SU1688199A1 - Method of determining the mean position of residual charge in dielectrics - Google Patents

Abstract

Изобретение отнгс тс  ч эпектро- измерени м и может бы г г. и чгльтовано дл  определени  среднего nor ен/н остаточного зар да в плоских д.ппект- риках (олектретах) . Цель изобретени  - повышение точности и упрощение измерений. Дл  осуществлени  способа образец перемещают в зазоре измерительного плоского вибрационного конденсатора с одним вибрирующим электродом . В различных положени х образца измер ют величину зазора между неподвижным электродом конденсатора и образцом , а также величину электрического тока во внешнем проводнике, гальванически соедин ющем обе обкладки конденсатора. Искомую величину вычисл ют по формуле х Г L , где х - среднее положение зар да, отсчитываемое от поверхности образца, обращенной к неподвижному электроду; 1,1 о - величины зазоров между образцом и неподвижным эпектродом дл  первого и второго положений образца; . - амплитуды токов вибрационного конденсатора дл  первого и второго положений образца; Ј - относительна  диэлектрическа  проницаемость образца. 1 ил. § (ЛThe invention has been measured electrically and could have been g and is used to determine the average nor ene / n residual charge in planar spectra (electrats). The purpose of the invention is to improve the accuracy and simplify the measurements. In order to carry out the method, the sample is moved in the gap of the measuring flat vibration capacitor with one vibrating electrode. At various sample positions, the size of the gap between the fixed electrode of the capacitor and the sample, as well as the amount of electric current in the outer conductor, galvanically connecting both capacitor plates, is measured. The sought value is calculated using the formula x D L, where x is the average charge position measured from the surface of the sample facing the stationary electrode; 1.1 o - the size of the gaps between the sample and the fixed electrode for the first and second positions of the sample; . - amplitudes of the vibration capacitor currents for the first and second positions of the sample; Ј is the relative dielectric constant of the sample. 1 il. § (L

Description

Изобретение относится к электроизмерениям, предназначено для определения среднего положения остаточного заряда в плоских диэлектриках 5 (электретах) и может быть использовано при диагностике остаточного заряжения различных диэлектрических материалов.The invention relates to electrical measurements, is intended to determine the average position of the residual charge in flat dielectrics 5 (electrets) and can be used in the diagnosis of residual charging of various dielectric materials.

Цель изобретения - повышение том- 10 ности определения среднего положения остаточного заряда в диэлектриках, а также упрощение методики измерений .The purpose of the invention is to increase the volume of determining the average position of the residual charge in dielectrics, as well as to simplify the measurement procedure.

Способ заключается в том, что 15 исследуемый плоский образец диэлектрика с неизвестным распределенным по его толщине зарядом помещают в зазор < плоского измерительно вибрационного конденсатора параллельно его лласти- 20 нам. Оба электрода конденсатора гальванически связаны,. Один из электродов конденсатора приводят в колебание. Измеряют, величину ..зазора между образцом и неподвижным электродом кондеи- 25 сатора, а также амплитуду тока в электрической цепи, соединяющей обкладки вибрационного конденсатора. Перемещают образец в новое положение., повторяют измерения зазора между об- 30 разцом и электродом и величины тока в цепи, соединяющей обкладки. Искомую величину среднего положения заряда вычисляют по формуле — _ р Ag.li ~ А (1г. 35 ’^ь ' а;~=а7 >The method consists in the fact that the 15 investigated flat sample of a dielectric with an unknown charge distributed over its thickness is placed in the gap <of a flat measuring vibrational capacitor parallel to its lasers. Both electrodes of the capacitor are galvanically connected. One of the electrodes of the capacitor is driven. The size .. of the gap between the sample and the fixed electrode of the capacitor is measured, as well as the amplitude of the current in the electric circuit connecting the plates of the vibration capacitor. The sample is moved to a new position., The measurements of the gap between the sample and the electrode and the magnitude of the current in the circuit connecting the plates are repeated. The desired value of the average position of the charge is calculated by the formula - _ p Ag.li ~ A (1g 35 ^'s' a,. ~ = A7>

где х - среднее положение заряда, отсчитываемое от поверхности образца, обращенной 40 к неподвижному электроду;where x is the average position of the charge, measured from the surface of the sample, facing 40 to the stationary electrode;

“ величины зазоров между образцом и неподвижным электродом для первого и второго положений образца 45 соответственно,·“The gaps between the sample and the fixed electrode for the first and second positions of the sample 45, respectively, ·

ApAg - амплитуды сигналов вибрационного конденсатора для . первого и второго положений образца соответствен- 50 но;ApAg - amplitudes of the signals of the vibrational capacitor for. the first and second positions of the sample, respectively;

£ - относительная диэлектрическая проницаемость образца. Данный способ может быть реализован с помощью устройства, схематичес- >5 ки показанного на чертеже.£ is the relative dielectric constant of the sample. This method can be implemented using the device schematically> 5 shown in the drawing.

