СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ


RU (11) 2260811 (13) C1

(51) 7 G01R29/24 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - может прекратить свое действие 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2005.09.20 
(21) Регистрационный номер заявки: 2004107804/28 
(22) Дата подачи заявки: 2004.03.16 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2004.03.16 
(45) Опубликовано: 2005.09.20 
(56) Аналоги изобретения: SU 1307395 A1, 30.04.1987. SU 1471152 A1, 07.04.1989. SU 1531031 A1, 23.12.1989. SU 1688199 A1, 30.10.1991. SU 1652946 А1, 30.05.1991. JP 8-152449 А, 11.06.1996. 
(72) Имя изобретателя: Алейников Н.М. (RU); Алейников А.Н. (RU); Агошкин В.В. (RU); Щербаков А.В. (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет (RU) 
(98) Адрес для переписки: 394006, г.Воронеж, Университетская пл., 1, ГОУ ВПО Воронежский государственный университет 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Исследуемый образец помещают в зазор плоского статического конденсатора с неподвижными обкладками, возбуждают гармонические механические колебания образца в направлении нормали к обкладкам конденсатора и измеряют величину сигнала, пропорциональную току в цепи конденсатора при нулевом напряжении на конденсаторе. Далее на обкладки конденсатора подают переменное напряжение, синфазное с механическими колебаниями образца, и снова измеряют величину сигнала, пропорциональную току в цепи конденсатора. Величину поверхностной плотности заряда вычисляют по амплитуде переменного напряжения, амплитуде колебаний образца и измеренным значениям сигнала, пропорционального току в цепи конденсатора. Данный способ позволяет в сотни и тысячи раз уменьшить напряжение на измерительном конденсаторе по сравнению со способами, основанными на применении динамического измерительного конденсатора. 1 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к электротехническим измерениям и предназначено для измерения поверхностной плотности полного (реального) заряда диэлектрических материалов плоской формы.

Способы измерения заряда в плоских диэлектриках, основанные на индуцировании тока в цепи динамического конденсатора, между обкладками которого находится заряженный диэлектрик, известны, например, при компенсационных измерениях, когда постоянным компенсационным напряжением достигается нулевой ток в цепи динамического конденсатора. Существенным недостатком компенсационных способов является необходимость применения компенсационных напряжений, величина которых при больших плотностях заряда в диэлектриках может достигать нескольких киловольт, что приводит к разрушению исследуемого электретного состояния и делает эти способы недостаточно корректными и технологичными [1].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения заряда в плоских диэлектриках [2]), позволяющий существенно уменьшить величину напряжения на измерительном вибрационном конденсаторе по сравнению с компенсационными способами. В этом способе исследуемый образец помещают в зазор конденсатора с вибрирующим электродом, измеряют ток конденсатора, перемещают образец в другое положение, измеряют величину перемещения и, регулируя постоянное напряжение на конденсаторе, добиваются первоначального тока конденсатора и измеряют постоянное напряжение на конденсаторе. 

Недостаток этого способа в том, что необходимо перемещать образец и измерять величину перемещения, которая должна быть достаточно малой, и от точности измерения которой зависит точность определения искомой величины заряда. Кроме того, не учитывается возможность изменения начальной фазы колебаний тока вибрационного конденсатора при перемещении образца [1], что может приводить к ошибкам в определении не только величины, но и полярности заряда. 

Задача, решаемая данным изобретением, - упрощение и повышение точности измерений заряда диэлектрика при небольших напряжениях на измерительном конденсаторе.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения плотности заряда плоских диэлектриков, основанном на индуцировании переменного тока в цепи измерительного конденсатора с заряженным диэлектриком в его зазоре - исследуемый образец помещают в зазор плоского статического конденсатора с неподвижными обкладками, возбуждают гармонические механические колебания образца в направлении нормали к обкладкам конденсатора и измеряют при нулевом напряжении на конденсаторе величину сигнала А1, пропорциональную току в цепи измерительного конденсатора, после чего на обкладки конденсатора подают синфазное с механическими колебаниями образца напряжение и снова измеряют величину сигнала А2, пропорциональную току конденсатора, а искомую величину поверхностной плотности полного заряда вычисляют по формуле 

где 0=8,86·10-12 Ф/м - электрическая постоянная, Um - амплитуда переменного напряжения, подаваемого на обкладки конденсатора, а - амплитуда колебаний образца.

В работе [1] для одномерной модели конденсатора, в зазоре которого расположен плоский диэлектрик, приводится уравнение, устанавливающее связь напряженности поля Е в зазоре конденсатора с распределенным в диэлектрике зарядом 

где - диэлектрическая проницаемость образца, (х) - объемная плотность заряда, распределенного в образце, l - величина зазора между образцом и обкладкой конденсатора, к которой приложено напряжение U относительно другой обкладки, h - величина воздушного зазора конденсатора, L - толщина образца, х - направление нормали к образцу, 

где и L - поверхностные плотности полного (реального) и эффективного (формального) заряда, Vk - контактная разность потенциалов обкладок конденсатора. Полагая Vk =0, перепишем (1) в виде



Пусть образец в зазоре конденсатора совершает механические гармонические колебания и синфазно с колебаниями образца изменяется напряжение на конденсаторе, т.е. l=l0+asint и U=Umsint, где а - амплитуда вибрации, Um - амплитуда переменного напряжения, - циклическая частота вибрации. В цепи конденсатора пойдет ток 

где S - площадь обкладок конденсатора.

