ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЕРЕМЕЩАЕМОГО ТОНКОГО ОБЪЕКТА
TRIBOELECTRIC SENSOR FOR CONTROLLING A MOVABLE THIN OBJECT

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и позволяет осуществлять контроль тонких листовых объектов за счет контроля состава и/или структуры поверхности такого тонкого объекта, перемещаемого через машину. Таким объектом может быть листовое изделие на бумажной основе, например, защищенное полиграфическое изделие. Изобретение было первоначально разработано для контроля поверхности банкнот, однако, оно может применяться и для контроля поверхности протяженных тонких объектов, таких как рулонное бумажное или тканое полотно. Для работы датчика необходимо, чтобы, по меньшей мере, часть тонкого объекта была бы диэлектрической.
Заявленный датчик производит скользящую контактную электризацию поверхности объекта и измерение поверхностной плотности возникающих при этом трибоэлектрических зарядов. Указанный принцип работы может быть использован для контроля химического состава и/или структуры поверхности объекта. Такой контроль важен в производственном процессе и позволяет выявить нарушения в характеристиках выпускаемой продукции. Современные защищенные полиграфические изделия, такие, как банкноты, являются многослойными ламинатами. Отдельные участки поверхности подобных изделий состоят из различных материалов с различной способностью к контактной электризации. Применение датчика позволяет, по поверхностной плотности заряда электризованной поверхности, измеренной на определенных участках изделия, определить его подлинность, а также наличие признаков ремонта либо подделки, выполненных при помощи клейкой ленты. Статическое электричество, известное еще со времен античности, до сих пор остается не до конца понятным физическим явлением. Считается, что поверхность диэлектрика, рассматриваемая как квантовая система, либо воспринимает электроны в так называемые поверхностные состояния, либо отдает их из поверхностных состояний, что приводит к появлению отрицательного либо положительного зарядов, соответственно. Количество поверхностных состояний на единицу площади и уровни их энергии различны для различных веществ, что определяет различную способность накапливать статическое электричество в виде поверхностной плотности зарядов. Поверхностная и объемная проводимость материала способствует диссипации (рассеянию, стеканию) накопленных зарядов, за счет чего накопленная поверхностная плотность зарядов спадает во времени тем быстрее, чем выше проводимость.
Контактная электризация возникает при двух видах смещения поверхности взаимодействующих тел: при скольжении одной поверхности вдоль другой либо при их отделении друг от друга по направлению нормали к поверхности. При взаимодействии металла и органического диэлектрика, в результате смещения отрицательные заряды сохраняются на диэлектрике, а положительные передаются металлу. В экспериментальных исследованиях было показано, что на плотность трибоэлектрического заряда, возникающего в результате контактной электризации, оказывает влияние не только химический состав поверхностей, но также их микро- и наноструктура. Согласно современным представлениям, контактная электризация в виде перехода электронов через межатомный потенциальный барьер происходит за счет перекрытия волновых функций электронов в атомах на контактирующих поверхностях и определяется действием макроскопических сил сжатия и трения поверхностей. В качестве альтернативного или дополнительного, рассматривается механизм электризации за счет разрыва межатомных и межмолекулярных связей на поверхности. С макроскопической точки зрения, электризацию можно рассматривать как термодинамический процесс. Термодинамически равновесная поверхностная плотность трибоэлектрических зарядов зависит от разности рабочих функций материалов контактирующих поверхностей, а приближение к равновесному значению происходит в результате повторяющихся циклов контактной электризации.
Таким образом, поверхностная плотность статического заряда может характеризовать свойства поверхности материала. Большинство синтетических полимеров и некоторые природные органические диэлектрики (такие, как янтарь, шерсть, шелк) обладают способностью как генерировать высокую плотность заряда при контактной электризации, так и удерживать ее на поверхности. Вещества, содержащие природный полимер лигнин, такие, как бумага, отличаются невысокой способностью к генерации и сохранению электростатического заряда. Благодаря этому различию, измерение поверхностной плотности заряда может быть использовано для обнаружения разнородных веществ на поверхности тонкого объекта, например, фрагмента полимерной ленты, наклеенной на бумажную основу.
В уровне техники известен контроль поверхностной плотности заряда банкноты для обнаружения чужеродного полимерного материала, наклеенного на нее. В патенте RU2670018 (опубл. 17.10.2018 г., МПК G07D 7/02) поверхностный заряд из электростатического генератора переносится на поверхность банкноты, транспортируемой через устройство. Далее, заряд, воспринятый поверхностью банкноты, снимается с этой поверхности и анализируется. Если на определенном участке банкноты находится чужеродное вещество, его поверхность воспринимает плотность заряда, отличающуюся от плотности заряда, воспринимаемой поверхностью банкноты. Эта разница обнаруживается при анализе заряда и позволяет обнаружить наличие чужеродного вещества. Названный патент отличается сложностью решения, поскольку перенос заряда реализован с помощью множества валов, находящихся в контакте друг с другом и с банкнотой. В патенте не описано используемое устройство для анализа статического заряда. Однако, специалистам известно, что надежное измерение абсолютной величины статического заряда представляет собой сложную техническую задачу, которая обычно требует использования вибрационного конденсатора (также известного как vibrating reed capacitor или динамический конденсатор) либо другого элемента с подвижными электродами. Это также усложняет описанное решение.
