SU1698824A1 - Способ измерени проводимости и диэлектрической проницаемости и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  - повышение точности одновременного измерени  проводимости и диэлектрической проницаемости диэлектрических и полупроводниковых материалов. Поставленна  цель достигаетс  в результате введени  операции формировани  возбуждающего напр жени  в виде двух серий импульсов пр моугольной формы, преобразовани  разностного напр жени  двух конденсаторов на интервале времени зар да конденса- торов до величины возбуждающего напр жени  в импульсы тока и в накапливаемый зар д, преобразовани  разностного напр жени  на интервале времени после переходного процесса зар да конденсаторов до конца импульса в импульсы тока и в накапливаемый зар д, вычитани  зар дов и преобразовани  в напр жение, пропорциональное диэлектрической проницаемости, преобразовани  разностного напр жени  двух конденсаторов на интервале времени после окончани  переходного процесса зар да конденсаторов в импульсы тока и в накапливаемый зар д, преобразовани  зар да в напр жение, пропорциональное электрической проводимости. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл. сл с

Description

Способ и устройство дл  измерени  проводимости и диэлектрической проницаемости относ тс  к измерительной технике, а точнее к устройствам многопараметрических измерений электрических свойств материалов , и могут использоватьс  дл  контрол  по- лупроводников и диэлектриков по параметрам электрической проводимости и диэлектрической проницаемости, а также размерных величин изделий из материалов с известными электрическими параметрами.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  электрической проводимости и диэлектрической проницаемости диэлектрических и полупроводниковых материалов путем измерени  двух информационных параметров сигнала, один из которых св зан только с электрической проводимостью , а другой - только с диэлектрической проницаемостью.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее способ, схема; на фиг.2 - выполнение блока управлени ; на фиг.З - эпюры напр жений.

Способ измерени  электрической проводимости и диэлектрической проницаемости реализуют следующим образом.

Два идентичных воздушных конденсатора , в электрическом поле одного из которых размещают изделие из исследуемого

о ю

00

00

N5 4

материала с неизвестными параметрами диэлектрической проницаемости и проводимости , возбуждают серией импульсов напр жени  пр моугольной формы. Выбор возбуждающего напр жени  в виде импульсов пр моугольной формы позвол ет получить разностное напр жение на выходе измерительного преобразовател  с разделением по времени процессов зар да конденсаторов до напр жени  входного сигнала и процессов проводимости тока через диэлектрик конденсатора. Такое разделение возможно благодар  короткому фронту импульса напр жени  и малой посто нной времени зар да по сравнению с длительностью импульса возбуждающего напр жени , Поскольку в момент зар да конденсатора ток через него состоит из составл ющей зар да емкости и тока проводимости через сопротивление диэлектрика, причем эти составл ющие складываютс  на интервале времени зар да конденсатора, то дл  измерени  сигнала, пропорционального диэлектрической проницаемости, необходимо вычесть из напр жени  сигнала, совпадающего с фронтом импульса, напр жение сигнала, совпадающего с плоской частью импульса. Вычитание напр жений выполн ют посредством операций преобразовани  составл ющих напр жений сигнала в импульсы тока с преобразованием последних в зар д, причем операци  вычитани  выполн етс  на уровне зар дов. Оптимальна  обработка сигналов по критерию отношени  сигнал/шум выполн етс  за счет операции накоплени  результатов вычитани  дл  всех импульсов серии.

На плоской части импульса на интервале времени, где ток зар да емкости конденсатора отсутствует, имеет место ток проводимости через диэлектрик конденсатора . Поэтому разностное напр жение сигнала на этом интервале времени однозначно характеризует электрическую проводимость материала диэлектрика или полупроводника. Дл  получени  напр жени  выходного сигнала, пропорционального проводимости материала, разностное напр жение на плоской части импульса возбуждени  преобразуют в импульсы тока с последующим преобразованием в зар д. Эти зар ды импульсов всей серии накапливают , а суммарный результирующий зар д преобразуют в напр жение, пропорциональное проводимости материала.

Таким образом, электрическа  проводимость и диэлектрическа  проницаемость характеризуютс  одним и тем же параметром - напр жением разностного сигнала измерительного преобразовател , но на его

различных временных участках. Это по сн етс  эпюрой напр жени  сигнала, приведенной на фиг.З, где на позиции а показан импульс напр жени  возбуждени  конденсаторов , а на позиции б - разностное напр жение конденсаторов с учетом внесени  в электрическое поле первого из них издели  из диэлектрического или полупроводникового материала. Разность напр жений на

0 участках Xi и Х2 характеризует диэлектрическую проницаемость материала, а напр жение на участке Х2 - электрическую проводимость.

