Устройство для измерения напряженности электрического поля

 

Изобретение может быть использовано , в частности, в приборах для контроля электростатических зарядов элементов конструкций в производственных условиях, для контроля состояния окружающей среды. Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит емкостный датчик в виде измерительного электрода, выполненного в виде мембраны 1, и электрода 2 обратной связи, детектор 18, блок 19 сравнения, проходной транзистор 21, модулятор в виде соленоида 22, генератор 25, источник 20 опорного напряжения, усилитель 8 напряжения, измеритель 10, усилитель 6тока, синхронные фильтр и детектор 7и 9 соответственно, дифференциальный усилитель 17, датчик колебаний измерительного электрода, выполненный в виде оптической системы со светодиодом 13, источником 14 питания, измерительным и контактным фотодиодами 15 и 16 соответственно. Устройство имеет повышенную точность измерения . 1 3.п. ф-лы, 1 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц 4 G 01 R 29/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4006113/24-21 (22) 08.01.86 (46) 15.05.88. Бюл, № 18 (72) !О.Г.Пехтерев, В.А.Кочнев, P.Ä.Øàõåò, В.В.Канюшкин, А.К.Куц и О.М.Рогов (53) 621.317.32(088.8) (56) Приборы и техника эксперимента.

1982, № 3, с. 24.

Авторское свидетельство СССР № 996958, кл. G 01 R 31/00, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (57) Изобретение может быть использовано, в частности, в приборах для контроля электростатических зарядов элементов конструкций в производственных условиях, для контроля состояния окружающей среды. Устройство

„„SU„, 1396089 А1 для измерения напряженности электрического поля содержит емкостный датчик в виде измерительного электрода, выполненного в виде мембраны 1, и электрода 2 обратной связи, детектор 18, блок 19 сравнения, проходной транзистор 21, модулятор в виде соленоида 22, генератор 25, источник 20 опорного напряжения, усилитель 8 напряжения, измеритель 10, усилитель

6 тока, синхронные фильтр и детектор 7 и 9 соответственно, дифференциальный усилитель 17, датчик колебаний измерительного электрода, выполненный в виде оптической системы со светодиодом 13, источником 14 питания, измерительным и контактным фотодиода- ® ми 15 и 16 соответственно. Устройство имеет повышенную точность измерения. 1 з,п. ф-лы, i ил. С, 1396089

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям напряженности электрических полей, и может быть использовано при создании приборов для контропя элект5 ростатических зарядов элементов конLòðóêöèé в производ< твенных условиях, для контроля состояния окружающей среды при исследовании свойств атt

10 мосферы плазмы и т.д.

Целью изобретения является повышение точности измерения устройства, На чертеже приведена схема устройства для измерения напряженности электрического поля испытуемого обьекта.

Устройство содержит pMKoLòíûé датчик, состоящий из измерительного электрода, выполненного в виде мем- 20 браны 1, и электрод» 2 обратной связи, Мембрана 1 выполнена из упругого магнитного и эпектропроводного материала. Плоскости мембраны 1 и электрода 2 обратной связи параллельны„

Электрод 2 обратной связи через изолирующую прокладку 3 фиксируется вместе с мембраной 1 фиксирующими кольцами 4 и 5 так, что образуется единая конструкция ° 30

Мембрана 1 соединена с входом усилителя 6 тока, выход которого соединен с входом синхронного фильтра 7 °

Выход синхронного фильтра 7 соединен с входом неинвертирующего усилителя

8 напряжения ° Выход усилителя 8 сое35 динен с входом синхронного детектора

9, выход синхронного детектора 9 «оедикен с электродом 2 обратной связи и входом измерителя 10. Плоскость мембраны 1 при отсутствии возбуждения находится в фокальной плоскости огггической системы, состоящей из фокусирующей линзы 11, с обирающей линзы

12, светодиода 13, вход которого соединен с выходом источника питания светодиода 14, измерительного 15 и контрольного 16 фотоциодов, выходы которых соединены с неинвертирующим и инвертирующим входами дифференциально50 го усилителя 17, выход которого соединен с входом детектора 18, а выход последнего — с входом блока 19 сравнения, второй вход которого соединен с источником 20 опорного напряжения, Выход блока 19 сравнения соединен с

55 базой проходного транзистора 21, эмиттер проходного транзистора 21 с ое;,инеи с входом соленоида 22, который служит модулятором мембраны 1 посредством переменного магнитного поля и заключен в электростатический экран

23, В оптическую систему входит также световод 24, который соединен одним концом со светодиодом 13, а другим—

< контрольным фотодиодом 16, Устройство содержит также генератор 25, выход которого соединен с коллектором проходного транзистора 21 и вторыми входами синхронного фильтра 7 син— хронного детектора 9.

Электрод 2 обратной связи имеет отверстие 26, которое обеспечивает прохождение световых лучей, падающих на мембрану 1 и отраженных от нее, Устройство для измерения напряженности электрического поля работает следующим образом.

Электрический заряд g q, наведенный на мембране 1 измеряемым полем Е, компенсируется полем отрицательной обратной связи Е,, Любое изменение внешнего поля вызывает изменение наведенного на мембране 1 лс1, а следовательно, и тока в измерительном тракте, который в свою очередь после усиления, фильтрации и детектирования вызывает такое изменение напряженности поля обратной связи Е р, > которое в точности компенсирует индуцированный измеряемым полем заряд.