Известен патент CN103996237 (опубл. 20.08.2014 г., МПК G07D 7/164), в котором контактная электризация банкноты осуществляется во время ее прохождения через пару плотно сжатых вращающихся валов. Валы имеют несколько различающиеся скорости вращения, что вызывает проскальзывание банкноты и ее контактную электризацию. Поверхностная плотность трибоэлектрического заряда банкноты измеряется конденсаторным индукционным датчиком с неподвижными электродами. Такой датчик реагирует на изменение поверхностной плотности заряда, но не может измерить абсолютное значение этой поверхностной плотности, чем объясняется его ограниченная применимость. В целом, невозможность измерить неизменное абсолютное значение заряда характерна для большинства полупроводниковых детекторов, которые не содержат движущихся частей.
Авторами был разработан и опробован электростатический датчик для контроля перемещаемого тонкого объекта, описанный в патенте RU2723971 (опубл. 18.06.2020 г., МПК G01D 5/241). В нем, тонкий объект пропускается в узком зазоре между проводящим зубчатым валом и приемным электродом. При вращении зубчатого вала изменяется емкость измерительного конденсатора, образуемого поверхностью зубчатого вала и приемным электродом. Она периодически уменьшается и увеличивается при прохождении каждого зуба мимо приемного электрода. Величина перепада емкости зависит от толщины и диэлектрической проницаемости тонкого объекта, что позволяет осуществлять контроль за счет обнаружения изменений толщины и/или состава материала тонкого объекта. Для измерения перепада емкости, на приемном электроде поддерживается заданное среднее значение потенциала относительно поверхности зубчатого вала, называемое поляризующим потенциалом. Перепады емкости измерительного конденсатора вызывают пропорциональные перепады напряжения на приемном электроде, амплитуда которых линейно зависит от поляризующего потенциала. Напряжение с приемного электрода подается на усилитель с высокоомным входом, который формирует выходное переменное напряжение датчика.
В ходе экспериментов с описанным датчиком дополнительно была выявлена его чувствительность к электростатическим зарядам, находящимся на поверхности тонкого объекта. Заряд на поверхности тонкого объекта, во время вращения вала, вызывает периодические перепады напряжения на приемном электроде, даже если поляризующий потенциал установлен равным нулю. При этом, амплитуда переменного напряжения на выходе датчика оказывается пропорциональной плотности заряда.
Чувствительность датчика к поверхностному заряду достигала максимума при расположении заряженной стороны объекта вблизи поверхности зубчатого вала. В случае касания объектом вала, если линейная скорость вершин зубьев превосходила скорость движения объекта, возникало проскальзывание зубьев по поверхности. Это проскальзывание приводило к контактной электризации поверхности, причем амплитуда выходного напряжения датчика была пропорциональна плотности полученного трибоэлектрического заряда. Таким образом, модификация датчика, описанного в RU2723971, дала возможность реализовать как контактную электризацию поверхности образца, так и измерение плотности полученного трибоэлектрического заряда, что позволило осуществлять контроль тонких объектов как за счет обнаружения неоднородности состава, так и отличий структуры их поверхности. Указанный патент был принят в качестве прототипа заявленного изобретения. Таким образом, заявленное изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств, позволяющих выполнять контроль тонких листовых объектов посредством контроля их поверхности. Техническим результатом является реализация назначения заявленного датчика, а именно осуществлять контроль тонкого перемещаемого объекта.
Дополнительным техническим результатом является повышение точности контроля тонкого объекта. Эти результаты достигаются тем, что трибоэлектрический датчик для контроля перемещаемого тонкого объекта содержит электропроводный зубчатый вал и приемный электрод, между которыми сформирован зазор для перемещения в нем тонкого объекта, при этом зубчатый вал установлен с возможностью вращения, при котором его поверхность, обращенная в зазор, движется в том же направлении, что и тонкий объект, с линейной скоростью, превышающей скорость движения тонкого объекта; усилитель, выполненный с возможностью формирования выходного сигнала датчика, причем приемный электрод связан со входом усилителя, при этом электрическая схема датчика выполнена с возможностью поддержания среднего значения разности потенциалов между приемным электродом и зубчатым валом на заранее заданном уровне, при этом зубчатый вал размещен на пути перемещения тонкого объекта с обеспечением касания первой поверхности тонкого объекта с поверхностью зубчатого вала, обращенной в зазор.
