СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ПОЛНОГО ЗАРЯДА В ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ПОЛНОГО ЗАРЯДА В ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ


RU (11) 2298199 (13) C1

(51) МПК
G01R 29/24 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

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

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2007.04.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 2005138723/28 
(22) Дата подачи заявки: 2005.12.12 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2005.12.12 
(45) Опубликовано: 2007.04.27 
(56) Аналоги изобретения: SU 1471152 А1, 07.04.1989. SU 1352411 A1, 15.11.1987. SU 1307395 A1, 30.04.1987. RU 2260811 С1, 20.09.2004. JP 8152449 A, 11.06.1996. 
(72) Имя изобретателя: Алейников Николай Михайлович (RU); Алейников Алексей Николаевич (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (RU) 
(98) Адрес для переписки: 394006, г.Воронеж, Университетская пл., 1, ГОУВПО "Воронежский государственный университет", Центр трансфера технологий 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ПОЛНОГО ЗАРЯДА В ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

Способ основан на индуцировании и измерении переменного тока в цепи вибрационного конденсатора с заряженным образцом в его зазоре. Образец помещают в первое положение в зазор конденсатора параллельно его обкладкам. Перемещают образец в направлении нормали к его поверхности во второе положение. Измеряют токи конденсатора для обоих положений образца при нулевом напряжении на конденсаторе, а также измеряют ток конденсатора в одном из положений образца, например первом, при известном постоянном напряжении на конденсаторе и величину плотности заряда вычисляют по формуле. Способ позволяет упростить процесс измерения за счет исключения регулирования и систематического измерения напряжения на конденсаторе. 1 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Способ относится к электротехническим измерениям, предназначен для измерения параметров остаточного заряжения плоских диэлектриков, а именно поверхностной плотности полного (реального) заряда, поверхностных плотностей эффективных (формальных) зарядов, а также среднего положения (центра распределения) распределенного в плоском диэлектрике заряда.

Способ основан на индуцировании переменного тока в цепи вибрационного конденсатора с заряженным образцом в его зазоре. Физические основы индукционных измерений параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов изложены в (Алейников А.Н., Алейников Н.М. Индукционные методы определения параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов, "Материаловедение". - М.: Наука и технологии, №3, с.26-33, 2002). Наиболее распространенными индукционными способами являются компенсационные. В компенсационном способе (А.с. SU №1352411, МПК G 01 R 29/12, 1987) исследуемый плоский диэлектрик помещают в зазор вибрационного плоского конденсатора параллельно его обкладкам и, регулируя постоянное напряжение на конденсаторе, добиваются полного исчезновения тока в цепи конденсатора. Затем перемещают образец в другое положение и снова добиваются нулевого тока конденсатора, регулируя напряжение на конденсаторе. Величину поверхностной плотности заряда вычисляют по формуле 

где U1 и U 2 напряжения компенсации, при которых амплитуды токов конденсатора I1 и I2 обращаются в нуль, l - величина перемещения образца из первого положения во второе. Основной недостаток компенсационных измерений определяется необходимостью применения высоких электрических компенсационных напряжений, разрушающих исследуемые электретные состояния.

Наиболее близким к заявленному способу является способ частичной компенсации (А.с. SU №1471152, МПК G 01 R 29/12, 1989) (прототип). В этом способе так же, как и в компенсационном способе, перемещают образец из одного положения в другое и регулируют постоянное напряжение на конденсаторе. Но добиваются не полного исчезновения тока конденсатора, а только равенства токов для обоих положений образца в зазоре конденсатора. Величину r вычисляют по формуле, аналогичной (1).

По сравнению с компенсационными способами в способе-прототипе применяются значительно меньшие напряжения на конденсаторе, не разрушающие исследуемое электретное состояние, что делает этот способ более точным. Недостатком данного способа является необходимость измерения и регулирования напряжения на конденсаторе вплоть до момента выравнивания токов для различных положений образца в зазоре конденсатора. Это делает способ малотехнологичным и ограничивает возможность автоматизации измерений при массовых или длительных измерениях.

Задача, решаемая данным изобретением, - повышение технологичности и расширение функциональных возможностей способа измерения параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов.

Технический результат заключается в упрощении процесса измерения исключением регулирования и систематического измерения напряжения на конденсаторе.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения поверхностной плотности полного заряда в плоских диэлектриках, основанном на индуцировании и измерении переменного тока в цепи вибрационного конденсатора с заряженным образцом в его зазоре, включающем помещение образца в первое положение в зазор конденсатора параллельно его обкладкам и перемещение образца в направлении нормали к его поверхности во второе положение, согласно предлагаемому изобретению измеряют токи конденсатора для обоих положений образца при нулевом напряжении на конденсаторе, а также измеряют ток конденсатора в одном из положений образца, например первом, при известном постоянном напряжении на конденсаторе, а искомую величину плотности заряда вычисляют по формуле



где 0=8,85·10-14 Ф/см - электрическая постоянная, l - величина перемещения образца из первого положения образца во второе, U - известное постоянное напряжение, I 10 и I20 - сила тока конденсатора для первого и второго положений образца при нулевом напряжении на конденсаторе, I1U - сила тока конденсатора для первого положения образца при напряжении U на конденсаторе.