Дл  обеспечени  двух режимов измере5 ни  (электрической проводимости и диэлектрической проницаемости) конденсаторы возбуждают двум  последовательными сери ми импульсов напр жени  пр моугольной формы. Во врем  первой серии

0 измер ют диэлектрическую проницаемость материала издели , а во врем  второй - его электрическую проводимость. Оптимальна  обработка информационных параметров сигнала методом накоплени  зар дов

5 увеличивает отношение сигнал/шум, что значительно повышает чувствительность и точность метода.

Дл  измерени  предлагаемым способом нет необходимости изготавливать спе0 циальный образец из исследуемого материала. Измерение электрических параметров диэлектриков и полупроводников осуществл етс  непосредственно на изделии путем приближени  к нему измеритель5 ного преобразовател первого

конденсатора.

Посредством способа измер ли диэлектрическую проницаемость и проводимость некоторых диэлектрических материалов:

0 стекла, гетинакса, стеклотекстолита, органического стекла, резины. Измер емые параметры оценивали величиной напр жени  на выходе специально изготовленного устройства , реализующего предлагаемый спо5 соб. Результаты измерени  сведены в таблицу, Отношение результатов измерений соответствует справочным данным.

Устройство, реализующее способ, содержит формирователь 1 импульсов напр 0 жени  пр моу гольной формы, два воздушных конденсатора 2 и 3, вычитающий трансформатор 4, два накопительных конденсатора 5 и 6, два блока 7 и 8 разр да накопительных конденсаторов, шесть уп5 равл емых ключей 9-14, два истоковых повторител  15 и 16, дифференциальный усилитель 17, три генератора 18-20 тока, две  чейки 21 и 22 выборки и хранени  и блок 23 управлени , причем выход формировател  1 соединен с первыми выводами

конденсаторов 2 и 3, вторые выводы которых соединены с первичной обмоткой трансформатора 4, средн   точка которой соединена с шиной нулевого потенциала, первый вывод вторичной обмотки транс- форматора 4 соединен с объединенными первым управл ющим входом первого 7 и вторым управл ющим входом второго 8 блоков разр да накопительных конденсаторов , второй вывод вторичной обмотки трансформатора 4 соединен с объединенными вторым управл ющим входом первого 7 и первым управл ющим входом второго 8 блоков разр да накопительных конденсаторов , токовые входы которых соответствен- но через первый 9 и второй 10 управл емые ключи подключены к выходу первого генератора 18 тока, вход которого подключен к первой шине 24 питани , попарно объединенные первые и вторые выходы первого 7 и второго 8 блоков разр да накопительных конденсаторов подключены к первым выводам соответственно первого 5 и второго 6 накопительных конденсаторов, вторые выводы которых соединены с шиной нулевого потенциала, к входам соответственно первого 15 и второго 16 истоковых повторителей , соответственно через третий 11 и четвертый 12 ключи соединены с второй шиной 25 питани  и соответственно через п - тый 13 и шестой 14 ключи подключены к выходам второго 19 и третьего 20 генераторов тока, входы которых соединены с второй шиной 25 питани , выходы первого 15 и второго 16 истоковых повторителей соеди- нены с входами дифференциального усилител  17, выход которого подключен к информационным входам первой 21 и второй 22  чеек выборки и хранени  (АЦП), выходы которых служат первым и вторым выходами устройства, управл ющие входы формировател  1 и ключей 9 и 10 соединены соответственно с первым 26, вторым 27 и третьим 28 выходами блока 23 управлени , попарно объединенные управл ющие вхо- ды ключей 11-14 соединены соответственно с четвертым 29 и п тым 30 выходами блока управлени , шестой 31 и седьмой 32 выходы которого подключены к управл ющим входам соответственно первой 21 и второй 22  чеек выборки и хранени  (АЦП), изделие 33 из контролируемого материала помещаетс  в электрическое поле первого конденсатора 2.