Как было указано выше, в прототипе контроль перемещаемого тонкого объекта реализуется за счет измерения его толщины либо диэлектрической проницаемости, то есть параметров, характеризующих объем вещества объекта. В заявленном изобретении контроль перемещаемого тонкого объекта реализуется путем измерения плотности поверхностного трибоэлектрического заряда, то есть заряда, созданного при контактной электризации поверхности объекта в устройстве. Указанная плотность поверхностного заряда характеризует способность поверхности объекта к контактной электризации и позволяет различать неоднородности на поверхности объекта по их химическому составу и/или структуре поверхности. Свойства поверхности объекта, вообще говоря, не могут быть однозначно выведены из свойств, характеризующих объем вещества объекта, и потому являются независимыми самостоятельными характеристиками объекта. Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает расширение арсенала технических средств контроля тонкого перемещаемого объекта за счет возможности контроля его поверхностных характеристик.
Электропроводный зубчатый вал в заявленном датчике выполняет как функцию трибоэлектрического генератора поверхностного заряда, так и функцию подвижного электрода в измерителе поверхностного заряда. Генерация заряда происходит непосредственно на поверхности перемещаемого тонкого объекта, где этот заряд затем и остается. Зубчатая форма электропроводного вала, при его вращении, приводит к периодическому изменению как емкости измерительного конденсатора, образованного приемным электродом и поверхностью вала, так и расположения поверхностного заряда объекта по отношению к пластинам измерительного конденсатора. За счет этого, в измерительном конденсаторе наводится периодическое изменение заряда его обкладок. Разность потенциалов приемного электрода и зубчатого вала представляет собой напряжение на обкладках измерительного конденсатора. Поддержание среднего значения этого напряжения на заранее заданном уровне обеспечивает возможность работы усилителя, который преобразует наведенный заряд на приемном электроде в переменное выходное напряжение датчика, амплитуда которого зависит от поверхностного заряда объекта.
Таким образом, вместо отдельного генератора статического заряда и множества валов для переноса этого заряда, используемых в документе RU2670018, в заявленном изобретении функции всех перечисленных элементов выполняет электропроводный зубчатый вал. Простое сочетание зубчатого вала, приемного электрода и усилителя выполняет функцию анализатора заряда. В заявленном изобретении, плотность поверхностного заряда, и вместе с ней выходной сигнал датчика, зависят не только от способности поверхности тонкого объекта удерживать статический заряд, но также и от способности этой поверхности к контактной электризации. Этим заявленное изобретение отличается от решения, описанного в документе RU2670018, где способность поверхности тонкого объекта к контактной электризации не анализируется датчиком. Благодаря учету указанного дополнительного свойства поверхности материала, увеличивается точность различения разнородных материалов на поверхности объекта, чем достигается дополнительный технический результат. В решении, описанном в CN103996237, способность поверхности к контактной электризации анализируется датчиком. Однако, валы, используемые для контактной электризации, представляют собой отдельную часть датчика и не вовлечены в процесс измерения плотности поверхностного заряда. Для этого измерения используется отдельная измерительная часть датчика. В заявленном изобретении, зубчатый вал обеспечивает как контактную электризацию, так и измерение плотности получаемого при этом заряда, чем обеспечивается простота технического решения.
Поскольку поверхность зубчатого вала выполняет функцию подвижного электрода измерительного конденсатора, то обеспечивается возможность измерения' абсолютного значения поверхностного заряда, а не только его изменения, как происходит в измерителях без движущихся частей. Измерение абсолютного значения плотности заряда позволяет более точно характеризовать материал поверхности объекта. В известных технических решениях, таких, как CN103996237 и RU2670018, реализация способа измерения заряда не конкретизирована. Однако, для специалиста является очевидным, что с целью измерения абсолютного значения плотности заряда в этих решениях придется использовать дополнительные элементы с подвижными электродами, такие, как вибрационные конденсаторы, либо иные сложные элементы. Это дополнительно усложняет известные решения. Если же в названных решениях реализуется только измерение перепада плотности заряда, но не абсолютной величины указанной плотности, то это ухудшает точность различения разнородных материалов в сравнении с заявленным изобретением, т.е. соответственно снижает точность контроля объекта.
Иными словами, в известном уровне техники не выявлены решения, позволяющие решить задачу контроля поверхностных характеристик поверхности тонкого объекта путем ее контактной электризации и измерения абсолютной величины плотности возникающего при этом поверхностного заряда, с помощью достаточно простых средств, как это обеспечивает заявленное изобретение. Заявленное изобретение, за счет измерения абсолютной величины плотности поверхностного заряда с использованием сравнительно простых средств, обеспечивает повышение точности контроля тонкого объекта, чем достигается дополнительный технический результат.
