование и усиление сигнала может осуществляться с помощью операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим входами. Для этого инвертирующий вход усилителя подключают к измерительному электроду, а неинвертирующий вход - к общему выводу блока электропитания.Inversion and amplification of the signal can be carried out using an operational amplifier with inverting and non-inverting inputs. For this, the inverting input of the amplifier is connected to the measuring electrode, and the non-inverting input is connected to the general output of the power supply unit.
Подача усиленного инвертированного сигнала напряжения на исследуемый образец может производиться через электропроводящий корпус устройства, который образует электрический контакт с поверхностью исследуемого образца.The amplified inverted voltage signal can be supplied to the test sample through the electrically conductive housing of the device, which forms electrical contact with the surface of the test sample.
Для экранирования измерительного электрода может использоваться электропроводящий экран, подключенный к общему выводу блока электропитания.An electrically conductive screen connected to the common terminal of the power supply unit can be used to shield the measuring electrode.
Электрический контакт между измерительным электродом и исследуемым образцом и последующее размыкание электрического контакта могут производиться с помощью пружинного механизма, в частности пружинного толкателя. Перемещение измерительного электрода относительно поверхности исследуемого образца может производиться, например, с помощью электромеханического средства перемещения.The electrical contact between the measuring electrode and the test sample and the subsequent opening of the electrical contact can be made using a spring mechanism, in particular a spring pusher. The movement of the measuring electrode relative to the surface of the sample can be carried out, for example, using an electromechanical means of movement.
Регистрация изменения величины напряжения на исследуемом образце может осуществляться с помощью осциллографа или блока обработки данных, подключенного к персональному компьютеру.The change in the voltage value on the test sample can be recorded using an oscilloscope or a data processing unit connected to a personal computer.
Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается также с помощью устройства для определения контактной разности потенциалов, которое предназначено для осуществления вышеуказанного способа. Устройство включает в свой состав электропроводящий корпус, выполненный с возможностью образования электрического контакта с поверхностью исследуемого образца. Устройство содержит измерительный электрод, который контактирует с исследуемым образцом и перемещается относительно поверхности исследуемого образца через отверстие, образованное в корпусе. В состав устройства входит блок электропитания, электропроводящий экран, установленный между измерительным электродом и электропроводящим корпусом, средство регистрации сигнала и усилитель сигнала. В качестве средства регистрации сигнала используется регистратор напряжения. В качестве усилителя сигнала используется усилитель напряжения, выполненный в виде операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим входами. Инвертирующий вход усилителя соединен с измерительным электродом. Неинвертирующий вход усилителя соединен с общим выводом блока электропитания. Выход операционного усилителя подключен через электропроводящий корпус к исследуемому образцу и соединен с входом регистратора напряжения.The achievement of the above technical results is also provided using a device for determining the contact potential difference, which is intended to implement the above method. The device includes an electrically conductive housing configured to form electrical contact with the surface of the test sample. The device contains a measuring electrode, which is in contact with the test sample and moves relative to the surface of the test sample through an opening formed in the housing. The device includes a power supply unit, an electrically conductive screen installed between the measuring electrode and the electrically conductive housing, signal recording means and a signal amplifier. As a means of recording a signal, a voltage recorder is used. As a signal amplifier, a voltage amplifier is used, made in the form of an operational amplifier with inverting and non-inverting inputs. The inverting input of the amplifier is connected to the measuring electrode. The non-inverting input of the amplifier is connected to the common terminal of the power supply unit. The output of the operational amplifier is connected through an electrically conductive housing to the test sample and is connected to the input of the voltage recorder.
Блок электропитания может быть выполнен в виде последовательно соединенных преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение и преобразователя постоянного напряжения.The power supply unit can be made in the form of a series-connected converter of alternating voltage to direct voltage and a constant voltage converter.
Устройство может содержать механизм перемещения измерительного электрода, например пружинный толкатель, для обеспечения электрического контакта между измерительным электродом и исследуемым образцом. С помощью пружинного механизма производится последующее размыкание электрического контакта.The device may include a mechanism for moving the measuring electrode, for example a spring pusher, to ensure electrical contact between the measuring electrode and the test sample. With the help of a spring mechanism, the subsequent opening of the electrical contact is performed.
Движение измерительного электрода относительно исследуемого образца производится, например, с помощью электромеханического средства перемещения.The movement of the measuring electrode relative to the test sample is, for example, using an electromechanical means of movement.