Рассмотрим суть предлагаемого изобретения. На чертеже приведена принципиальная схема, реализующая данный способ. Обкладками измерительного плоского вибрационного конденсатора являются неподвижный 1 и вибрационный 2 электроды. Между плоским образцом 3 толщиной L и электродом 1 образуется воздушный зазор, величина 1 которого может изменяться, например, при помощи микрометрического устройства (на чертеже не показано). От источника 4 при помощи переключателя 5 на обкладки 1 и 2 может подаваться нулевое или известное отличное от нуля постоянное напряжение U. Механические гармонические колебания электрода 2 возбуждаются вибратором 6. Возникающий в цепи конденсатора ток преобразуется усилителем 7 в напряжение, регистрируемое, например, осциллографом 8. Амплитуда переменного тока будет



где А - постоянная величина, зависящая от частоты и амплитуды вибрации, площади обкладок и межэлектродного расстояния вибрационного конденсатора, толщины и диэлектрической проницаемости образца, r - поверхностная плотность полного (реального) заряда, L - поверхностная плотность эффективного (формального) заряда.

Обозначим амплитуду тока в первом положении образца при нулевом напряжении на конденсаторе I 10, амплитуду тока во втором положении образца при нулевом напряжении на конденсаторе I20 и амплитуду тока в первом положении образца при напряжении U на конденсаторе I1U. Тогда в соответствии с (3) получим:

I10=А( l1 r+L L), I20=A( l2 r+L L), I1U=A( l1 r+L L- 0 U).

Решая систему из трех последних уравнений, получим формулу (2) для вычисления r. Из (2) следует, что для определения r необходимо измерить амплитуды токов I10 и I1U в одном положении образца при нулевом напряжении и известном напряжении U на конденсаторе, переместить образец на величину l и в этом положении образца измерить ток I 20 при нулевом напряжении на конденсаторе.

В качестве примера сравним возможности компенсационного способа, способа частичной компенсации и заявленного способа. Пусть у плоского образца толщиной L=0,4 см и диэлектрической проницаемостью =4 поверхностная плотность полного заряда составляет r=10-10 Кл/см 2. Величины зазоров l1 и l2 составляют: l1 =0,1 см, l2=0,2 см. Для упрощения расчетов предположим, что весь заряд локализован на поверхности образца, обращенной к вибрационному электроду 2, т.е. поверхностная плотность полного (реального) заряда r равна поверхностной плотности эффективного (формального) заряда L.

При измерениях компенсационным способом при l=l2 потребуется напряжение компенсации:



При измерениях способом частичной компенсации напряжение составит



При измерениях предлагаемым способом точность в определении искомой величины r будет определяться не только точностью измерения токов I10, I20 , I1U, но и относительной величиной I 1U/I10, которая в знаменателе конечной формулы (2) для вычисления r сравнивается с единицей. В частности, при малых значениях напряжения, когда U 0, величина I1U/I 10 1 и вычисления r приводят к бесконечно большому значению. Поэтому напряжение U должно быть достаточным, чтобы величина I1U/I10 заметно отличалась от единицы. Оценим величину I 1U/I10 для рассматриваемого примера при напряжении U=40 В.



Полученный результат показывает, что для определения r заявленным способом используемое напряжение (40 В) может быть значительно ниже не только напряжения, требуемого при компенсационных измерениях (340 В), но и напряжения, необходимого при измерениях способом частичной компенсации (113 В). При этом относительная величина I1U /I10 0,82 достаточно отличима от единицы и на точность измерений существенного влияния не оказывает.

Достоинством заявленного способа по сравнению со способом-прототипом является также возможность по полученным результатам измерений определить среднее положение распределенного в диэлектрике заряда



Методика определения рассмотрена в первом аналоге и [1], [2]. Кроме того, зная r и можно определить и другие параметры остаточного заряжения, а именно поверхностные плотности L и 0 приведенных к обеим поверхностям плоского образца эффективных (формальных) зарядов:



Необходимо отметить, что возможны случаи, когда при перемещении образца из положения l1 в положение l2 или при изменении напряжения от нулевого до известного напряжения U начальная фаза колебаний тока конденсатора изменится на противоположную. В таких случаях, как показано в первом аналоге и [2] при вычислении r и величины I20/I10 или I1U/I10 нужно брать отрицательными.

Использованные источники информации:

1. А.с. SU №1688199, МПК G01R 29/12, 1991.

2. Патент RU №2231804, МПК G01R 29/12, 2004.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Способ измерения поверхностной плотности полного заряда в плоских диэлектриках, основанный на индуцировании и измерении переменного тока в цепи вибрационного конденсатора с заряженным образцом в его зазоре, включающий помещение образца в первое положение в зазор конденсатора параллельно его обкладкам и перемещение образца в направлении нормали к его поверхности во второе положение, отличающийся тем, что измеряют токи конденсатора для обоих положений образца при нулевом напряжении на конденсаторе, а также измеряют ток конденсатора в одном из положений образца, например первом, при известном постоянном напряжении на конденсаторе, а искомую величину плотности заряда вычисляют по формуле



где 0=8,85·10-12 Ф/м - электрическая постоянная;

l - величина перемещения образца из первого положения образца во второе;

U - известное постоянное напряжение;

I 10 и I20 - сила тока конденсатора для первого и второго положений образца при нулевом напряжении на конденсаторе;

I1U - сила тока конденсатора для первого положения образца при напряжении U на конденсаторе.




РИСУНКИ