Рассмотрим различные возможности улучшений при реализации заявленного изобретения. Приемный электрод может быть закрыт изолирующим слоем со всех сторон, что дает два дополнительных улучшения. Во-первых, уменьшается как утечка заряда измерительного конденсатора по мостикам загрязнений, так и натекание в него заряда при случайном непосредственном контакте с объектом. Это важно для уменьшения помех работе датчика. Во-вторых, для уменьшения трения и износа в датчике, изолирующий слой может быть выполнен из широкой гаммы доступных износостойких диэлектрических материалов, таких как керамическое напыление, износостойкие марки стекол или полимеров. Среднее значение разности потенциалов между поверхностями приемного электрода и зубчатого вала, то есть среднее напряжение на измерительном конденсаторе, может иметь как нулевое, так и ненулевое значение. При нулевом среднем значении напряжения на измерительном конденсаторе, заряд в этом конденсаторе наводится только за счет статического заряда, находящегося в зазоре. Этим зарядом, в основном, является трибоэлектрический заряд на поверхности тонкого объекта, и в меньшей степени, свободный заряд на поверхности изолирующего слоя. Соответственно, выходное напряжение датчика, главным образом, определяется трибоэлектрическим зарядом на поверхности тонкого объекта.
Если же среднее значение напряжения на измерительном конденсаторе поддерживается на заданном ненулевом уровне, то в конденсаторе возникает дополнительный заряд, пропорциональный этому уровню. Благодаря наличию дополнительного заряда, даже в отсутствии тонкого объекта в зазоре на выходе датчика возникает переменное напряжение. Его амплитуда определяется величиной периодического изменения емкости измерительного конденсатора, происходящего по мере вращения зубчатого вала. Значение указанного переменного напряжения может быть использовано для наблюдения за состоянием датчика, например, для проверки ширины зазора или контроля степени загрязнения впадин между зубьями вала.
В возможных реализациях заявленного изобретения дополнительно вводится защитный электрод, частично охватывающий приемный электрод. При его соединении с постоянным потенциалом, часть силовых линий полей внешних электростатических помех заканчиваются на эквипотенциальной поверхности защитного электрода и не достигают поверхности приемного электрода. Это позволяет уменьшить уровень помех и повысить чувствительность. Вход усилителя в электрической схеме датчика может быть чувствительным к напряжению либо к току. В одной из реализаций, может использоваться электрометрический усилитель напряжения с очень высоким входным сопротивлением и малым током утечки. В этой реализации, при периодическом изменении наведенного заряда измерительного конденсатора по мере вращения зубчатого вала, суммарный заряд в измерительном конденсаторе и паразитных емкостях приемного электрода остается практически неизменным, а напряжение на конденсаторе периодически меняется.
В другой возможной реализации, может использоваться усилитель с токовым входом, который обеспечивает усиление тока, втекающего в измерительный конденсатор или вытекающего из него. Выходной сигнал датчика оказывается пропорциональным скорости периодического изменения наведенного заряда измерительного конденсатора, возникающего по мере вращения зубчатого вала. В усилителе с токовым входом напряжение приемного электрода меняется в малой степени, поэтому потери заряда в паразитных емкостях и сопротивлениях утечки приемного электрода также оказываются достаточно малыми. Усилитель с токовым входом требует специальных мер по обеспечению стабильности, поскольку источник сигнала имеет чисто емкостной характер, что может привести к самовозбуждению. Такие меры направлены на сохранение достаточного запаса фазы в цепи обратной связи усилителя и хорошо известны специалистам.
При движении в датчике, объект может касаться, по меньшей мере, одного либо двух соседних зубьев вала. Однако, за счет огибания объектом определенной дуги поверхности зубчатого вала, количество зубьев, находящихся в контакте с объектом, может быть увеличено. Так как линейная скорость поверхности зубчатого вала превышает скорость движения тонкого объекта, то зубья, находящиеся в контакте с объектом, скользят по нему и оставляют электризованный след. Длина следа растет со скоростью, равной разности линейных скоростей поверхностей зубчатого вала и объекта. За время контакта, электризованный след постепенно заполняет интервал, отделяющий его от начала другого следа, оставленного соседним зубом. В результате, он может достигнуть начала другого следа, что приведет к повторению цикла электризации на уже ранее электризованном участке поверхности объекта. При достаточной разнице указанных линейных скоростей и достаточном количестве зубьев, находящихся в контакте, цикл электризации одного и того же участка поверхности объекта может происходить многократно. Как было указано ранее, при повторении циклов контактной электризации одного и того же участка поверхности диэлектрика, плотность трибоэлектрического заряда на этом участке растет постепенно и приближается к некоторому термодинамически равновесному значению, которое определяется свойствами трущихся поверхностей и условиями контакта.