Регистратор напряжения может быть выполнен в виде осциллографа или блока обработки данных, который подключается к персональному компьютеру.The voltage recorder can be made in the form of an oscilloscope or a data processing unit that connects to a personal computer.
Далее группа изобретений поясняется описанием примера осуществления способа измерения контактной разности потенциалов с помощью устройства, предназначенного для его осуществления, которое содержит усилитель напряжения в виде операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим входами.Further, the group of inventions is illustrated by an example implementation of a method for measuring the contact potential difference using a device designed for its implementation, which contains a voltage amplifier in the form of an operational amplifier with inverting and non-inverting inputs.
На фиг.1 дана общая электрическая схема устройства, предназначенного для определения контактной разности потенциалов;Figure 1 is a General electrical diagram of a device designed to determine the contact potential difference;
на фиг.2 - графические зависимости изменения величины напряжения U(d) при использовании образцов, выполненных из стали и алюминия;figure 2 - graphical dependence of the changes in the voltage U (d) when using samples made of steel and aluminum;
на фиг.3 - графические зависимости изменения величины напряжения U(d) при использовании стальных образцов с различными поверхностными свойствами.figure 3 - graphical dependence of the change in the voltage U (d) when using steel samples with different surface properties.
Устройство для измерения контактной разности потенциалов, схема которого изображена на фиг.1, содержит электропроводящий металлический корпус 1. В торцевой стенке корпуса 1 выполнено отверстие, в котором устанавливается исследуемый образец 2, образующий электрический контакт с кромками отверстия в торцевой стенке электропроводящего корпуса 1. В полости корпуса 1 размещен измерительный электрод 3, который снабжен пружинным толкателем для обеспечения электрического контакта с исследуемым образцом 2 и размыкания электрического контакта. Измерительный электрод 3 механически связан с электромеханическим средством перемещения (ЭСП) 4, которое обеспечивает поступательное перемещение измерительного электрода 3 относительно противолежащей поверхности исследуемого образца 2.A device for measuring the contact potential difference, the circuit of which is shown in figure 1, contains an electrically conductive metal housing 1. An opening is made in the end wall of the housing 1, in which a test sample 2 is mounted, which forms electrical contact with the edges of the hole in the end wall of the electrically conductive housing 1. B the cavity of the housing 1 is placed a measuring electrode 3, which is equipped with a spring pusher to ensure electrical contact with the test sample 2 and the opening of the electrical contact. The measuring electrode 3 is mechanically connected with an electromechanical moving means (ESP) 4, which provides translational movement of the measuring electrode 3 relative to the opposite surface of the test sample 2.
В состав устройства входит блок электропитания, состоящий из преобразователя переменного напряжения (ППЕ) 5, обеспечивающего преобразование переменного напряжения 220 В в постоянное напряжение, и соединенного с ним преобразователя постоянного напряжения (ППО) 6, обеспечивающего преобразование входного постоянного напряжения в постоянное напряжение ±15 В. Двухполюсный блок электропитания снабжен общим выводом, к которому подключаются элементы измерительного устройства.The device includes a power supply unit consisting of an alternating voltage converter (ППЕ) 5, which provides the conversion of 220 V alternating voltage into constant voltage, and a constant voltage converter (ППО) 6 connected to it, and which converts the input constant voltage to a constant voltage of ± 15 V The bipolar power supply unit is equipped with a common terminal to which the elements of the measuring device are connected.
Измерительный электрод 3 и линии связи окружены электропроводящим экраном 7, который установлен между электродом 3 и электропроводящим корпусом 1. Экран 7 подключен к общему выводу блока электропитания. Усилитель напряжения выполнен в виде операционного усилителя 8 с двумя входами: инвертирующим и неинвертирующим. Инвертирующий вход операционного усилителя 8 соединен с экранированным измерительным электродом 3, а неинвертирующий вход - с общим выводом блока электропитания. Выход операционного усилителя 8 соединен с электропроводящим корпусом 1 и подключен к регистратору напряжения (РН) 9, в качестве которого в рассматриваемом примере реализации изобретения используется осциллограф. Через электропроводящий корпус 1 выход операционного усилителя 8 подключен к исследуемому образцу 2. Электропитание операционного усилителя 8 осуществляется постоянным напряжением ±15 В, которое вырабатывается преобразователем 6.The measuring electrode 3 and the communication lines are surrounded by an electrically conductive screen 7, which is installed between the electrode 3 and the electrically conductive housing 1. The screen 7 is connected to a common terminal of the power supply unit. The voltage amplifier is made in the form of an operational amplifier 8 with two inputs: inverting and non-inverting. The inverting input of the operational amplifier 8 is connected to the shielded measuring electrode 3, and the non-inverting input is connected to the common output of the power supply unit. The output of the operational amplifier 8 is connected to the electrically conductive housing 1 and connected to a voltage recorder (PH) 9, which is used in the example implementation of the invention as an oscilloscope. Through the electrically conductive housing 1, the output of the operational amplifier 8 is connected to the test sample 2. The operational amplifier 8 is powered by a constant voltage of ± 15 V, which is produced by the converter 6.
