SU1260813A1 - Импедансный датчик (его варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике, в частное ти к двухэлектродным измерительным устройствам на переменном токе. Цель изобретени  - повьшение точности измерени  импеданса и производных от него величин, обеспечение надежности контактировани  и удобства измерений отвержденных и неотверлщен- ных плохо провод щих покрытий на провод щих, в том числе малогабаритных с площадью до 0,05 см, подложках , особенно дл  тонких (менее 5 мкм) покрытий любой шероховатости и волнистости. Импедансный датчик выполнен как контактный металлический стержень с соосным диском в виде металлического кольца с встав- кой из оргстекла, a в качестве контактного сло  используетс  капл  жидкости, свободно заполн юща  зазор между исследуемым покрытием и рабочей поверхностью датчика. Датчик присоедин етс  к иэмерительнои1у прибору с помощью разъема или металлического провода. Вторым электродом  вл етс  провод ща  ггодложка, на которой адгезировано исследуемое покрытие. 2 с.п. ф-льг, 2 ил. С

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в час.тности к двух- электродиым измерительным устройствам на переменном токе дл  измерени  ускоренным неразрушающим методом полного сопротивлени  (импеданса Z) и производных от него вел лчин (комплексной диэлектрической проницаемости f: ,, тангенса угла диэлектрических потерь tg5 , комплексной проводимости Y , емкости С, сопротивлени  R) , св занных с тол11у1ной, во- допоглощением, водо- и ионопроницае- мостью, защитными CBoftCTBaivm слабо- провод щих покрытий толщиной до 500 мкм на провод щей подложке.

Цель изобретени  - создание импе- дансного датчика, обеспечивающего повышение точности измерени  импеданса и производных от него величин надежности контактировани  датчика с исследуемой поверхностью, удобства измерени  на адгезионньк плохо- провод щих покрыти х любой шероховатости и волнистости, в Том числе на м гких покрыти х и покрыти х на малогабаритных издели х /глощадью до 0,05 смг.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого датчика; на фиг.2 - то же, вариант.

Импеданспый датчик содержит металлический стержень 1, полированный торец 2 стержн , разъем подсоединени  3 к измерительному прибору диск 4, металлическое кольцо 5, вставка из оргстекла 6, липка  лента 7 с отверстием , исследуемое покрытие 8, подложка 9, капл  жидкости 10. Соединение датчика с измерительным прибором (мостом переменного тока, измерителем добротности и т.п.) осуществл етс  через разъем 3.

Вариант предлагаемого датчика (фиг. 2) содержит металлический стержень 1 , полированный торец 2 стержн , металлический провод 3, диск 4, металлическое кольцо 5, вставка из оргстекла 6, липка  лента 7, с отверстием , исследуемое покрытие 8 подложка 9, капл  жидкости 10, металлизированное углубление 11, токопро- Бод ща  жидкость 12. Соединение датчика с измерительным прибором ( мостом переменного тока., измерителем добротности и т.п.) осуществл етс  через металлический провод 3, ный в токопровод щую жидкость 12,,

608132

залитую Б метал.инзиро)1линое углубление 1 1 .

Металлизаци  углублени  увеличивает поверхность соприкосновени  5 токопровод щей жидкости со стрежнем, что уменьшает погрешность измерений электрофизических параметров.

Диск 4 обеспечивает импедансному датчику способность самоустанавли- 10 ватьс  на испытуемой поверхности,

обеспечивает возврат датчика в исходное положение при случайном выведении из него и создает требуемую величину давлени  датчика на исследуе- 15 мое покрытие.

Дл  того, чтобы датчик  вл лс  самоустанавливающимс , т,е. чтобы до момента достижени  системой состо ни  неустойчивого равновеси  диск 4 20 начинал быть упором, должно выполн ть с  условие

д п

внешн. пред.

(1)

где Д

пред.

Д

предельный диаметр диска 4, при котором диск еще способен вернутьс  в состо ние устойчивого равновеси , определ емый по формуле 2P--h

пред.

tpo

+ d

(2)

где f

n

а

tgcJ-p

рассто ние от точки расположени  центра масс диска 4 до покрыти ; высота диска 4; диаметр стержн  1, тангенс угла наклона стержн  к плоскости исследуемого покрыти  в момент достижени  датчиком состо ни  неустойчивого равновеси . Величина Д увеличиваетс  с ростом I при заданном d и практически не зависит от массы диска 4, котора  определ етс  массой металлического кольца 5, т.е. величиной соотношени  егч) внутреннего и внешнего диаметров.

Путем регулировани  массы диска 4 при заданном d достигаетс  требуемое давление датчика на покрытие, датчик может быть и накладным.

Дл  датчика по фиг.1 внешн   сила F, котора  может возникнуть при подсоединении провода измерительного прибора к разъему 3, может вывести

3

датчик из состо ни  устойчивого равновеси . Сила F св зана с давлением Р, создаваемым датчиком, соотношением

F

TTdP 8L

Р,

где L - длина стержн  датчика, мм; d - диаметр стержн , мм.

