SU1509758A1 - Измеритель напр женности статических и квазистатических электрических полей - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике. Цель изобретени  - повышение чувствительности и точности измерений. Измеритель в качестве возбудител  механических колебаний имеет пьезоэлектрик 1. При подаче на электроды 3 через проходной транзистор 7 с генератора 8 опорного напр жени  возбуждени  пьезоэлектрик 1 будет измен ть свою длину синхронно с напр жением возбуждени . Дл  стабилизации амплитуды колебаний пьезоэлектрика 1 введен электрод 4 обратной св зи, сигнал с которого поступает на схему сравнени  9, а с ее выхода - на базу транзистора 7. Если амплитуда продольных колебаний пьезоэлектрика 1 уменьшилась или увеличилась (при изменении окружающей влажности, температуры и т.д.), то схема сравнени  9 подает на базу транзистора 7 сигнал рассогласовани , который так изменит сопротивление транзистора 7, что напр жени  возбуждени  на электроде 3 восстановит прежнюю амплитуду колебаний. Это обеспечивает повышение чувствительности и точности измерений. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике и может быть использовано дл  измерени  напр женности статических и квазистатических электрических полей при контроле электрических зар дов элементов конструкций , образцов материалов,свойств: атмосферы,

; Цель изобретени  - повышение чув-. 10 Ствительности и точности.

На фиг. 1 приведена электрическа  структурна  схема измерител  напр женности статических и квазистатических электрических полей; на фиг. 2 - 15 конструкци  возбудител  механических колебаний с расположением на нем электродов.

Измеритель напр женности статических и квазистатических электрических 20 полей включает возбудитель механических колебаний, в качестве которого используетс  пьезоэлектрик 1, на котором расположены измерительный электА

тора 15, выход которого соединен с входом блока. 16 измерени  и элекгро- дом 6 отрицательной обратной св зи, причем управл ющие входы синхронного детектора 15, первого синхронного фильтра 1.1 и второго синхронного фильтра 13 соединены с выходом генератора 8 опорного напр жени .

Измеритель напр женности статических и квазистатических электрических полей работает следующим образом.

В качестве возбудител  механических колебаний (модул тора) примен етс  пьезоэлектрик 1 (титанат бари  ВаТЮ) и используетс  обратный продольный пьезоэлектрический эффект. Это значит, что если к электродам 3 пьезоэлектрика 1 (фиг, 2) приложить напр жение возбуждени , то дпина пьезоэлектрика 1 будет измен тьс , а следовательно и длина ( площадь) измерительного электрода 2, причем на торце пьезоэлектрика на электроде 4

30

род 2, электроды 3 возбуждени , элект-25 обратной св зи возникает напр жение, род 4 обратной св зи, вспомогательный электрод 5 , электрод 6 отрицательной обратной св зи, причем один возбуждающий электрод заземлен, а другой соединен с коллектором проходного транзистора 7, эмиттер которого соединен с выходом генератора В опорного напр жени , а база .проходного транзистора 7 соединена с выхудом схемы 9 сравнени  (схема сравнени  содержит также источник эталонного сигнала), вход которой соединен с электродом 4 обратной св зи, измерительный элек.т- род 2;. соединен с входом первого уси35

пропорциональное изменению длины пьезоэлектрика,

I

Все перечисленные электроды, а . , также вспомогательный электрод 5 нанесены на пьезоэлектрик путем термо- обработки специальной содержащей серебро пасты, В результате термообработки на пьезоэлектрике 1 могут быть получены надежно закрепленные продиф- фундированные в керамику серебр ные электроды.

Итак, при подаче на электроды 3 через проходной транзистор 7 с генетора 15, выход которого соединен с входом блока. 16 измерени  и элекгро- дом 6 отрицательной обратной св зи, причем управл ющие входы синхронного детектора 15, первого синхронного фильтра 1.1 и второго синхронного фильтра 13 соединены с выходом генератора 8 опорного напр жени .

Измеритель напр женности статических и квазистатических электрических полей работает следующим образом.

В качестве возбудител  механических колебаний (модул тора) примен етс  пьезоэлектрик 1 (титанат бари  ВаТЮ) и используетс  обратный продольный пьезоэлектрический эффект. Это значит, что если к электродам 3 пьезоэлектрика 1 (фиг, 2) приложить напр жение возбуждени , то дпина пьезоэлектрика 1 будет измен тьс , а следовательно и длина ( площадь) измерительного электрода 2, причем на торце пьезоэлектрика на электроде 4

обратной св зи возникает напр жение,

обратной св зи возникает напр жение,

пропорциональное изменению длины пьезоэлектрика,

I

Все перечисленные электроды, а . , также вспомогательный электрод 5 нанесены на пьезоэлектрик путем термо- - обработки специальной содержащей серебро пасты, В результате термообработки на пьезоэлектрике 1 могут быть получены надежно закрепленные продиф- фундированные в керамику серебр ные электроды.