Способ измерения контактной разности потенциалов осуществляется с помощью описанного выше устройства следующим образом.The method of measuring the contact potential difference is carried out using the device described above as follows.
Первоначально производят включение устройства путем подключения преобразователя 5 к сети переменного тока (220 В). Перед проведением измерений выбирают исследуемый образец 2, который устанавливают напротив отверстия в торцевой стенке корпуса 1. Между исследуемым образцом 2 и корпусом 1 образуют электрический контакт. Определение электрических характеристик контактной разности потенциалов проводят с помощью механизма, обеспечивающего электрический контакт между исследуемым образцом и измерительным электродом и размыкание электрического контакта, который выполнен в виде пружинного толкателя (на чертеже не показан). В исходном положении измерительный электрод 3 удален от поверхности исследуемого образца 2 на расстояние (5÷10) мм. При нажатии на пружинный толкатель измерительный электрод 3 соприкасается с поверхностью исследуемого образца 2 с образованием электрического контакта.Initially, the device is turned on by connecting the converter 5 to an alternating current network (220 V). Before taking measurements, select the test sample 2, which is installed opposite the hole in the end wall of the housing 1. Between the test sample 2 and the housing 1 form an electrical contact. Determination of the electrical characteristics of the contact potential difference is carried out using a mechanism that provides electrical contact between the test sample and the measuring electrode and the opening of the electrical contact, which is made in the form of a spring pusher (not shown). In the initial position, the measuring electrode 3 is removed from the surface of the test sample 2 by a distance of (5 ÷ 10) mm. When you press the spring plunger, the measuring electrode 3 is in contact with the surface of the test sample 2 with the formation of an electrical contact.
За счет различия величин работы выхода образца 2 и электрода 3 на поверхностях соприкасающихся металлических проводников образуются разноименные электрические заряды. Данное явление обусловлено переходом электронов через контактный слой между образцом 2 и электродом 3 из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. Вследствие этого контактирующие проводники приобретают электрические заряды противоположных знаков. Образующееся в результате разделения зарядов электрическое поле препятствует дальнейшему перемещению электронов между контактирующими материалами. В равновесном состоянии между поверхностями контактирующих проводников устанавливается фиксированная контактная разность потенциалов, которая зависит от строения и структуры контактирующих материалов и от свойств контактирующих поверхностейDue to the difference in the values of the work function of sample 2 and electrode 3, opposite electrical charges are formed on the surfaces of the contacting metal conductors. This phenomenon is due to the transition of electrons through the contact layer between sample 2 and electrode 3 from a material with a lower work function into a material with a larger work function. As a result, the contacting conductors acquire electric charges of opposite signs. The electric field formed as a result of the separation of charges prevents the further movement of electrons between the contacting materials. In the equilibrium state, a fixed contact potential difference is established between the surfaces of the contacting conductors, which depends on the structure and structure of the contacting materials and on the properties of the contacting surfaces
Поскольку прямое измерение контактной разности потенциалов находящихся в контакте материалов невозможно, требуется разделение образцов материалов для проведения последующих измерений электрических характеристик. Для этого снимается нагрузка с пружинного толкателя, и измерительный электрод 3 возвращается в первоначальное положение. На обкладках конденсатора, образованного противолежащими поверхностями измерительного электрода 3 и исследуемого образца 2, вследствие действия контактной разности потенциалов образуется электрический заряд. В результате разделения зарядов между обкладками конденсатора возникает электрическое поле. Заряд на измерительном электроде 3 в процессе измерений сохраняется за счет экранирования его внешней поверхности и линий связи, соединяющих электрод с входом операционного усилителя 8. Применение электропроводящего экрана 7, подключенного к общему выводу блока электропитания, позволяет исключить утечку заряда через окружающее пространство.Since direct measurement of the contact potential difference of the materials in contact is not possible, separation of material samples is required for subsequent measurements of electrical characteristics. To do this, the load is removed from the spring pusher, and the measuring electrode 3 is returned to its original position. On the plates of the capacitor formed by the opposite surfaces of the measuring electrode 3 and the test sample 2, an electric charge is formed due to the action of the contact potential difference. As a result of the separation of charges between the plates of the capacitor, an electric field arises. The charge on the measuring electrode 3 during the measurement process is saved due to the shielding of its external surface and communication lines connecting the electrode to the input of the operational amplifier 8. The use of an electrically conductive screen 7 connected to the common output of the power supply unit allows eliminating charge leakage through the surrounding space.