1. Датчик регистрирует плотность заряда на участке поверхности объекта в момент, непосредственно предшествующий выходу этого участка из зазора. Таким образом, если объект касается двух или большего числа зубьев зубчатого вала на участке движения объекта, предшествующего выходу объекта из зазора, то это приводит к двум положительным эффектам. При малой разнице скоростей поверхностей вала и объекта, увеличение числа контактирующих зубьев уменьшает площадь участков на поверхности объекта, не подвергнутых контактной электризации, поскольку электризация каждым зубом продолжается на более протяженном пути перед выходом из зазора и оставляет более длинный электризованный след. При большой разнице скоростей поверхностей вала и объекта, увеличение числа контактирующих зубьев увеличивает количество скользящих проходов зубьев по одному и тому же участку объекта перед выходом этого участка из зазора, то есть увеличивается количество циклов электризации этого участка. Как в том, так и в другом случае, увеличивается средняя плотность трибоэлектрического заряда участка поверхности объекта, находящегося в зазоре. Соответственно, возрастает амплитуда выходного напряжения датчика, что способствует повышению чувствительности. Практическим путем было установлено, что оптимальным является, когда линейная скорость поверхности зубчатого вала, обращенной в зазор, превышает скорость движения тонкого объекта в 1,6 раза.
На пути перемещения тонкого объекта в зазор может быть установлен дополнительный электропроводный вал, гальванически связанный с зубчатым валом, и установленный с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения зубчатого вала, причем линейная скорость поверхности дополнительного вала превышает скорость движения тонкого объекта, и при этом для поверхности дополнительного вала обеспечивается касание второй поверхности тонкого объекта, противоположной первой поверхности.
В заявленном изобретении, контактную электризацию первой поверхности тонкого объекта всегда обеспечивает скольжение по ней зубьев зубчатого вала. Дополнительный вал, установленный указанным образом, обеспечивает контактную электризацию второй поверхности тонкого объекта, также за счет скольжения. Гальваническая связь между дополнительным и зубчатым валами дает возможность перераспределения зарядов, переданных дополнительному валу в процессе контактной электризации.
Когда в устройстве используется дополнительный вал, электризации подвергаются обе поверхности тонкого объекта, причем поверхностная плотность зарядов на каждой из поверхностей определяется химическим составом и структурой этой поверхности. При попадании в измерительный конденсатор датчика происходит преобразование плотностей заряда на каждой из сторон тонкого объекта в размах выходного напряжения датчика. Этот размах характеризует химический состав и структуру обеих поверхностей на участке тонкого объекта, находящемся в измерительном конденсаторе, без возможности разделения на вклад каждой из сторон. Описанное усовершенствование заявленного изобретения позволяет контролировать наличие неоднородности сразу на обеих поверхностях тонкого объекта.
Применение единого зубчатого вала, длина которого равна ширине тонкого объекта или превышает ее, позволяет расположить рядом множество датчиков согласно заявленному изобретению, чтобы получить составной многоэлементный датчик. Такое использование изобретения позволяет применять его для контроля всех зон поверхности тонкого объекта и получения двумерного массива откликов, величина которых определяется свойствами поверхности объекта.
На Фиг. 1 схематически изображена реализация датчика согласно заявленному изобретению.
На Фиг. 2 изображен процесс контактной электризации при огибании банкнотой зубчатого вала.
На Фиг. 3 показаны графики зависимости наведенного заряда приемного электрода от положения банкноты в зазоре.
На Фиг. 4 показана конфигурация датчика с использованием зубчатого вала и дополнительного вала.
1
4
В качестве примера реализации рассматривается применение трибоэлектрического датчика в машине для обработки банкнот, которые, в данном случае, считаются тонкими объектами в терминологии описания и формулы заявленного изобретения. Механизм машины подает банкноты по одной в банкнотопроводный тракт и перемещает их через датчик. Датчик используется для контроля банкнот с целью обнаружения наклеенной на поверхность банкноты клейкой полимерной ленты, что необходимо для выявления и отбраковки изношенных и поврежденных банкнот. Металлический зубчатый вал 1 расположен в банкнотопроводном тракте машины и приводится во вращение от мотора механизма машины (не показан). Окружная скорость V на вершинах зубьев вала 1 выбрана примерно в 1,6 раза большей, чем линейная скорость V перемещения банкноты 4, которую обеспечивает банкнотопроводный тракт. Элементы банкнотопроводного тракта (на рисунке не показаны) обеспечивают контакт между поверхностью банкноты и зубчатым валом.