тельного вибрационного конденсатора, в зазор которого помещают исследуемый плоский образец 3. Электрод 1 неподвижный, а электрод 2 - вибрирующий. Колебания передаются электроду 2 от генератора колебаний (не показан). Образец 3 может перемещаться в зазоре конденсатора, а расстояние между образцом и неподвижным электродом 1 может быть измерено. Оба электрода соединены внешним проводником 4. Заряженный образец индуцирует в зазоре конденсатораэлектрическое поле, вели-, чина которого изменяется вследствие вибрации электрода 2 и вызывает пульсирующий ток в проводнике 4. Возникающий электрический сигнал может быть усилен линейным усилителем и измерен регистрирующим устройством (не показаны).a genuine vibrational capacitor, into the gap of which a test flat sample 3 is placed. Electrode 1 is stationary, and electrode 2 is vibrating. The oscillations are transmitted to the electrode 2 from an oscillation generator (not shown). Sample 3 can move in the gap of the capacitor, and the distance between the sample and the stationary electrode 1 can be measured. Both electrodes are connected by an external conductor 4. The charged sample induces an electric field in the gap of the capacitor, the magnitude of which changes due to vibration of the electrode 2 and causes a ripple current in the conductor 4. The resulting electrical signal can be amplified by a linear amplifier and measured by a recording device (not shown).

\ Рассмотрим подробнее физическую 'сущность предлагаемого способа.\ Let us consider in more detail the physical nature of the proposed method.

Выберем ось х вдоль нормали к поверхности образца, а за начало отсчета (х = 0) примем поверхность образца, примыкающую к неподвижному электроду 1. Предположим, что имеет место одномерное рампределение заряда в образце, т.е. объемная плотность заряда р (х, у, г) = р(х). Предположим также, что контактная разность потенциалов между электродами имеет нулевое значение. На практике это может быть реализовано, например., выбором ‘однотипных электродов. Будем считать также, что сопротивление внешнего проводника 4 мало и изменение сигна- ’ ла в проводнике успевает следовать ,за изменениями положения вибрацион кого электрода.We choose the x axis along the normal to the surface of the sample, and for the origin (x = 0) we take the surface of the sample adjacent to the fixed electrode 1. Suppose that there is a one-dimensional charge distribution in the sample, i.e. bulk charge density p (x, y, r) = p (x). We also assume that the contact potential difference between the electrodes has a zero value. In practice, this can be realized, for example., By choosing ‘of the same type of electrodes. We will also assume that the resistance of the outer conductor 4 is small and the change in the signal in the conductor manages to follow the changes in the position of the vibration electrode.

• По известному определению величина среднего положения заряда плоского образца при одномерном распределении в нем заряду f х О(x)dx / _β 3__2------- _? (D• By a well-known definition, the average position of the charge of a flat sample with a one-dimensional distribution of the charge f x O (x) dx / _β 3__2 ------- _? (D

J p(x)dx оJ p (x) dx о

где L - толщина образца.where L is the thickness of the sample.

Пусть образец отстоит от неподвижного эле юрода на расстоянии 1, а расстояние между электродами - h, причем когда электрод 2 вибрирует, величина зазора h изменяется по закону 'Let the sample be separated from the fixed elerode by a distance of 1, and the distance between the electrodes be h, and when electrode 2 vibrates, the gap value h changes according to the law

Два плоских металлических электрода 1 и.2 являются обкладками измери5 где h_o - равновесное межэлектродное расстояние;Two flat metal electrodes 1 and 2 are measuring plates5 where h _o is the equilibrium interelectrode distance;

а - амплитуда колебаний вибрационного электрода;a is the amplitude of the vibrations of the vibrating electrode;

GO - циклическая частота вибрации .GO is the cyclic vibration frequency.

При сделанных выше допущениях зависимость тока конденсатора от времени имеет вид _T/_t\ ₌ ____iQt)_________ {£^0 ^{+ а}‘^siⁿWt)-gL + Lj² Under the above assumptions, the dependence of the capacitor current on time has the form _T / _t \ ₌ ____ iQt) _________ {£ ^ 0 ^{+ а} ' ^s i ⁿ Wt) -gL + Lj ²

Ь L xjj· lj p(x)dx + J xp(x)dxj _} (2) где 5 - относительная диэлектрическая проницаемость образца;B L xjj · lj p (x) dx + J xp (x) dxj _} (2) where 5 is the relative dielectric constant of the sample;

S - площадь обкладок конденсатора Для амплитуды тока получим, полагая в (2) cosGOt = 1, т = __S«a____ * ' &L + L)* *S is the area of the capacitor plates. For the current amplitude, we obtain, assuming in (2) cosGOt = 1, m = __S “a ____ * '& L + L) * *

I»Ь p(x)dx +j xp(x)dx^ ;(3)I »b p (x) dx + j xp (x) dx ^; (3)

Очевидно, что при установившемся процессе, когда амплитуда и частота * не. изменяются со временем, а заряд в образце не перераспределяется по его толще, зависимость (3) пульсаций тока представляет линейную зависимость от величины зазораIt is obvious that in the steady state process, when the amplitude and frequency * are not. vary with time, and the charge in the sample is not redistributed over its thickness, the dependence (3) of the current ripples represents a linear dependence on the gap size

1„(1) - 8t)„£l * BLG,,.1 „(1) - 8t)„ £ l * BLG ,,.