С целью исключения утечки в процессе проводимых измерений заряда с измерительного электрода 3 через подключенные к нему электрические цепи производится автоматическая компенсация изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора. После возникновения разности потенциалов на обкладках конденсатора напряжение с измерительного электрода 3 усиливается с помощью операционного усилителя 8, и усиленный сигнал напряжения противоположной полярности подается через электропроводящий корпус 1, с которым соединен выход операционного усилителя 8, на исследуемый образец 2. В результате происходит автоматическая компенсация изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора. Данный процесс продолжается до момента времени, когда потенциал на измерительном электроде 3 сравняется по величине с потенциалом общего вывода блока электропитания, с которым соединен второй вход операционного усилителя 8. Точность компенсации разности потенциалов определяется величиной напряжения смещения входов операционного усилителя 8, которая не превышает 1 мВ. При достижении компенсации изменения разности потенциалов напряжение на обоих входах операционного усилителя 8 равно нулю.In order to prevent leakage during the process of charge measurements from the measuring electrode 3, the potential difference between the capacitor plates is automatically compensated through the electric circuits connected to it. After the potential difference appears on the capacitor plates, the voltage from the measuring electrode 3 is amplified using an operational amplifier 8, and an amplified voltage signal of the opposite polarity is supplied through the conductive housing 1, to which the output of the operational amplifier 8 is connected, to the test sample 2. As a result, the change is automatically compensated potential difference between the capacitor plates. This process continues until the time when the potential at the measuring electrode 3 is equal in magnitude to the potential of the common output of the power supply unit, to which the second input of the operational amplifier 8 is connected. The accuracy of the compensation of the potential difference is determined by the bias voltage of the inputs of the operational amplifier 8, which does not exceed 1 mV . Upon reaching compensation for changes in the potential difference, the voltage at both inputs of the operational amplifier 8 is equal to zero.
Применение метода автоматической компенсации изменения разности потенциалов позволяет полностью устранить утечку заряда с измерительного электрода 3. Величина заряда Q на электроде 3 остается постоянной в течение всего процесса измерения разности потенциалов (ΔQ=0). При этом величина разности потенциалов ΔU на обкладках конденсатора определяется согласно следующему соотношению: ΔU=Q/C, где С - емкость конденсатора, образованного исследуемым образцом 2 и измерительным электродом 3.The application of the method of automatic compensation of changes in the potential difference makes it possible to completely eliminate charge leakage from the measuring electrode 3. The value of charge Q at the electrode 3 remains constant throughout the entire process of measuring the potential difference (ΔQ = 0). In this case, the potential difference ΔU on the capacitor plates is determined according to the following relation: ΔU = Q / C, where C is the capacitance of the capacitor formed by the test sample 2 and the measuring electrode 3.