Из формулы (3) следует., что с уменьшением диаметра стержн  d и увеличением длины стержн  L, способность датчика самоустанавливатьс  узудшаетс , так как мала  по величине сила F выводит датчик из состо ни  устойчивого равновеси .

Устойчивость измерений предлагаемым датчиком достигаетс  выбором величины L, обеспечивающей получение F заданной величины. На действующей модели датчика установлено, что величина F должна превышать 0,05 Н. В случае, когда сила F менее 0,05 Н, предлагаетс  использовать датчик, изображенный на фиг.1. Конструкци  этого варианта датчика такова, что внешн   сила F, способна  вывести датчик из состо ни  устойчивого равновеси , не возникает. Это позвол ет использовать датчик дл  изучени  образцов (изделий) с малой поверхностью и изучать точечные дефекты окрашенных изделий,

В предлагаемом датчике (фиг. 1, фиг. 2) капл  жидкости, свободно за- полн ющай зазор между стержнем 1 и покрытием 8, используетс  в качестве контактного сло , жидкость должна подчин тьс  услови м

(4) (5)

де Z и Z кш

Z и Z кш 1

активна  составл юща  импеданса контактной жидкости и покрыти  соответственно реактивна  составл юща  импеданса контактной жидкости и покрыти  соответственно.

При измерени х испеданса с последующим пересчетом в величину толщины , водопоглощени , водо- и ионопро- ницаемости полимерных покрытий достаточным  вл етс  выполнение менее жесткого услови 

§..

(6)

Если представить электрофизические процессы, протекающие в зазоре, заполненном контактной жидкостью, в виде эквивалентной схемы с параллельным соединением элементов, то модуль импеданса контактной жидкости имеет вид

10

I.ZKJ

(7)

где

0

5

0

Z ) и - модуль импеданса контактной жидкости и исследуемого покрыти  соответственно , Ом М I dj - эффективна  толщина зазора между рабочей поверхностью датчика и покрытием , м;

/yi - удельна  проводимость контактной жидкости. Ом -м , абсолютна  диэлектрическа  проницаемость контактной жидкости, Ф, М ; циклическа  частота переменного тока , Гц.

f„ U .) Из анализа формулы (7) следует, 5 что основной вклад вносит первое слагаемое под корнем знаменател , поэтому выражение (7) приобретает

ВИЯ

d.

0

.

Г

(7а)

Если допустить, что погрешность измерени  не должна превышать 10%, можно записать неравенство

45

. UJ

(8)

из которого следует, что удельна  проводимость жидкости, используемой в качестве контактного сло , подчин етс  УСЛОВИЮ

55

т

оп UJ

(8а)

Конструкци  предлагаемого датчика обеспечивает величину зазора в единищл микрометра между исследуе5 .

мым покрытием и рабочей по1зерхносты датчика, что позвол ет использовать в качестве контактных жидкости с низкой удельной проводимостью,,

Предлагаемый датчик делает возможным использование в качестве контактных и.жидкости с меньшей величиной удельной проводимости - лгидкос- ти с )л .( ) Ом M V, Исход  из соотношени  (ба), при этом не- обходимы следующие дополнительнью услови  проведени  измерени ; увели

НИИ на низких частотах - 500 Гц и ниже или увеличение ТОЛПЦ-П-ЕЫ исследуемого покрыти  (50-500)мкм, либо уменьшение величины эффективного зазора между покрытием и Датчиком п ;, - тем повышени  датчика на покрытие. При зтом то.пщина покрыт л  должна быть не меньше величины эффективного зазора.

Возможность применени  капли жидкости 10 (фиг. 1, фиг. 2) 13 качестве контакта в предлагаемом датчика о5ес печивает большую точность измерени ,, особенно на тонких ( 5,мкм) покрыти х , при этом погрешность измерени  не возрастает с 5 меныаенке1ч давлени  датчика на покрытие что позвол ет использовать датчик дл  измерений на м гких, например, неотвер- аденных и не полностью отваржденных покрыти х. Это делает возможньм устанавливать св зь между параметра:чи неотвержденных покрытий и свойствами Покрыти  после их отверждени 

Предлагаемьй датчик пригоден дл  измерени  импеданса покрытий и практически любой шероховатости,, что следует .из услови 

,

(9}

возникающего как следствий ограг-млеНИН

2кшГ 1.,1

Предлагаемый импедансный датчик qpi применим дл  измерени  на воликстых и имеющих кривизну поверхност х прк условии, что выполн етс  еооть.ошение

г. i

г,

где ж - кривизна измер емой позерх- ности.

полупериод волнистости испытуемого участка поверхности; м,

модуль импеданса испытуемого покрыти , Ом м ,

-,

i

f - удельна  проводимость контактной  сидкости, Ом . Измерение импеданса покрытий и прои;;водньгх от него величин с приме- предлагаемого датчика (фиг.1) производитс  следу оцпм образом На изделие (образец) с испытуег-шм покрытием наклеиваетс  липка  лента 7 с предварительно сделанным отверсти5 ем, диаметр которого на 10-15% превышает диаметр стержн  датчика, что обеспечивает надежную изол цию исследуемого участка покрыти  от остальной ег о поверхности. В отверстие на0 носитс  капл  жидкости 10 и устанавливаетс  датчик, при этом точность самоустановки датчика контролируетс  через прозрачную часть 6 диска 4, вьшолненную из органического стекла.