Чувствительным элементом датчика является приемный электрод 2, охваченный изолирующим полимерным слоем 9 (см. Фиг. 2) и частично охваченный защитным электродом 3. Изолирующий слой 9 заполняет пространство между приемным электродом 2 и защитным электродом 3. Полимер, из которого выполнен изолирующий слой 9, является износостойким, и обеспечивает малый коэффициент трения по бумаге.
Между зубчатым валом 1 и приемным электродом 2 сформирован зазор, ограничиваемый, с одной стороны, поверхностью вала 1, а, с другой стороны, поверхностью полимерного изолирующего слоя 9. Банкнота 4 проходит по тракту в указанном зазоре, прижатая к поверхности вала 1. При этом, ширина зазора примерно в пять раз превышает толщину банкноты.
Зубчатый вал 1 через шариковые подшипники, заполненные электропроводной смазкой (не показаны на рисунке), соединен с общим эквипотенциальным контуром машины, который соединяет вместе ее электропроводные конструктивные элементы. В данном описании, мы будем называть этот контур цепью заземления GND.
Защитный электрод 3 охватывает приемный электрод 2 со всех сторон, кроме стороны, обращенной к поверхности зубчатого вала 1. За счет этого, внешние электрические поля, создающие помехи для работы датчика, замыкаются на поверхность защитного электрода 3. Поэтому, влияние помех на приемный электрод 2, в очень значительной степени, ослабляется.
7
IN
Приемный электрод 2 подключен к входу полупроводникового электрометрического усилителя 5, который построен на основе операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе. Операционный усилитель используется в неинвертирующей схеме включения. Вход усилителя 5 представляет собой неинвертирующий вход операционного усилителя. Входное сопротивление такого усилителя составляет единицы гигаом. Усилитель 5 изображен упрощенно, без указания цепей питания и обратной связи. Входное и выходное напряжение усилителя 5 отсчитываются от потенциала GND. Между приемным электродом 2 и цепью заземления GND включен резистор смещения 6, который обеспечивает подачу потенциала общего провода на приемный электрод 2. Резистор 6 имеет высокое сопротивление, измеряемое десятками или сотнями мегаом. Параллельно резистору 6 оказывается подключенным паразитный конденсатор 7, который объединяет в себе паразитные емкости между приемным 2 и защитным 3 электродами, входную емкость усилителя 5, а также емкость монтажа. Емкость паразитного конденсатора 7 равна С. Эта емкость многократно превосходит емкость измерительного конденсатора C, образуемую зубчатой поверхностью вала 1 и приемным электродом 2. Интегрирующая цепь, образуемая резистором 6 и конденсатором 7, поддерживает нулевое значение среднего потенциала на приемном электроде 2 по отношению к цепи GND и, соответственно, к зубчатому валу 1. Изолирующий слой 9, охватывающий приемный электрод 2, блокирует токи утечки в обход резистора 6 и конденсатора 7, которые могли бы протекать за счет касания банкнотой 4 приемного электрода 2 или за счет образования проводящих мостиков от приемного электрода 2 по слою загрязнений на другие цепи.
OUT
OUT
Напряжение на защитном электроде подвергается усилению при помощи усилителя 5. После усиления, напряжение с выхода усилителя 5 проходит через разделительный конденсатор 11 и падает на нагрузочном резисторе 12. За счет использования разделительного конденсатора 11, выходное напряжение датчика U на резисторе 12 не имеет постоянной составляющей по отношению к цепи заземления GND. Оно оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 13. Цифровое значение моментального напряжения на входе преобразователя 13, в виде выходного двоичного кода, передается в контроллер машины (на рисунке не показан). Величина размаха U, соответствующего переменному выходному напряжению датчика, характеризуется целочисленным значением перепада ΔD выходных кодов АЦП 13 между минимальным и максимальным значением, возникающего за период прохождения одного зуба вала 1 в зазоре датчика.
1
4
Рассмотрим работу датчика при движении через его зазор банкноты 4. Как показано на Фиг. 2, зуб 15 зубчатого вала 1 еще не касается своей вершиной поверхности 8, пять зубьев 16-20 находятся в контакте с ней, а зуб 21 уже вышел из контакта с этой поверхностью. За счет большой разницы линейной скорости V вершин зубьев вала 1 и линейной скорости V движения банкноты, зубья 16-20 проскальзывают по поверхности 8 и создают на ней отрицательные поверхностные заряды, показанные знаком «минус». Плотность расположения этих знаков на рисунке условно отображает величину поверхностной плотности заряда.