После размыкания контакта с исследуемым образцом 2 измерительный электрод 3 перемещается относительно поверхности образца 2 с помощью электромеханического средства перемещения 4. Величина измеряемой разности потенциалов регистрируется с помощью регистратора напряжения 9, в качестве которого в рассматриваемом примере реализации изобретения используется осциллограф. С помощью осциллографа регистрируется изменение напряжения U(d) на исследуемом образце 2 в зависимости от расстояния d между противолежащими поверхностями исследуемого образца 2 и измерительного электрода 3. По измеренным зависимостям U(d) для различных исследуемых образцов судят о величине контактной разности потенциалов для каждого выбранного образца. Следует отметить, что измерение зависимости U(d) проводится прямым методом без промежуточных преобразований, что обеспечивает высокое быстродействие измерений и автоматизацию процесса измерений. Сравнивая измеренные зависимости U(d) для различных образцов можно определять изменение поверхностных свойств исследуемого образца и материал образца.After opening the contact with the test sample 2, the measuring electrode 3 is moved relative to the surface of the sample 2 using an electromechanical means of movement 4. The value of the measured potential difference is recorded using the voltage recorder 9, which is used as an oscilloscope in this example implementation of the invention. An oscilloscope records the change in voltage U (d) on the test sample 2 depending on the distance d between the opposite surfaces of the test sample 2 and the measuring electrode 3. Based on the measured dependences U (d) for different test samples, the contact potential difference for each selected sample. It should be noted that the measurement of the dependence U (d) is carried out by the direct method without intermediate transformations, which ensures high measurement performance and automation of the measurement process. By comparing the measured dependences U (d) for different samples, it is possible to determine the change in the surface properties of the test sample and the sample material.
С помощью регистратора напряжения 9 для выбранного исследуемого образца 2 определяется зависимость разности потенциалов ΔU=U(d) на обкладках конденсатора от величины емкости конденсатора С при постоянном значении заряда конденсатора (ΔQ=0). В случае линейного изменения расстояния между исследуемым образцом 2 и перемещаемым измерительным электродом 3 емкость конденсатора С также будет линейно изменяться согласно выбранной зависимости d(t).Using the voltage recorder 9 for the selected test sample 2, the dependence of the potential difference ΔU = U (d) on the capacitor plates on the value of the capacitance C at a constant value of the capacitor charge (ΔQ = 0) is determined. In the case of a linear change in the distance between the test sample 2 and the movable measuring electrode 3, the capacitance of the capacitor C will also vary linearly according to the selected dependence d (t).
Примеры определения контактной разности потенциалов для исследуемых образцов, выполненных из различных материалов, представлены на фиг.2. Прямолинейная зависимость U(d) для образца, выполненного из стали, описывается прямой 10. Зависимость U(d) для образца, выполненного из алюминия, характеризуется прямой 11. В качестве материала измерительного электрода 3 выбрана латунь.Examples of determining the contact potential difference for the studied samples made of various materials are presented in figure 2. The straight-line dependence U (d) for a sample made of steel is described by a
Начальное расстояние между обкладками конденсатора d=0 при проведении измерений характеризует момент контакта измерительного электрода 3 с поверхностью исследуемого образца 2 (U(d)=0). При удалении измерительного электрода 3 от исследуемого образца 2 емкость конденсатора С уменьшается согласно линейной зависимости d(t) изменения расстояния между обкладками конденсатора. В то же время происходит рост регистрируемого напряжения в соответствии с зависимостью ΔU=Q/C при постоянном значении заряда конденсатора Q.The initial distance between the capacitor plates d = 0 during measurements characterizes the moment of contact of the measuring electrode 3 with the surface of the sample 2 (U (d) = 0). When the measuring electrode 3 is removed from the test sample 2, the capacitance of the capacitor C decreases according to the linear dependence d (t) of the change in the distance between the capacitor plates. At the same time, the recorded voltage increases in accordance with the dependence ΔU = Q / C with a constant value of the capacitor charge Q.
Для повышения точности проводимых измерений проводится предварительная калибровка измерительного устройства. С этой целью для металла, из которого выполнен измерительный электрод 3, подбирается металл исследуемого образца 2 таким образом, чтобы для выбранной пары материалов было известно стандартное значение контактной разности потенциалов в соответствии с так называемым рядом Вольта. При достижении значения напряжения, соответствующего стандартной контактной разности потенциалов для выбранной пары металлов, фиксируется время t развертки осциллограммы и определенное расстояние d(t) между исследуемым образцом 2 и измерительным электродом 3.To increase the accuracy of the measurements, a preliminary calibration of the measuring device is carried out. For this purpose, the metal of the test sample 2 is selected for the metal from which the measuring electrode 3 is made so that the standard value of the contact potential difference in accordance with the so-called Volta series is known for the selected pair of materials. Upon reaching the voltage value corresponding to the standard contact potential difference for the selected metal pair, the time t of the sweep of the waveform and a certain distance d (t) between the test sample 2 and the measuring electrode 3 are recorded.