Переменное напряжение генератора

25, поступая через проходной транзистор 21 на соленоид 22, создает переменное магнитное поле, которое заставляет колебаться (синхронно с последним) измерительную мембрану 1 емкостного датчика. На измерительной мембране 1 индуцируется заряд d q, пропорциональный амплитуде колебаний

1 мембраны 1 и напряженности электрического поля Е, другими словами

Ч О 9 или временная завис имость изменения заряда 1с1 с будет иметь вид дс(= k F.Е 1 sin >t (2) где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от линейных размеров измерительной мемраны 1;

K, — диэлектрическая проницаемос ть воздуха (среды) .

1396089

При этом входной ток усилителя 6 тока, обусловленный изменением заряда gq равен

i = - -- = k.(Еul cosсдt (3) аа< о В где 43 — угловая частота изменения амплитуды колебаний измери- !О тельной мембраны 1.

Усилитель 6 тока усиливает этот сигнал, а также шумовые напряжения и наводку от сигнала возбуждения.

Синхронный фильтр 7, настроенный !5 на усиление только сигнала по выражению (3), подавляет все наводки, не совпадающие с сигналом по фазе и частоте. Отфильтрованный таким образом сигнал усиливается усилителем 20

8 напряжения и детектируется синхронным детектором 9, на выходе ко. торого имеем

V = k E, Е.1-ы k„.k1, (4) 25 где k, — коэффициент усиления усилителя 6 тока, — коэффициент усиления усили2 теля 8 напряжения. 30

Это напряжение подается на электрод 2 обратной связи, и напряженность электрического поля, создаваемого электродом 2 обратной связи

k Е01 ы.k! k2

Š— (5) ос

cl

I где d — расстояние между измерительным электродом 1 и электродом 2 обратной связи. 40

Из выражения (4) видно, что погрешность измерения определяется стабильностью частоты и стабильностью .амплитуды колебаний мембраны 1 .

Поскольку существуют генераторы 45

-6 со стабильностью частоты 4 f = 10 то основной величиной, вносящей погрешность в определение "истинного значения Е, является амплитуда колебаний мембраны 1. В процессе эксплуа-50 тации при различных внешних воздействиях могут меняться механические, магнитные и другие свойства мембраны

1, что может вызвать изменение амплитуды колебаний мембраны 1. 55

Стабилизация амплитуды колебаний мембраны осуществляется по следующей схеме.

В исходном положении плоскость мембраны 1 находится в фокальной плоскости относительно системы, состоящей из собирающей линзы 12, фокусирующей линзы 11. При включении источника питания светодиода 14 отраженный от мембраны 1 световой поток попадает на измерительный фотодиод 15, находящийся в плоскости иэображения собирающей линзы. При включении генератора 25 измерительная мембрана 1 приходит в колебательное движение и на фотодиод 15 поступает переменный по интенсивности световой поток (максимальным световой поток будет тогда, когда мембрана находится в Аокальной плоскости системы, состоящей из собирающей 12 и фокусирующей 11 линз, поэтому на выходе фотодиода

15 появится переменный электрический сигнал рассогласования, обусловленный отклонением мембраны 1 от фокальной плоскости, который усиливается дифференциальным усилителем 17, затем детектируется детектором 18. Выпрямленный сигнал поступает на блок 19 сравнения, куда также поступает опорное напряжение с источника 20 опорного напряжения. С блока сравнения сигнал поступает на проходной транзистор 21.

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

Для того чтобы величина выходного сигнала фотодиода 15 не зависела от яркости свечения светодиода 13 (на пример, из-за нестабильности источника питания фотодиода 14), часть светового потока через светодиод 24 заводится на контрольный фотодиод

16, а с него полученный электрический сигнал поступает на противополож" ный по отношению к сигналу, снимае— мому с измерительного фотодиода 15, вход дифференциального усилителя 17.

Новое конструктивное выполнение емкостного датчика с введением электрода 2 обратной связи и электрических узлов позволяет обеспечить 1007ную обратную связь по электрическому полю и охват ею не только усилительного тракта, но и измерительно"o элемента — мембраны 1.

1396089 рода.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что датчик колебаний измерительного электрода выполнен в виде оптической системы со светодиодом, подключенным к источнику питания, измерительным и контрольным фотодиодами, выходы которых соединены с выходами датчика.

Составитель О„Красновский

Редактор Л,Маковская Техред М.Ходанич Корректор M,Максимивплнец

"- àêà ý 2492/4 7

Тираж 772

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытйй

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д, 4/5

Прочат .,чстнс нно- .;.. нграфическс е препприятие, г. Ужгород, ул, Пас ектная, 4

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1, Устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее емкостный датчик в виде измерительного электрода, датчик колебаний измерительного электрода, после- довательно соединенные детектор, блок

c,ðàâHåíèÿ, проходной гранзистор и модулятор в виде соленоида, генератор, !О

Источник опорного напряжения, подКлюченньсй к второму входу блока сравИения, усилитель напряжения и измеритель, отличающее с я тем, что, с целью повьппения точности из- 15 оперения, в устройство введены усилитель тока, синхронных фильтр, синхронный детектор, дифференциальный усилитель, а емкостный датчик снабжен электродом обратной связи в виде 20 плоскости с окном, рас положенной против плоскости измерительного электрода, вьпюлненного в виде мембраны,, размещенной между источником электрического ноля и датчиком колебаний из-25 мерительного электрода, измерительнЫй электрод соединен с инвертирующим в содом усилителя тока,, выход которогО соединен с первым вхс ом синхронного фильтра, второй вход которого 30 соединен с выходом генератора, выход синхронного фильтра соединен с инвертирующим входом усилителя напряжения, выход которого соединен с первым входом синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора, выход с инхронного детектора соединен с входом измерителя и электродом обратной связи, входы дифференциального усилителя соединены соответственно с первым и вторым выходами датчика колебаний измерительного электрода, выход дифференциального усилителя 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 элект