1
2
2
1
1
4
2
1
По участку поверхности 8 банкноты, длина которого в направлении движения равна дуге из N=5 зубьев поверхности вала 1, за время контакта проходит N=8 зубьев, что следует из соотношения скоростей: N/N=V/V=1,6. Разность числа зубьев N-N=3 выражается в трех повторяющихся циклах контактной электризации, достигаемых к концу этого участка. Таким образом, поверхностная плотность отрицательного заряда на поверхности 8 нарастает от зуба 16 к зубу 20, поскольку зуб 16 первым из зубьев входит в контакт с поверхностью 8, а в контакте с зубом 20 находится та часть поверхности 8, на которой уже было выполнено три цикла контактной электризации. При выходе из датчика отрицательные заряды остаются на поверхности 8 и далее рассеиваются при движении через машину, стекая в цепь заземления через электропроводные элементы, касающиеся банкноты.
Положительные заряды, изображенные на Фиг. 2 знаками «плюс», распределяются по гальванически связанным проводящим поверхностям датчика. Их распределение определяется взаимодействием с отрицательными зарядами на поверхности 8 и представляет собой проявление электростатической индукции. Часть положительных зарядов располагается на поверхности вала 1. В местах контакта вершин зубьев 16-20 с поверхностью 8, положительные и отрицательные заряды находятся очень близко и практически полностью компенсируют электрическое поле друг друга. В местах впадин между зубьями, положительные заряды отделены от отрицательных и создают электрическое поле в зазоре.
Другая часть положительных зарядов перераспределяется между проводящими частями, находящимися в зазоре и его ближайшей окрестности. Под действием поля отрицательных зарядов на поверхности 8, заряды наводятся на поверхностях приемного 2 и защитного 3 электродов, обращенных в зазор, а также на поверхности вала 1.
IN
IN
IN
7
IN
OUT
IN
OUT
Положительные заряды передаются между зубчатым валом 1 и защитным электродом 3 непосредственно через цепь GND, с которой они соединены. Потенциал приемного электрода 2, в среднем, тоже равен GND. Однако, положительный заряд Q, наведенный в приемном электроде 2, протекает в него не напрямую, а через конденсатор 7, поскольку сопротивление резистора 6 очень велико. По мере вращения зубчатого вала 1, величина заряда, наведенного в приемном электроде 2, периодически изменяется на величину ΔQ. Так как C<<С, то конденсатор 7 своей относительно большой емкостью обеспечивает малость отклонения потенциала приемного электрода 2 от потенциала GND. Соответственно, на конденсаторе 7 возникает малое переменное напряжение с размахом ΔU, определяемое соотношением  Это напряжение усиливается в усилителе 5 до размаха ΔU и оцифровывается в АЦП 13. Таким образом, между перепадом наведенного заряда ΔQ приемного электрода 2, размахом ΔU и перепадом ΔD кодов на выходе АЦП 13 существует линейная взаимосвязь.
IN
IN
IN
IN
OUT
Рассмотрим более подробно, какая величина заряда наводится в приемном электроде 2 в случае размещения некоторой нормированной плотности статического заряда на поверхности 8. На Фиг. 3 показаны графики зависимости Q и ΔQ от расстояния между заряженной поверхностью 8 банкноты 4 и поверхностью изолирующего слоя 9. Эти графики были рассчитаны с использованием метода конечных элементов и соответствуют различным положениям банкноты в зазоре, начиная от контакта с изолирующим слоем 9 вплоть до контакта с поверхностью зубьев вала 1. Наивысшее значение ΔQ, соответствующее наибольшему размаху ΔU и ΔU, а также перепаду ΔD кодов на выходе АЦП 13, наблюдается именно в состоянии контакта между поверхностью 8 и поверхностью зубьев вала 1, то есть в рабочем положении банкноты в датчике. Напротив, случайно возникшие свободные заряды на поверхности изолирующего слоя 9 влияют на наведенный заряд приемного электрода 2 лишь в минимальной степени, что способствует уменьшению помех в датчике.