Результаты измерения напряжения U1 и U2 для исследуемых образцов, выполненных из стали и алюминия, были получены на основании измеренных зависимостей U(d) (прямые 10 и 11), которые изображены на фиг.2, для фиксированного расстояния d1 между обкладками конденсатора.The results of measuring the voltage U 1 and U 2 for the samples made of steel and aluminum were obtained on the basis of the measured dependences U (d) (
Примеры определения контактной разности потенциалов для исследуемых образцов, выполненных из стали и имеющих различные поверхностные свойства, представлены на фиг.3. Прямолинейная зависимость U(d) для стального образца с обезжиренной поверхностью характеризуется прямой 12. Зависимость U(d) для стального образца после образования на его поверхности пленки жира определяется прямой 13. В качестве материала измерительного электрода 3 в данном примере реализации изобретения использовалась латунь. Полученные результаты измерений U3 и U4 зарегистрированы для фиксированного расстояния d2 между обкладками конденсатора.Examples of determining the contact potential difference for the studied samples made of steel and having various surface properties are presented in figure 3. The straight-line dependence U (d) for a steel sample with a fat-free surface is characterized by a
Сравнивая полученные зависимости изменения напряжения U(d) и конкретные значения напряжения (U1, U2, и U4), полученные на основании измеренных зависимостей, для образцов, выполненных из разных материалов или из одного материала, но имеющие различные поверхностные свойства, можно судить о контактной разности потенциалов для выбранного исследуемого образца и измерительного электрода.Comparing the obtained dependences of the voltage change U (d) and the specific voltage values (U 1 , U 2 , and U 4 ) obtained on the basis of the measured dependences for samples made from different materials or from the same material, but having different surface properties, one can judge the contact potential difference for the selected test sample and measuring electrode.
Способ определения контактной разности потенциалов и устройство, предназначенное для его реализации, обеспечивают высокую точность и быстродействие измерений за счет поддержания постоянного заряда на обкладках конденсатора путем автоматической компенсации изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора. При этом не требуется применение дополнительных источников напряжения, специально предназначенных для компенсации потенциала на измерительном электроде.The method for determining the contact potential difference and the device intended for its implementation provide high accuracy and speed of measurements by maintaining a constant charge on the capacitor plates by automatically compensating for the change in potential difference between the capacitor plates. It does not require the use of additional voltage sources that are specifically designed to compensate for the potential at the measuring electrode.
Описанные выше примеры осуществления изобретения основаны на использовании конкретного устройства для проведения измерений, однако возможны и другие варианты выполнения средств, предназначенных для реализации способа определения контактной разности потенциалов. Так, в частности, усиление инвертированного сигнала напряжения на измерительном электроде может производиться с помощью иных известных средств и схемных решений, обеспечивающих автоматическое усиление инвертированного сигнала напряжения измерительного электрода. Подача усиленного сигнала на исследуемый образец может осуществляться не только через электропроводный корпус измерительного устройства, но и с помощью других электропроводящих элементов конструкции или специально предназначенных для этого проводников (линий связи), соединяющих выход усилителя напряжения с исследуемым образцом. Для регистрации напряжения на исследуемом образце наряду с осциллографом и блоком обработки данных могут применяться и другие известные средства регистрации напряжения (регистраторы напряжения). В качестве средства перемещения измерительного электрода относительно поверхности исследуемого образца могут использоваться различные виды средств перемещения, в том числе пневматические или гидравлические.The above-described embodiments of the invention are based on the use of a specific device for taking measurements, however, other embodiments of means intended for implementing the method for determining the contact potential difference are also possible. So, in particular, the amplification of the inverted voltage signal at the measuring electrode can be performed using other known means and circuit solutions that provide automatic amplification of the inverted voltage signal of the measuring electrode. The amplified signal can be supplied to the test sample not only through the electrically conductive housing of the measuring device, but also using other electrically conductive structural members or specially designed conductors (communication lines) connecting the output of the voltage amplifier to the test sample. In addition to the oscilloscope and the data processing unit, other well-known voltage recording means (voltage recorders) can be used to record the voltage on the test sample. As a means of moving the measuring electrode relative to the surface of the test sample, various types of moving means, including pneumatic or hydraulic, can be used.