5 Датчик присоедин етс  через разъем 3 к измерительному прибору, например, к мосту переменного тока. Вторым электродом служит проЕод ща  подложка 9j ла которой аргезировано испы5 туемое покрытие.

Измерение импеданса покрытий и производных от него величин с применением предлаг аемого датчика (фиг. 2) производитс  следу1 11им образом . На из,целие (образец) с испы- т емым покрытием наклеиваетс  липка  лента 7 с предварит-ально сделан- ньпч отверстием,; диаметр которого на 10-15% превышает дкамет р стержн  датчика, что обеспечивает надежную изол цию исследуемог о участка покрыти  от остальной его поверхности. В отверстие наноситс  капл  жидкости 10 и устанавл- -гва тск датчик, при этой очность самоустановки датчика контролируетс  через прозрачную часть 6 диска 4, выполненную из органического стекла. Датчик присоедин етс  к измерительному ггрибору, например „ к мост у переменнолЧ) тока, металлическим проводом Зр ипушенньв- в металлизированное уг.-губление 11, сделанное вс вставке из орг аничес- K VjT o стекла 6 и заполне:-1лое токо- -Провод щей жи,1г,костью 12, Вторым электродом слчпвит провод ща  подлож

к а

-5 на которой адгезировано испт, уемое покрытие,

/

Капл  жидкости, используема  в качестве контактного сло ,позвол ет надежно проводить измерени , так ка во врем  ее существовани  удаетс  произвести количество измерений, до- статочное дл  их статистической обработки .

После проведени  измерений датчик снимаетс  с образца и капл  жидкости удал етс  с помощью фильтроваль- ной бумаги.

Предлагаемый датчик (фиг. 1, фиг. 2) позвол ет через измерение импеданса и его производных определ ть с повьпиенной точностью толщину покрыти  любой шероховатости и волнистости, особенно то.нких(5 мкм покрытий, отвержденных и неотверж- денных, нанесенных на малогабаритные объекты (площадью 0,05 см), быстро оценивать изменение покрытий под действием воды, электролитов, органических растворителей и любых жидкостей во времени, изучать защитные свойства покрытий. Широкие возможности позвол ют примен ть датчик дл  измерений на тонких пленках, особенно важных в таких област х, как радиоэлектроника (печатные платы , микросхемы, микропроцессоры), вычислительна  техника (диски пам ти ЭВМ), антикоррозийна  техника (пленки, полученные при электроло- лимеризации, полимеризаци  в тлеющем разр де и др.).

Claims (2)

1. Импедансный датчик, содержащий металлический стержень с диском, соединенный с измерительным прибором, и контактный слой в виде жидкости, отличающийс  тем, что, с целью повьшени  точности измерени  импеданса и производных от него величин, диск выполнен в виде металлического кольца с вставкой из органического стекла, стержень снабжен разъемом дл  соединени  с измерительным прибором, при этом диаметр d стержн , внешний диаметр нешн Диска и высота закреплени  диска на стержне выбраны из зависимости

вмешн.

21 - h

+ d, мм.

tg ot

h - высота диска;

d - диаметр стержн , мм;

5

О

608138

tpotp- тангенс угла наклона датчика в момент достижени  состо ни  неустойчивого равновеси ,

5 а в качестве контактного сло  использована жидкость с удельной проводимостью , подчин ющейс  соотношению

г, 0 ,1

где

V - удельна  проводимость жидкости . Ом м ,

dj - величина эффективности зазора , м.

J

- модуль импеданса исследуемого покрыти . Ом м ,

2. Импедансный датчик, содержащий металлический стержень с диском , соединенный с измерительным прибором, и контактный слой в виде жидкости, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени  импеданса и производ-- ных от него величин, диск выполнен в виде металлического кольца с вставкой из органического стекла, в которой выполнено углубление с металлизированной поверхностью, заполненное токопровод щей жидкостью и содержащее металлический провод дл  соединени  с измерительным прибором, при этом диаметр d стержн , внешний диаметр Вц ещ диска и высота f закреплени  дисКа на стержне выбраны из зависимости

5 50

40

где

tgoip- тангенс угла наклона датчика в момент достижени  со- сто ни неустойчивого равновеси  ,

а в качестве контактного сло  исполь зована жидкость с удельной проводимостью , подчин ющейс  соотношению

т

где f - d,

0,1

z.i

удельна  проводимость жидкости , Ом м ; величина эффективного зазора , мм ,

модуль импеданса исследуемого покрыти . Ом , м .

w.

L. SSH.

/ЛА

уА

Ш

i

/

/

Bk

/x Фт. /

5 -1U 2

Составитель А.Платова Редактор И.Сегл ник Техред Л.Олейник, Корректор В.Бут г.а

Заказ 5222/43 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитЛа СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-ЗЗ, Раушска  наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г, Ужгород, ул. Проектна , 4

Ф(/.2