Блок управлени  содержит генератор 33 импульсов, счетчик 34, дифференциатор 35, триггер 36, два элемента 37 и 38 задержки , п ть элементов И 39-43 и элемент ИЛИ 44. Выход генератора 33 импульсов соединен через счетчик 34 с входами триггера 36

и дифференциатора 35, выход которого подключен к первым входам первого 39 и второго 40 элементов И и через элемент 37 задержки - к второму входу блока управлени . Пр мой выход триггера 36 соединен с вторым входом второго элемента И 40, а инверсный - с первым входом третьего элемента И 41, второй вход которого подключен к п тому элементу И 42, первый и второй которого соединены с первым выходом блока управлени  и вторым входом четвертого элемента И 43. Первый вход этого элемента через элемент НЕ 45 соединен с выходом п того элемента И 42. Входы элемента ИЛИ 44 подключены к выходам третьего 41 и четвертого 43 элементов И,  вл ющихс  третьим и п тым выходами устройства. Шестой и седьмой выходы блока подключены к выходам первого 39 и второго 40 элементов И.

Устройство дл  измерени  электрической проводимости и диэлектрической про- ницаемости работает следующим образом.

Сери  импульсов на выходе 26 блока 23 управлени  запускает формирователь 1 импульсов напр жени , которые зар жают конденсаторы 2 и 3. Так как они идентичны, то токи зар да и токи утечки этих конденсаторов одинаковы, поэтому напр жение на вторичной обмотке вычитающего трансформатора , определ емое разностью токов в первичных обмотках трансформатора, равно нулю. Нулю равно и напр жение на выходе устройства. При внесении в электрическое поле первого конденсатора издели  из диэлектрического или полупроводникового материала емкость конденса,- тора увеличиваетс . В результате возрастает ток зар да и утечки конденсатора . На выходе вычитающего трансформатора во врем  импульса возбуждени  по вл етс  сигнал, напр жение которого на интервале времени зар да конденсатора пропорционально сумме токов зар да и утечки, а на интервале времени после переходного процесса зар да конденсатора до спада импульса возбуждени  пропорционально току утечки, т.е. проводимости материала . Разность напр жений сигнала на первом и втором интервалах времени пропорциональна диэлектрической проницаемости материала.

Во врем  первой серии импульсов измер ют диэлектрическую проницаемость материала, а во врем  второй - его проводимость . Серии импульсов формируютс  в блоке 23 управлени  посредством счетчика. Когда старший разр д счетчика (фиг.2, триггер 36) находитс  в состо нии О, формируетс  перва  сери  импульсов дл  измерени  диэлектрической проницаемости материала , котора  оцениваетс  по разности сигналов на вторичной обмотке трансформатора 4 на переднем фронте импульса возбуждени  и на плоской его части. Когда старший разр д счетчика находитс  в состо нии 1, формируетс  втора  сери  импульсов возбуждени  дл  измерени  проводимости материала , котора  оцениваетс  по напр жению сигнала на интервале времени импульса возбуждени  после переходного процесса зар да конденсатора до спада импульса.

Дл  оптимальной обработки сигналов используетс  схема с накоплением зар да. В начале каждой серии формируетс  управл ющий сигнал на выходе 29 блока 23 управ- лени , В результате ключи 11 и 12 замыкаютс  и накопительные конденсаторы 5 и 6 зар жаютс  до напр жени  второй шины питани . После размыкани  ключей 11 и 12 во врем  первой серии на интервале времени зар да конденсаторов 2 и 3, т.е. на переднем фронте импульсов возбуждени , замыкаетс  ключ 9 и ток генератора 18 поступает на токовый вход блока 7 разр да конденсаторов 5 и б и перераспредел етс  между выходами блока 7 пропорционально напр жению на его управл ющих входах, и конденсаторы 5 и 6 разр жаютс  токами блока 7 до разных уровней напр жений. После размыкани  ключа 9 на плоской части импульса тока возбуждени  по сигналу на выходе 29 блока 23 управлени  замыкаетс  ключ 10, ответвл ющий ток генератора 18 и в блок 8 разр да конденсаторов. В результате происходит дальнейшей разр д конденсаторов 5 и 6 токами, пропорциональными напр жению на управл ющих входах блока 8 разр да конденсаторовТак как блоки 7 и 8 разр да конденсаторов включены между собой встречно, то во врем  замыкани  ключа 10 происходит вычитание зар да конденсаторов из первого результата, занесенного во врем  замыкани  ключа 9. Таким образом, результирующее напр жение на конденсаторах 5 и 6 соответствует разности напр жений сигнала на переднем фронте импульса возбужде- ни  и на плоской его части, На последующих импульсах первой серии последовательность замыкани  ключей 9 и 10 сохран етс , разр д конденсаторов продолжаетс . В результате в конце серии напр жение зар да конденсаторов становитс  равным сумме зар дов на интервале времени одного импульса, Дл  увеличени  коэффициента усилени  входного каскада, состо щего из блоков разр да, накопительных конденсаторов, токовых ключей и генератора 18 тока, в устройстве используетс  цепь подзар да накопительных конденсаторов, содержаща  ключи 13 и 14