Итак, при подаче на электроды 3 через проходной транзистор 7 с гене

лител  10 посто нного тока, выход ко-40 ратора 8 опорного напр жени  напр жеторого соединен с входом первого синхронного филь- ра 1 1 , причем выход первого синхронного фильтра 11 и вход первого усилител  10 посто нного тока

соединены через первую емкость обрат-45 длину, а следовательно, и площадь Д8

ной св зи. 4 вспомогательный электрод 5 соединен с вторым усилителем 12 посто нного тока, выход которого соединен с входом второго синхронного фильтра 13, а выход послед- 50 него - с инвертирующим входом дифференциального усилител  14, с неинвер- тиругацнм входом которого соединен выход фильтра 11, выход второго синхронного фильтра 13 и вход второго уси- 55 лител  12 тока соединены через вторую емкость обратной св зи Со.сет. ход дифференциального усилител  14 соединен с входом синхронного детекни  возбуждени . пьезоэлектрик 1 бу дет измен ть свою длину синхронно с напр жением возбуждени , а это приводит к тому, что будет измен ть свою

измерительный электрод 2, наход щийс  в измеренном поле Е, и на этом электроде будет индуцироватьс  за- р д Uq.

Величина зар да пропорциональна uq о а SE,(1)

где бд - диэлектрическа  прбницае-.

мость воздуха;

Д S - изменение площади измерительного электрода; Е - напр женность измер емого пол .

Зависимость изменени  зар да Дд времени определ етс  соотношением

ЛЧ uqsincot.(2)

При этом входной ток ус1-1пител  10

3l E uSEsinQt utt

(3)

10

20

(, USEcocoscOt,

где СО - углова  частота изменени 

длины измерительного- электрода .

Первый усилитель 10 тока усиливает полезный сигнал, а также шумовые нап- 15 р жени  и наводку от сигнала возбуждени , а введение первой емкости от-.

рицательной обратной св зи С . по

Ottb т полезному сигналу совместно с первым

усилителем 10 тока и первым синхронным фильтром 11 (синхронный фильтр настроен на усиление только сигнала (3) ,подавл ет не совпадакнцие с сигналом по фазе и частоте) позвол ет на 2-3 пор дка улучшить отношение сигнал-шум , по отношению к (2).

Дл  того, чтобы подавить наведенный сигнал, вызванный напр жением возбуждени  (наведенный сигнал син- фазен с полезным сигналом), и тот спектр шумов модул тора, которьш совпадает с его резонансной частотой (остальную часть спектра подавл ют синхронные фильтры), введен вспомога- тельньм электрод 5, равньй по площади

измерительному электроду 2, и сигнал с которого, пройд  через тракт, ана- логичньш тракту дл  полезного сигнала (второй усилитель 12 тока, второй син- хронньш фильтр 13, выход которого соединен с входом усилител  12 второй

Е,

Ео U SEuKj Kz d

(5)

где d рассто ние между измерительным электродом 2 и электро- 6 обратной св зи,

вследствие наличи  обратной отрицательной св зи по электрическому нолю измеритель работает как нуль-орган , причем его точность тем выше, чем больше напр женность пол  обратной св зи по отношению к напр женности измер емого электрического пол .

Дл  стабилизации амплитуды колебаний пьезоэлектрика введен электрод 4 обратной св зи, сигнал с которого 25 поступает на схему 9 сравнени , а с выхода схемы сравнени  на базу проходного транзистора 7

Предположим, что амплитуда продольных колебаний пьезоэлектрика :. уменьшилась или увеличилась, сказалось изменение окружающей влажности.

30

температуры и т.д.

то схема сравне35

емкостью обратной св зи С j,g ), поступает на вход дифференциального усилител  14, на другой вход которого поступает сигнал от измерительного электрода 2, т.е. происходит окончательное подавление синфазных помех, Усиленньй дифференциальным усилителем 14 полезный сигнал детектируетс  синхронным деуектором 15 и выпр мленный сигнал

Пд e,&SE(oK,K,

где К - коэффициент усилени  по полезному сиг}лалу (т.е. усилег ние первого усилител  10 совместно с первым синхронным фильтром 11);

НИН подает на базу проходного транзистора 7 сигнал рассогласовани , который так измен ет сопротивление транзистора 7, что напр жение возбуждени  на электроде 3 восстановит прежнюю амплитуду колебаний, что и обеспечивает высокую точность измере40 НИИ в производственных услови х.

Качественно новое решение поставленной задачи (использование пьезоэлектрика ) , применение электронной стабилизации амплитуды колебаний с

45 использованием физических свойств самого, рабочего элемента - пьезоэлектрика , введение вспомогательного электрода, емкостей обратной св зи по отфильтрованному сигналу, а также

50 дифференциального усилител , позвол ет качественно улучшить отношение сигнал - шум, и как следствие - точ- /д ность и чувствительность измерений.

Claims (1)

1. При этом чувствительность предлагае55 мого устройства вьш1е чем известного (0,2 В/м) при точности измерений .1%. Формула изобретени 

   Измеритель напр женности статических и квазистатических электри

   К - крэффивдент усилени  дифференциального усилител  14 и синхронного детектора 15, поступает на электрод 6 обратной св зи и создает на нем, по отношению к измерительному электроду, напр женность пол  обратной св зи

   10

   Е,

   Ео U SEuKj Kz d

   (5)

   20

   15

   где d рассто ние между измерительным электродом 2 и электро- 6 обратной св зи,

   вследствие наличи  обратной отрицательной св зи по электрическому нолю измеритель работает как нуль-орган , причем его точность тем выше, чем больше напр женность пол  обратной св зи по отношению к напр женности измер емого электрического пол .

   Дл  стабилизации амплитуды колебаний пьезоэлектрика введен электрод 4 обратной св зи, сигнал с которого 25 поступает на схему 9 сравнени , а с выхода схемы сравнени  на базу проходного транзистора 7

   Предположим, что амплитуда продольных колебаний пьезоэлектрика :. уменьшилась или увеличилась, сказалось изменение окружающей влажности.

   30

   температуры и т.д.

   то схема сравне