SU1396089A1 - Устройство дл измерени напр женности электрического пол - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано , в частности, в приборах дл  контрол  электростатических зар дов элементов конструкций в производственных услови х, дл  контрол  состо ни  окружающей среды. Устройство дл  измерени  напр женности электрического пол  содержит емкостный датчик в виде измерительного электрода, выполненного в виде мембраны 1, и электрода 2 обратной св зи, детектор 18, блок 19 сравнени , проходной транзистор 21, модул тор в виде соленоида 22, генератор 25, источник 20 опорного напр жени , усилитель 8 напр жени , измеритель 10, усилитель 6тока, синхронные фильтр и детектор 7и 9 соответственно, дифференциальный усилитель 17, датчик колебаний измерительного электрода, выполненный в виде оптической системы со све- тодиодом 13, источником 14 питани , измерительным и контактным фотодиодами 15 и 16 соответственно. Устройство имеет повышенную точность измерени  . 1 3.п. ф-лы, 1 ил. (Л

Description

(lltl f ff

tlSlS,

оэ со

О)

00

со

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к измере- ни м напр женности электрических полей , и может быть использовано при создании приборов дл  контроп  электростатических зар дов элементов конструкций в производственных услови х дл  контрол  состо ни  окружающей среды, при исследовании свойств ат- мосферы плазмы и т,д.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  устройства,

На чертеже приведена схема устройства дл  измерени  напр женности электрического пол  испытуемого объекта .

Устройство содержит емкостный датчик , состо щий из измерительного электрода, выполненного в виде мем- браны 1, и электрода 2 обратной св зи . Мембрана 1 вьтолнена из упругого магнитного и электропроводного материала . Плоскости мембраны 1 и элект рода 2 обратной св зи параллельны,,

Электрод 2 обратной св зи через изолирующую прокладку 3 фиксируетс  вместе с мембраной 1 фиксирующими кольцами 4 и 5 так, что образуетс  едина  конструкци .

Мембрана 1 соединена с входом усилител  6 тока, выход которого соеди- нен с входом синхронного фильтра 7, Выход синхронного ф1-шьтра 7 соединен с входом неинвертирующего усилител  8 напр жени . Выход усилител  8 соединен с входом синхронного детектора 9, выход синхронного детектора 9 соединен с электродом 2 обратной св зи и входом измерител  10. Плоскость мембраны 1 при отсутствии возбуждени находитс  в фокальной плоскости оптической системы, с.осто щей из фокусирующей линзы 11, собирающей линзы 12, светодиода 13, вход которого сое динен с выходом источника питани  свтодиода 14, измерительного 15 и контрольного 16 фотодиодов, выходы которых соединены с неинвертирующим и ин вертирующим входами дифферени 1ально- го усилител  17, выход которого соединен с входом детектора 18, а вькод последнего - с входом блока 19 сравнени , второй вход которого соединен с источником 20 опорного напр жени . Выход блока 19 сравнени  соединен с базой проходного транзистора 21, эмиттер проходного транзистора 21 со л.инен с входом соленоида 22, которьш

,.

г

0 5

Q

.,. .

5

служит моду л тором мембраны 1 посредством переменного магнитного пол  и заключен в электростатический экран 23. В оптическую систему входит также световод 24, который соединен одним концом со светодиодом 13, а другим - с контрольным фотодиодом 16. Устройство содержит также генератор 25, выход которого соединен с коллектором проходного транзистора 21 и вторыми входами синхронного фильтра 7 синхронного детектора 9.

Электрод 2 обратной св зи имеет отверстие 26, которое обеспечивает прохождение световых лучей, падающих на мембрану 1 и отраженных от нее.

Устройство дл  измерени  напр женности электрического пол  работает следующим образом.

Электрический зар д dq,, наведен- ньш на мембране 1 измер емым полем Е, компенсируетс  полем отрицательной обратной св зи Е (,, Любре изменение внешнего пол  вызьгоает изменение наведенного на мембране 1 q, а следовательно , и тока в измерительном тракте , который в свою очередь после усилени , фильтрации и детектировани  вызьгаает такое изменение напр женности пол  обратной св зи , которое в точности компенсирует индyп poвaн- ный измер емым полем зар д.

Переменное напр жение генератора 25, поступа  через проходной транзистор 21 на соленоид 22, создает переменное магнитное поле, которое заставл ет колебатьс  (синхронно с последним ) измерительную мембрану 1 емкостного датчика. На измерительной мембране 1 индуцируетс  зар д /iq, пропорциональный амплитуде колебаний 1 мембраны 1 и напр  шнности электрического пол  Е, другими словами

q k ,

(1)

или временна  зависимость изменени  зар да й(l будет иметь вид

k Е- 1 sinu.1 t, (2)

где k - коэффициент пропорциональности , завис щий от линейных размеров измерительной мем- раны 1 ,

ЕО диэлектрическа  проницаемость воздуха (среды).