IN
OUT
IN
OUT
Банкнотная бумага всегда содержит некоторое количество природного полимера лигнина, из-за чего она обладает сравнительно невысокой способностью к контактной электризации. Поэтому, при движении банкноты, не содержащей на поверхности 8 включений синтетических полимеров, получаемые значения ΔU, ΔU и перепад ΔD кодов на выходе АЦП 13 остаются сравнительно небольшими. Из-за этого, перепад кодов ΔD не превышает некоторого, заранее заданного порогового значения. Синтетический полимер полиэтилентерефталат, из которого обычно изготавливают клейкую ленту, в отличие от бумаги, обладает очень высокой способностью к контактной электризации. Поэтому, при входе в датчик участка банкноты 9, на который наклеен фрагмент клейкой ленты из полиэтилентерефталата, резко возрастает плотность отрицательных зарядов на поверхности 8. Когда этот участок достигает зазора между приемным электродом 2 и поверхностью зубчатого вала 1, резко увеличиваются значения ΔU, ΔU и перепад ΔD кодов на выходе АЦП 13. Соответственно, перепад кодов превышает заранее заданное пороговое значение, что рассматривается контроллером машины как признак наличия клейкой ленты на поверхности банкноты. В этом случае, контроллер выдает команду на перенаправление банкноты в специально выделенный карман для отбракованных банкнот. Контроль электризации поверхности 8 может использоваться и для целей проверки подлинности. Современная банкнота может содержать участки защитных меток с аппликацией полимерной пленки либо с нанесением антистатического состава, которые, соответственно, отличаются от бумаги повышенной контактной электризуемостью либо почти полным отсутствием ее. Контроллер может проверять отклик датчика в строго определенных местах расположения защитных меток на банкноте и сравнивать полученные значения перепада ΔD кодов на выходе АЦП 13 в этих местах с заранее известными допустимыми интервалами. В том случае, если полученные результаты не попадают в допустимые интервалы, банкнота признается неподлинной, и контроллер должен выдать команду на перенаправление банкноты в карман для отбракованных банкнот.
OUT
Датчик также может использоваться для контроля банкнот 4, содержащих электропроводные области поверхности 8. Выходной перепад ΔU при нахождении такой области в зазоре будет практически отсутствовать, поскольку электропроводная область будет в это время соединена с постоянным потенциалом цепи GND через контакт с зубом вала 1. Указанное отсутствие отклика датчика, выражающееся в практически нулевой величине ΔD перепада кодов на выходе АЦП 13, также может использоваться в качестве браковочного признака.
На Фиг. 4 изображена реализация изобретения с использованием дополнительного металлического вала 22, идентичного по конструкции зубчатому валу 1 и также соединенного с цепью заземления GND через электропроводную смазку в подшипниках. Вообще говоря, дополнительный вал может быть иной конструкции, например, он может отличаться по диаметру от вала 1 и/или не иметь зубьев. Остальные элементы данной реализации идентичны показанным на Фиг. 1 и Фиг. 2.
IN
IN
IN
В рассматриваемой реализации зубчатый вал 1 производит контактную электризацию первой поверхности 8 банкноты 4, а дополнительный вал 22 осуществляет контактную электризацию второй поверхности 23 этой банкноты. Положительный заряд, созданный в ходе контактной электризации на поверхности дополнительного вала 22, стекает в цепь заземления GND. Валы 1 и 22 вращаются в противоположные стороны, причем линейная скорость поверхности каждого из них равна Во время прохождения через измерительный конденсатор, образованный поверхностью зубчатого вала 1 и приемным электродом 2, перепад наведенного заряда приемного электрода ΔQ определяется плотностями поверхностного заряда как на поверхности 8, так и на поверхности 23. При одинаковой плотности заряда, отклик ΔQ от второй поверхности 23 банкноты 4 оказывается несколько слабее отклика от первой поверхности 8. Это, в соответствии с зависимостью ΔQ на Фиг. 3, можно объяснить большей удаленностью второй поверхности 23 от поверхности вала 1. Различие откликов от поверхностей 8 и 23 невелико в силу малой толщины банкноты, составляющей около 100 мкм.
IN
OUT
Когда на поверхности 8 или же на поверхности 23 находится фрагмент клейкой ленты, то на этом месте резко увеличивается поверхностная плотность заряда, возникшего вследствие контактной электризации. Соответственно, при прохождении этого места через измерительный конденсатор, резко увеличиваются значения ΔU, ΔU, а также перепад ΔD кодов на выходе АЦП 13. Отметим, что по указанным увеличившимся величинам нет возможности точно определить, на какой именно поверхности банкноты находится клейкая лента. Когда перепад ΔD кодов на выходе АЦП 13 превышает заранее заданное пороговое значение обнаружения, это рассматривается контроллером машины как признак наличия клейкой ленты на любой из поверхностей банкноты. В таком случае, контроллер выдает команду на перенаправление банкноты в карман для отбракованных банкнот. Описанная реализация дает возможность контроля сразу двух сторон банкноты.
В конфигурации из двух валов 1 и 22, показанной на Фиг. 4, облегчается прохождение ведущей кромки банкноты 4 между поверхностями валов. Это достигается за счет того, что поверхность вала 1 отклоняет ведущую кромку по стрелке 24, направляя ее в промежуток между валами 1 и 22 и не давая ей отклониться в сторону. Это важно для уменьшения вероятности замятия банкнот в механизме.
Указанные здесь способы контроля неоднородности поверхности банкнот при помощи заявленного датчика могут быть применены к более широкому кругу тонких объектов, включая сюда защищенные документы, бумажное и тканевое полотно, полимерные пленки, а также другие изделия и полуфабрикаты.