и генераторы 19 и 20 тока. Ключи 13 и 14 замыкаютс  по сигналам с выхода 30 блока 23 управлени  одновременно с ключами 9 и 10. Ток генераторов 19 и 20 задаетс  таким, чтобы напр жение зар да конденсаторов 5

0 и 6 в конце серии при сбалансированной схеме, т.е. при отсутствии издели  в электрическом поле первого конденсатора 2, было равно половине напр жени  второй шины питани , т,е, Е2/2, а разность напр 5 жений зар да конденсаторов 5 и 6, соответствующа  максимальному сигналу, также была равна Е2/2. На дифференциальный усилитель 17 напр жение с накопительных конденсаторов 5 и б передаетс  через исто0 ковые повторители 15 и 16. Напр жение накопленного зар да на выходе дифференциального усилител  17 по сигналу с выхода 31 блока 23 управлени  заноситс  в  чейку 21 выборки и хранени . Если в устройстве

5 необходим цифровой эквивалент измер емых параметров, то вместо  чейки выборки и хранени  используетс  АЦП, аналоговое напр жение на входе которого по сигналу с выхода 31 блока 23 управлени  преобразу0 етс  в цифровой код и хранитс  до следующего обращени  к АЦП. Таким образом, напр жение на выходе  чейки 21 выборки и хранени  (или код на выходе АЦП) эквивалентно диэлектрической проницаемости ма5 териала издели .

В начале второй серии импульсов возбуждени  замыкаютс  ключи 11 и 12, через которые происходит зар д накопительных конденсаторов 5 и 6 дл  напр жени  вто0 рой шины 25 питани . После размыкани  ключей 11 и 12 на интервале времени после переходного процесса зар да конденсаторов 2 и 3 до спада импульса возбуждени  замыкаетс  ключ 10. В результате ток гене5 ратора 18 поступает на токовый вход блока 8 разр да, перераспредел  сь между его выходами пропорционально напр жению на управл ющих входах блока. Напр жение на управл ющих входах блоков 7 и 8 на

0 этом интервале времени пропорционально току утечки конденсатора 2, т.е. прводимо- сти материала издели . Конденсаторы 5 и б разр жаютс  токами блока 8 разр да. Одновременно с ключом 10 замыкаютс  ключи

5 13 и 14, через которые осуществл етс  под- зар д конденсаторов 5 и 6 токами генераторов 19 и 20. В течение второй серии импульсов возбуждени  зар д конденсаторов 5 и 6 накапливаетс , и в конце серии напр жение на выходе дифференциального

усилител  17 оказываетс  пропорциональным разностному току утечки конденсаторов 2 и 3, т.е. проводимости материала издели . По сигналу с выхода 32 блока 23 управлени  напр жение на выходе усилител  17 заноситс  в  чейку 22 выборки и хранени  (или преобразуетс  в цифровой код, если используетс  АЦП 22) и на втором выходе устройства по вл етс  напр жение или цифровой код, однозначно определ ющее величину проводимости материала издели .

Устройство дл  измерени  диэлектрической проницаемости и проводимости обладает более широкими функциональными возможност ми и точностью, так как позвол ет одновременно измер ть-две контролируемые величины с высокой точностью.

Измерени  может производитьс  непосредственно на исследуемом изделии по- средством приближени  к нему первичного преобразовател .