Изобретение может найти широкое применение при проведении исследований поверхностных свойств образцов материалов, а также при проведении операций неразрушающего контроля в различных технологических процессах, связанных с обработкой поверхности и модификацией поверхностных свойств деталей и изделий.The invention can be widely used in studies of the surface properties of samples of materials, as well as in non-destructive testing operations in various technological processes associated with surface treatment and modification of the surface properties of parts and products.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011136736/28A RU2471198C1 (en) | 2011-09-06 | 2011-09-06 | Method to detect contact difference of potentials and related device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011136736/28A RU2471198C1 (en) | 2011-09-06 | 2011-09-06 | Method to detect contact difference of potentials and related device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2471198C1 true RU2471198C1 (en) | 2012-12-27 |
Family
ID=49257574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011136736/28A RU2471198C1 (en) | 2011-09-06 | 2011-09-06 | Method to detect contact difference of potentials and related device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2471198C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA026858B1 (en) * | 2014-12-15 | 2017-05-31 | Белорусский Национальный Технический Университет | Method for measurement of a contact potential difference |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55140163A (en) * | 1979-04-18 | 1980-11-01 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Non-contact voltage measurement device |
| RU1798736C (en) * | 1990-07-24 | 1993-02-28 | Воронежский государственный университет им.Ленинского комсомола | Device for measurement of electric potential of charged surface |
| RU2156983C1 (en) * | 1999-05-24 | 2000-09-27 | Воронежский государственный университет | Method for measuring of alteration of surface potential |
| US7504832B2 (en) * | 2004-12-08 | 2009-03-17 | Canon Kabushiki Kaisha | Electric potential measuring apparatus and image forming apparatus |
-
2011
- 2011-09-06 RU RU2011136736/28A patent/RU2471198C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55140163A (en) * | 1979-04-18 | 1980-11-01 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Non-contact voltage measurement device |
| RU1798736C (en) * | 1990-07-24 | 1993-02-28 | Воронежский государственный университет им.Ленинского комсомола | Device for measurement of electric potential of charged surface |
| RU2156983C1 (en) * | 1999-05-24 | 2000-09-27 | Воронежский государственный университет | Method for measuring of alteration of surface potential |
| US7504832B2 (en) * | 2004-12-08 | 2009-03-17 | Canon Kabushiki Kaisha | Electric potential measuring apparatus and image forming apparatus |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA026858B1 (en) * | 2014-12-15 | 2017-05-31 | Белорусский Национальный Технический Университет | Method for measurement of a contact potential difference |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103460058B (en) | Method and the equipment of the electromotive force of object is contactlessly determined by two different values of electric current | |
| KR20150111865A (en) | Resistance measuring apparatus, substrate test apparatus, test method and method of maintaining jig for test | |
| KR930700855A (en) | System and method for simultaneously executing electronic device test and lead inspection | |
| Flora et al. | Factors affecting polarization and depolarization current measurements on insulation of transformers | |
| KR100329359B1 (en) | Microcapacity measuring system and probing system | |
| RU2471198C1 (en) | Method to detect contact difference of potentials and related device | |
| Xu et al. | Loss current studies of partial discharge activity | |
| US5502375A (en) | Method and apparatus for determining orientation of polarized capacitors | |
| JP2014514558A (en) | Apparatus, clamp meter and method for determining the potential of an object without contact | |
| CN107015030B (en) | A kind of surface potential measurement method | |
| CN213210440U (en) | Small current measurement calibration framework for automatic integrated circuit tester | |
| JP6516063B2 (en) | Measuring device and material testing machine | |
| KR20050103966A (en) | Conductor inspecting device and conductor inspecting method | |
| Shull et al. | Characterization of capacitive array for NDE applications | |
| Merev et al. | Implementation and Analysis of a Reference Partial Discharge Measurement System | |
| JP3506243B2 (en) | Probing system and capacity measurement method | |
| SU1314964A3 (en) | Method for detecting and registering electric phenomena existing around objects and device for effecting same | |
| JP2000232141A (en) | Method for testing conduction of substrate for semiconductor package | |
| Kakimoto et al. | Precise measurement of dielectric properties at very high frequencies | |
| RU1783453C (en) | Method of determination of electric intensity in plane of bulk of solid dielectric | |
| RU2574721C1 (en) | Method of probe diagnostics of magnetoactive plasma | |
| SU1312464A1 (en) | Method of high-precision measuring of contact potential difference by means of static capacitor | |
| Xu | Partial discharges studied by dielectric response method | |
| SU1469420A1 (en) | Method of investigating development of crack in sample of current conducting material | |
| JP4514944B2 (en) | Film thickness measuring device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TC4A | Change in inventorship |
Effective date: 20130215 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180907 |