^{ГДе В} (6h₀“£L +~ЕУ^г; ь · ^{WHERE IN} (6h ₀ “£ L + ~ EY ^r; b

G_n=[xp(x)dx - полная поверхносто ¹ ностная плотность _u заряда;G _n = [xp (x) dx is the total surface ¹ surface density _{u of the} charge;

Gf=! xp(x)dx - эффективная поверхо ностная плотность/ заряда, приведенная к плоскости х = L.Gf =! xp (x) dx is the effective surface density / charge reduced to the plane x = L.

При практических измерениях сигнал может быть преобразован, например, линейным усилителем-преобразовате- . лем в некоторую величину, например напряжение,In practical measurements, the signal can be converted, for example, by a linear converter amplifier. lem in a certain quantity, for example, voltage,

A(l) = kl^d) = kBtf_n£l + kBLG_Aj к - коэффициент усиления сигнала или коэффициент преобразования, например, то 5 ка в напряжение.A (l) = kl ^ d) = kBtf _n £ l + kBLG _Aj к - signal gain or conversion coefficient, for example, then 5 ka to voltage.

Для определения среднего положе ния заряда образец помещают на некотором расстоянии It от неподвижного электрода и измеряют величину преобразованного сигнала A_t:To determine the average charge position, the sample is placed at a certain distance It from the fixed electrode and the value of the converted signal A _{t is} measured:

А₍ = A Ц) = kBCj_ne 1₁ + kBLG₍ .A ₍ = A C) = kBCj _n e 1 ₁ + kBLG ₍ .

Затем перемещают образец в другое положение, например на расстояние от электрода 1, и измеряют величину сигналаThen move the sample to another position, for example, a distance from the electrode 1, and measure the magnitude of the signal

А₂ = A(1 ) = + kBLG\.A ₂ = A (1) = + kBLG \.

Решая систему двух последних уравнений, найдем величину среднего попоженив заряда.Solving the system of the last two equations, we find the value of the average after the charge.

Способ определения среднего по25 ложения заряда в Диэлектриках является бесконтактным и неразрушающим.The method for determining the average charge position in dielectrics is non-contact and non-destructive.

При его реализации не используются никакие внешние электрические поля и другие воздействия на образец, спо30 собные привести к перераспределению заряда в образце и, следовательно, к ошибкам измерений.In its implementation, no external electric fields and other effects on the sample are used, which can lead to redistribution of charge in the sample and, consequently, to measurement errors.

Claims (1)

Формула изобретенияClaim II 35 I35 I Способ определения среднего положения остаточного заряда диэлектриков, заключающийся в том, что плоский образец помещают в зазор плоскод0 го конденсатора с одним вибрирующим электродом параллельно его пластинам, изменяют положение образца в конденсаторе в направлении, перпендикулярном поверхности образца, и измеряют 45 величину зазора между неподвижным электродом и образцом в первом и втором положениях, отличающи.йс я тем, что, с целью повышения точности и упрощения, измеряют величину 50 тока в'-электрической цепи, соединяющей обкладки конденсатора в первом и втором положениях, а среднее положение заряда, отсчитанное от поверхности, обращенной к неподвижному .A method for determining the average position of the residual charge of dielectrics, namely, that a flat sample is placed in the gap of a flat capacitor with one vibrating electrode parallel to its plates, the sample is positioned in the capacitor in the direction perpendicular to the surface of the sample, and the gap between the fixed electrode and 45 a sample in the first and second positions, characterized in that, in order to improve accuracy and simplification, measure the value of 50 current in a'-electric circuit connecting the plates to ndensatora in the first and second positions, a center position of the charge, measured from the surface facing the stationary. ₅₅ электроду, определяют по формуле где А(1) - амплитуда преобразованного сигнала; _{55 to the} electrode, determined by the formula where A (1) is the amplitude of the converted signal; ' 1688199 величины зазора между образцом и неподвижным электродом для первого ' :'1688199 the gap between the sample and the fixed electrode for the first': и второго положений образца соответственно;and second sample positions, respectively; амплитуды сигналов вибрационного конденсатора . для первого и второго п ложений образца соответ ственно;the amplitude of the signals of the vibrational capacitor. for the first and second positions of the sample, respectively; £ - относительная диэлектри ческая проницаемость образца.£ is the relative permittivity of the sample.