Claims (4)

1.Способ измерени  проводимости и диэлектрической проницаемости, заключающийс  в подаче возбуждающего напр же- ни  на два идентичных воздушных конденсатора, возбуждении электрического пол  в окружающем пространстве конденсаторов , помещении в электрическое поле первого конденсатора контролируемого материала, вычитании токов, протекающих через первый и второй конденсаторы и преобразовании их в разностное напр жение , отличающеес  тем,что,с целью повышени  точности, генерирует возбуждающее напр жение в виде двух серий импульсов пр моугольной формы, разностное напр жение на интервале времени зар да конденсаторов первой серии импульсов преобразуют в первые импульсы тока, которые преобразуют в накапливаемый зар д, на интервале времени от момента затухани  переходного процесса зар да конденсаторов до спада возбуждающего импульса напр жени  первой серии преобразуют во вторые импульсы тока с последующим преобразованием в накапливаемый зар д, зар ды первых и вторых импульсов тока вычитают и преобразуют в напр жение, по которому оценивают диэлектрическую проницаемость образца,разностное напр жение преобразуют в третьи импульсы тока с последующим преобразованием в накапливаемый зар д, преобразуемый в напр жение , по значению которого оценивают проводимость материала образца.

2.Способ по п.1,отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, возбуждающее напр жение генерируют в виде

двух серий импульсов псевдослучайной последовательности .

3. Устройство дл  измерени  проводимости и диэлектрической проницаемости, 5 содержащее два воздушных конденсатора, в электрическом поле одного из которых помещаетс  изделие из контролируемого материала, трансформатор, выводы первичной обмотки которого подключены к одно0 именным обкладкам конденсаторов, генератор сигнала и дифференциальный усилитель, отличающеес  тем, что, с .целью повышени  точности, в него введены два накопительных конденсатора, два блока 5 разр да конденсаторов, три пары управл емых ключей, три генератора тока, два исто- ковых повторител , две  чейки выборки и хранени  и блок управлени , трансформатор выполнен в виде вычитающего транс0 форматора, а генератор выполнен в виде генератора пр моугольных импульсов псевдослучайной последовательности, причем выход формировател  импульсов напр жени  соединен с первыми выводами воздуш5 ных конденсаторов, вторые выводы которых подключены к первичной обмотке вычитающего трансформатора, средн   точка которой подключена к шине нулевого потенциала, первый вывод вторичной об0 мотки трансформатора подключен к первому управл ющему входу первого и второму управл ющему входу второго блоков разр да накопительных конденсаторов, второй вывод вторичной обмотки трансформатора

5 подключен к второму управл ющему входу первого и первому управл ющему входу второго блоков разр да накопительных конденсаторов , токовые входы которых соот: ветственно через первый и второй

0 управл емые ключи соединены с выходом первого генератора тока, вход которого подключен к первой шине питани , попарно объединенные первые и вторые выходы первого и второго блоков разр да накопитель5 ных конденсаторов подключены к первым выводам соответственно первого и второго накопительных конденсаторов, вторые выводы которых соединены с шиной нулевого потенциала, к входам соответственно пер0 вого и второго истоковых повторителей, соответственно через третий и четвертый ключи соединены с второй шиной питани  и соответственно через п тый и шестой ключи соединены с выходами второго и третьего

5 генераторов тока, входы которых соединены с второй шиной питани , выходы первого и второго истоковых повторителей соединены с соответствующими входами дифференциального усилител , выход которого подключен к информационным входам первой и второй  чеек выборки и хранени , выходы которых соединены с первым и вторым выходами устройства, управл ющие входы формировател , первого и второго ключей соединены соответственно с первым , вторым и третьим выходами блока управлени , попарно объединенные управл ющие входы третьего и четвертого, п того и шестого ключей соединены соответственно с четвертым и п тым выходами блока управлени , шестой и седьмой выходы которого подключены к управл ющим входам первой и второй  чеек выборки и хранени .

4. Устройство по п.З, отличающее- с   тем, что блок управлени  содержит генератор импульсов, выход которого соединен через счетчик с входами триггера и

дифференциатора, выход которого подключен к первым входам первого и второго элементов И и через элемент задержки к второму входу блока управлени , пр мой выход триггера соединен с вторым входом второго элемента И, а инверсный - с первым входом третьего элемента И, второй вход которого подключен к п тому элементу И, первый и второй входы которого соединены с первым

выходом блока управлени  и вторым входом четвертого элемента И, первый вход которого через элемент НЕ соединен с выходом п того элемента И, входы элемента ИЛИ подключены к выходам третьего и четвертого элементов И,  вл ющихс  третьим и п тым выходами устройства, шестой и седьмой выходы подключены к выходам первого и второго элементов И соответственно.

tt

«

e

J

a j.

j

JS

it

«)

ъ

s

55

99 §: ®)

Я

tu 3

s

Jfe J

rn

х

Xz

N/

срие.З