При этом входной ток усилител  6 тока, обусловленный изменением зар да aq, равен

i -2 k - ЕдЕ wl-coscot, (3)

где ы - углова  частота изменени 

амплитуды колебаний измери- тельной мембраны 1. Усилитель 6 тока усиливает этот сигнал, а также шумовые напр жени  и наводку от сигнала возбуждени . Синхронный фильтр 7, настроенньй на усиление только сигнала по выражению (3), подавл ет все наводки, не совпадающие с сигналом по фазе, и частоте. Отфильтрованньй таким образом сигнал усиливаетс  усилителем 8 напр жени  и детектируетс  синхронным детектором 9, на выходе которого имеем

V k- o E-l-LO.k,-k

г

где k, - коэффициент усилени  усилител  6 тока;

k. - коэффициент усилени  усилител  8 напр жени . ЗО Это напр жение подаетс  на электрод 2 обратной св зи, и напр женность электрического пол , создаваемого электродом 2 обратной св зи

k to-l w-ki-k2

где d - рассто ние между измерительным электродом 1 и электродом 2 обратной св зи

Из выражени  (4) видно, что погрешность измерени  определ етс  стабильностью частоты и стабильностью .амплитуды колебаний мембраны 1.

Поскольку существуют генераторы со стабильностью частоты uf 10 то основной величиной, внос щей погрешность в определение истинного значени  Е,  вл етй  амплитуда кол.е- баний мембраны 1. В процессе эксплуа тации при различных внешних воздействи х могут мен тьс  механические, магнитные и другие свойства мембраны 1, что может вызвать изменение амплитуды колебаний мембраны 1.

Стабилизаци  амплитуды колебаний мембраны 1 осуществл- етс  по следующей схеме.

5

to 15 20 25

ЗО ь

35

. 40

5 -50 55

В исходном положении плоскость мембраны 1 находитс  в фокальной плоскости относительно системы, состо щей из собирающей линзы 12, фокусирующей линзы 11. При включении источника питани  светодиода 14 отраженньй от мембраны 1 световой поток попадает на измерительный фотодиод 15, наход щийс  в плоскости изображени  собирающей линзы. При включении генератора 25 измерительна  мембрана 1 приходит в колебательное движение и на фотодиод 15 поступает переменньй по интенсивности световой поток (максимальным световой поток будет тогда , когда мембрана находитс  в фокальной плоскости системы, состо щей из собирающей 12 и фокусирующей 11 линз, поэтому на выходе фотодиода 15 по витс  переменньй электрический сигнал рассогласовани , обусловленньй отклонением мембраны 1 от фокальной плоскости, которьй усиливаетс  дифференциальным усилителем 17, затем детектируетс  детектором 18. Выпр м- ленньш сигнал поступает на блок 19 сравнени , куда также поступает опорное напр жение с источника 20 опорного напр жени . С блока сравнени  сигнал поступает на проходной транзистор 21.

Выполнение датчика колебаний мембраны 1 в виде оптической системы позвол ет контролировать амплитуду колебаний мембраны 1 с точностью, практически соизмеримой с длиной волны излучающего светодиода 13.

Дл  того чтобы величина выходного сигнала фотодиода 15 не зависела от  ркости свечени  светодиода 13 (например , из-за нестабильности источника питани  фотодиода 14), часть светового потока через светодиод 24 заводитс  на контрольный фотодиод 16, ас него полученньй электрический сигнал поступает на противополож- ньш по отношению к сигналу, снимаемому с измерительного фотодиода 15, вход дифференциального усилител  17.

Новое конструктивное вьшатнение емкостного датчика с введением электрода 2 обратной св зи и электрических узлов позвол ет обеспечить 100%- ную обратную св зь по электрическому полю и охват ею не только усилительного тракта, но и измерительного элемента - мембраны 1.

51

Claims (2)

1. Устройство дл  измерени  напр женности электрического пол , содержащее емкостный датчик в виде изме- рительного электрода, датчик колебаний измерительного электрода, последовательно соединенные детектор, бло сравнени , проходной транзистор и модул тор в виде соленоида, генератор, и|сточник опорного напр жени , под- к люченный к второму входу блока срав н|ени , усилитель напр жени  и изме- р;итель, отличающеес  тем

что, с целью повышени  точности из- м1ерени , в устройство введены усилитель тока, синхронных фильтр, синхронный детектор, дифференциальньй усилитель, а емкостньй датчик снаб- электродом обратной св зи в виде плоскости с окном, расположенной против плоскости измерительного электрода , выполненного в виде мембраны,, размещенной между источником электрического пол  и датчиком колебаний измерительного электрода, измерительный электрод соединен с инвертирующим вводом усилител  тока, выход которого соединен с первым входом синхрон-соединен с вьЕХодом генератора, выход синхронного фильтра соединен с инвертирующим входом усилител  напр жени , выход которого соединен с первым входом синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора, выход синхронного детектора соединен с входом измерител  и электродом обратной св зи, входы дифференциального усилител  соединены соответственно с первым и вторым выходами датчика колебаний измерительного электрода, выход дифференциального усилител  соединен с входом детектора, коллектор проходного транзистора соединен с выходом генератора , эмиттер проходного транзистора соединен с входом соленоида, в осевом канале которого расположен датчик колебаний измерительного электрода .

2. Устройство по п. 1, о т л и - чающеес  тем, что датчик колебаний измерительного электрода выполнен в виде оптической системы со светодиодом, подключенным к источнику питани , измерительным и контроль- ньм фотодиодами, выходы которых сое

ного фильтра, второй вход которого 30 Динены с выходами датчика.