Амплитуда тока 

где 

Для определения величины необходимо измерить ток конденсатора Im1, например, при нулевом напряжении Um1=0, и ток Im2 при напряжении Um2=Um, отличным от нуля. Подставляя Im1 и Im2 в формулу (3), получим систему из двух уравнений Im1=Ba и Im2=B(a- 0Um), решая которую получим 



Так как в последнее выражение входит относительная величина Im2/Im1, необязательно измерять абсолютные значения токов, а можно измерять величины, пропорциональные измеряемым токам Im1 и Im2, например, напряжения A 1=kIm1 и A2=kIm2 на выходе преобразующего ток в напряжение усилителя, коэффициент преобразования которого k. Величину поверхностной плотности полного заряда вычисляют по формуле 

На чертеже приведена принципиальная схема устройства, с помощью которого может быть реализован данный способ. Оно состоит из трех плоских конденсаторов - измерительного 1 и двух вспомогательных 2 и 3. Первый вспомогательный конденсатор 2 - статический. Он предназначен для генерации переменного напряжения, синфазного механическим колебаниям образца 4, и образован неподвижными обкладками 5 и 6, между которыми расположен плоский заряженный электрет 7. Второй вспомогательный конденсатор 3 - динамический. Он предназначен для измерения амплитуды механических колебаний образца 4 и образован вибрационной обкладкой 8 и неподвижной обкладкой 9. Образец 4 и электрет 7 расположены на держателе 10, который механически жестко связан с вибрационной обкладкой 8. Механические колебания держателя 10 возбуждаются вибратором 11. Для измерения сигнала, пропорционального току измерительного конденсатора 1 в цепь этого конденсатора включен преобразующий ток в напряжение усилитель 12, на выходе которого включен вольтметр 13. В цепь первого вспомогательного конденсатора 2 включен преобразующий ток в напряжение усилитель 14, на выходе которого включен вольтметр 15. С выхода усилителя 14 в разрыв цепи измерительного конденсатора 1 подается напряжение, которое может отключаться переключателем 16. В цепь второго вспомогательного конденсатора 3 включен источник 17 постоянного напряжения (ИПН) и измеритель 18 переменного тока.

Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец 4 помещается между неподвижными обкладками 19 и 20 измерительного конденсатора 1. При возбуждении механических колебаний обкладки 8 в цепи второго вспомогательного конденсатора 3 возникает переменный ток, амплитуда которого



где S1 - площадь обкладок, a - амплитуда вибрации, - циклическая частота вибрации, U0 - напряжение источника 17, h0 - равновесное расстояние между обкладками 8 и 9. Измеряя Im, и зная параметры конденсатора S 1, , U0, h0, вычисляют амплитуду а механических колебаний исследуемого образца 4.

При отключенном переключателем 16 напряжении на измерительном конденсаторе 1 вольтметром 13 измеряют величину сигнала А1. Затем переключателем 16 подключают к измерительному конденсатору 1 с выхода усилителя 14 напряжение, амплитуду Um которого измеряют вольтметром 15, и вольтметром 13 измеряют величину сигнала А2. Полученные значения a, Um, А1 и А2 подставляют в формулу (4) и определяют искомую величину поверхностной плотности полного заряда.

Рассмотрим различные примеры, иллюстрирующие влияние полярности заряда на результаты измерений:

Пример 1. Пусть при a=0,01 см и Um =20 В величина A1/A2=0,9. Подставляя а, Um и A1/A2 в (4), получим =8,86·10 -14·20/[0,01·(1-0,9)]=+1,77·10 -9 (Кл/см2).

Пример 2. Пусть при a=0,01 см и Um=20 В величина A1/A2=1,2. Подставляя а, Um и A1/A2 в (4), получим =8,86·10 -14·20/[0,01·(1-1,2)]=-0,886·10 -9 (Кл/см2).

Из приведенных примеров следует: 

1. Относительная величина зависит от полярности искомого заряда и принимает значения А1/А2<1 при >0 и A1/A2>1, если <0. 

2. Несмотря на относительно большие плотности зарядов (+1,77 и -0,886 нКл/см2), напряжение на конденсаторе составило всего 20 В, в то время как при компенсационных измерениях для таких плотностей заряда напряжение компенсации составило бы несколько киловольт [1].

Литература

1. А.Н.Алейников, Н.М.Алейников. Индукционные методы определения параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов, "Материаловедение", М.: "Наука и технологии", №3, 2002, с.26-33.

2. Патент RU №1471152, кл. G 01 R 29/12. Способ определения плотности заряда в диэлектриках.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Способ измерения плотности заряда плоских диэлектриков, основанный на индуцировании переменного тока в цепи измерительного конденсатора с заряженным диэлектриком в его зазоре, отличающийся тем, что исследуемый образец помещают в зазор плоского конденсатора с неподвижными обкладками, возбуждают гармонические механические колебания образца в направлении нормали к обкладкам конденсатора и измеряют при нулевом напряжении на конденсаторе величину сигнала А1, пропорциональную току в цепи измерительного конденсатора, после чего на обкладки конденсатора подают синфазное с механическими колебаниями образца напряжение и снова измеряют величину сигнала А2, пропорциональную току конденсатора, а искомую величину поверхностной плотности полного заряда вычисляют по формуле



где 0=8,86·10-12 Ф/м - электрическая постоянная, 

Um - амплитуда переменного напряжения,

а - амплитуда колебаний образца.




РИСУНКИ





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru