СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO DETECT CONTACT DIFFERENCE OF POTENTIALS AND RELATED DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве средства неразрушающего контроля энергетического состояния поверхности деталей и изделий, выполненных из электропроводящих материалов или полупроводников.
Определение контактной разности потенциалов между исследуемым образцом и измерительным электродом по электрическим характеристикам, полученным в результате прямых измерений, позволяет оперативно контролировать энергетическое состояние поверхности образца в течение технологического процесса обработки и после его окончания. Технологический процесс может включать различные виды обработки, включая химическую, механическую и термическую. После каждого этапа обработки необходимо определять наличие и тип дефектов на поверхности образца. Для определения контактной разности потенциалов в настоящее время широко применяются методы измерений электрических характеристик с помощью динамического и статического конденсатора.
При использовании динамического конденсатора в зазоре между измерительным электродом и образцом, образующими конденсатор, возникает электрическое поле, величина которого зависит от разности поверхностных потенциалов электрода и образца. При изменении зазора между обкладками конденсатора изменяется напряженность электрического поля, что приводит к появлению электрического тока во внешней электрической цепи. Изменение зазора между обкладками конденсатора обеспечивается, например, с помощью вибрационного электрода. Изменение разности потенциалов между обкладками конденсатора компенсируют с помощью регулируемого источника напряжения, включенного во внешнюю цепь. При перемещении электрода напряжение во внешней цепи регулируют таким образом, чтобы величина тока в цепи была равна нулю. При этом величину контактной разности потенциалов определяют по значению напряжения во внешней цепи при нулевом значении тока.
Метод измерения контактной разности потенциалов с помощью статического конденсатора отличается от вышеописанного метода тем, что электрод и образец остаются неподвижными после их разъединения. Вызванная действием контактной разности потенциалов утечка зарядов с обкладок конденсатора компенсируется регулируемой величиной напряжения во внешней электрической цепи. Данный метод не позволяет измерить изменение разности потенциалов между обкладками конденсатора, наиболее полно характеризующее контактную разность потенциалов.
Методы определения контактной разности потенциалов реализуются с помощью различных электроизмерительных средств. Так, например, известно устройство для измерения электрического потенциала заряженной поверхности, описанное в японской патентной заявке JP 55140163A (МПК: G01R 15/04, 15/06, опубл. 01.11 1980). Устройство для определения разности потенциалов содержит корпус, измерительный электрод и исследуемый образец (проводник), окруженные экранирующим электродом. Измерение напряжения производится на участке электрической цепи между измерительным электродом и резистором, имеющим высокое значение сопротивления. Сигнал с измерительного электрода усиливается с помощью усилителя напряжения, имеющего высокое входное сопротивление. Усиленный сигнал поступает на вход прибора, регистрирующего напряжение.
Известное измерительное устройство и способ его работы не позволяют полностью устранить утечку заряда конденсатора через измерительную цепь в процессе проводимых измерений. Утечка заряда с измерительного электрода через подключенные к нему электрические цепи существенно снижает точность проводимых измерений.
Наиболее близкими аналогами патентуемой группы изобретений являются способ измерения контактной разности потенциалов и измерительное устройство, предназначенное для его осуществления, которые описаны в авторском свидетельстве SU 1798736A1 (МПК G01R 29/12, опубл. 28.02.1993). Данное устройство содержит электропроводящий корпус, контактирующий с исследуемым образцом. Напротив образца установлен вибрационный измерительный электрод, который окружен экранирующим заземленным электродом. Вибрационный электрод механически связан с пьезоэлектрическими элементами вибрационной системы. Измерительный электрод параллельно соединен с регулируемым источником постоянного компенсирующего напряжения и с входом усилителя переменного тока, к выходу которого подключен регистрирующий прибор (осциллограф). Исследуемый образец и измерительный электрод образуют при проведении измерений динамический конденсатор
В процессе работы устройства происходит колебательное движение измерительного электрода относительно поверхности исследуемого образца. В электрической цепи динамического конденсатора возникает переменный электрический ток, который усиливается с помощью усилителя и затем регистрируется осциллографом. Одновременно с регистрацией электрического тока регулируют напряжение, подаваемое на измерительный электрод, до момента полной компенсации электрического поля (разности потенциалов) между обкладками конденсатора. Момент компенсации электрического поля определяют по величине регистрируемого электрического тока: компенсация электрического поля происходит при нулевом значении тока. При этом величину контактной разности потенциалов определяют по показаниям измерителя напряжения, подключенного к выходу регулируемого источника напряжения.
Несмотря на применение средств, предотвращающих утечку заряда с обкладок конденсатора, известный способ определения контактной разности потенциалов и измерительное устройство, с помощью которого осуществляется способ, не обеспечивают требуемого уровня точности и достоверности измерений. Данный недостаток связан с тем, что заряд конденсатора небольшой емкости, образующийся при разъединении электрода и образца, быстро уменьшается из-за утечек через электрические цепи измерения тока и регулирования напряжения. Кроме того, с помощью известных аналогов невозможно обеспечить быстродействие средства измерений и автоматизацию процесса измерения контактной разности потенциалов из-за необходимости регулировки напряжения на измерительном электроде.
Патентуемое изобретение направлено на устранение утечек заряда конденсатора, образованного исследуемым образцом и измерительным электродом, как через окружающее пространство, так и через питающие и измерительные электрические цепи, соединенные с измерительным электродом за счет автоматической компенсации изменения разности потенциалов между исследуемым образцом и измерительным электродом в процессе его перемещения и проведения измерений. Решение данной задачи позволяет проводить измерения при постоянной величине заряда на обкладках конденсатора. Вместе с тем способ и устройство для его осуществления должны обеспечивать прямое измерение электрических характеристик, по которым определяется контактная разность потенциалов, без проведения дополнительных преобразований измеряемого сигнала.
Решение поставленных технических задач позволяет повысить точность определения контактной разности потенциалов и обеспечить автоматизацию процесса измерений.
Достижение данных технических результатов обеспечивается при осуществлении способа измерения контактной разности потенциалов. Способ включает подвод измерительного электрода к поверхности исследуемого образца, осуществление электрического контакта между измерительным электродом и исследуемым образцом, последующее размыкание электрического контакта и поступательное перемещение измерительного электрода в направлении от поверхности исследуемого образца. В процессе указанных выше действий производят экранирование измерительного электрода, усиление величины сигнала, фиксируемого на измерительном электроде, и регистрацию усиленного сигнала. Согласно патентуемому изобретению в качестве сигнала фиксируют напряжение на измерительном электроде, инвертируют и усиливают сигнал. Усиленный сигнал подают на исследуемый образец и регистрируют изменение напряжения на исследуемом образце в зависимости от расстояния между противолежащими поверхностями исследуемого образца и измерительного электрода. Измеренную зависимость используют в качестве электрической характеристики контактной разности потенциалов.
При касании измерительным электродом поверхности исследуемого образца, вследствие различия величин работы выхода электронов контактирующих материалов, противоположные поверхности электрода и образца приобретают разноименные заряды и между ними устанавливается контактная разность потенциалов, которую невозможно определить методами прямых измерений. После удаления измерительного электрода от поверхности исследуемого образца и при дальнейшем его перемещении заряд на измерительном электроде сохраняется за счет экранирования с помощью электропроводящего экрана, подключенного к общему выводу блока электропитания.
Автоматическая компенсация изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора, образованного измерительным электродом и исследуемым образцом, при изменении его емкости обеспечивается за счет подачи на исследуемый образец усиленного напряжения противоположной полярности относительно измерительного электрода. В результате автоматической компенсации изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора входные сигналы усилителя напряжения становятся равными по величине. Точность компенсации определяется напряжением смещения между входами усилителя напряжения и составляет величину ~1 мВ. После уравнивания входных сигналов усилителя процесс компенсации изменения разности потенциалов автоматически прекращается.
Величина контактной разности потенциалов определяется по регистрируемой зависимости изменения напряжения на исследуемом образце от расстояния между противолежащими поверхностями исследуемого образца и измерительного электрода, которое определяет емкость конденсатора. Осуществление процесса автоматической компенсации изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора при проведении измерений позволяет полностью исключить утечку заряда через электрические цепи, подключенные к измерительному электроду.
Таким образом, за счет применения метода автоматической компенсации изменения разности потенциалов обеспечивается постоянство заряда на обкладках конденсатора и вследствие этого достигается высокая точность измерения электрических характеристик, определяющих контактную разность потенциалов, и реализуется автоматизация процесса измерений.
Инвертирование и усиление сигнала может осуществляться с помощью операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим входами. Для этого инвертирующий вход усилителя подключают к измерительному электроду, а неинвертирующий вход - к общему выводу блока электропитания.
Подача усиленного инвертированного сигнала напряжения на исследуемый образец может производиться через электропроводящий корпус устройства, который образует электрический контакт с поверхностью исследуемого образца.
Для экранирования измерительного электрода может использоваться электропроводящий экран, подключенный к общему выводу блока электропитания.
Электрический контакт между измерительным электродом и исследуемым образцом и последующее размыкание электрического контакта могут производиться с помощью пружинного механизма, в частности пружинного толкателя. Перемещение измерительного электрода относительно поверхности исследуемого образца может производиться, например, с помощью электромеханического средства перемещения.
Регистрация изменения величины напряжения на исследуемом образце может осуществляться с помощью осциллографа или блока обработки данных, подключенного к персональному компьютеру.
Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается также с помощью устройства для определения контактной разности потенциалов, которое предназначено для осуществления вышеуказанного способа. Устройство включает в свой состав электропроводящий корпус, выполненный с возможностью образования электрического контакта с поверхностью исследуемого образца. Устройство содержит измерительный электрод, который контактирует с исследуемым образцом и перемещается относительно поверхности исследуемого образца через отверстие, образованное в корпусе. В состав устройства входит блок электропитания, электропроводящий экран, установленный между измерительным электродом и электропроводящим корпусом, средство регистрации сигнала и усилитель сигнала. В качестве средства регистрации сигнала используется регистратор напряжения. В качестве усилителя сигнала используется усилитель напряжения, выполненный в виде операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим входами. Инвертирующий вход усилителя соединен с измерительным электродом. Неинвертирующий вход усилителя соединен с общим выводом блока электропитания. Выход операционного усилителя подключен через электропроводящий корпус к исследуемому образцу и соединен с входом регистратора напряжения.
Блок электропитания может быть выполнен в виде последовательно соединенных преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение и преобразователя постоянного напряжения.
Устройство может содержать механизм перемещения измерительного электрода, например пружинный толкатель, для обеспечения электрического контакта между измерительным электродом и исследуемым образцом. С помощью пружинного механизма производится последующее размыкание электрического контакта.
Движение измерительного электрода относительно исследуемого образца производится, например, с помощью электромеханического средства перемещения.
Регистратор напряжения может быть выполнен в виде осциллографа или блока обработки данных, который подключается к персональному компьютеру.
Далее группа изобретений поясняется описанием примера осуществления способа измерения контактной разности потенциалов с помощью устройства, предназначенного для его осуществления, которое содержит усилитель напряжения в виде операционного усилителя с инвертирующим и неинвертирующим входами.
На фиг.1 дана общая электрическая схема устройства, предназначенного для определения контактной разности потенциалов;
на фиг.2 - графические зависимости изменения величины напряжения U(d) при использовании образцов, выполненных из стали и алюминия;
на фиг.3 - графические зависимости изменения величины напряжения U(d) при использовании стальных образцов с различными поверхностными свойствами.
Устройство для измерения контактной разности потенциалов, схема которого изображена на фиг.1, содержит электропроводящий металлический корпус 1. В торцевой стенке корпуса 1 выполнено отверстие, в котором устанавливается исследуемый образец 2, образующий электрический контакт с кромками отверстия в торцевой стенке электропроводящего корпуса 1. В полости корпуса 1 размещен измерительный электрод 3, который снабжен пружинным толкателем для обеспечения электрического контакта с исследуемым образцом 2 и размыкания электрического контакта. Измерительный электрод 3 механически связан с электромеханическим средством перемещения (ЭСП) 4, которое обеспечивает поступательное перемещение измерительного электрода 3 относительно противолежащей поверхности исследуемого образца 2.
В состав устройства входит блок электропитания, состоящий из преобразователя переменного напряжения (ППЕ) 5, обеспечивающего преобразование переменного напряжения 220 В в постоянное напряжение, и соединенного с ним преобразователя постоянного напряжения (ППО) 6, обеспечивающего преобразование входного постоянного напряжения в постоянное напряжение ±15 В. Двухполюсный блок электропитания снабжен общим выводом, к которому подключаются элементы измерительного устройства.
Измерительный электрод 3 и линии связи окружены электропроводящим экраном 7, который установлен между электродом 3 и электропроводящим корпусом 1. Экран 7 подключен к общему выводу блока электропитания. Усилитель напряжения выполнен в виде операционного усилителя 8 с двумя входами: инвертирующим и неинвертирующим. Инвертирующий вход операционного усилителя 8 соединен с экранированным измерительным электродом 3, а неинвертирующий вход - с общим выводом блока электропитания. Выход операционного усилителя 8 соединен с электропроводящим корпусом 1 и подключен к регистратору напряжения (РН) 9, в качестве которого в рассматриваемом примере реализации изобретения используется осциллограф. Через электропроводящий корпус 1 выход операционного усилителя 8 подключен к исследуемому образцу 2. Электропитание операционного усилителя 8 осуществляется постоянным напряжением ±15 В, которое вырабатывается преобразователем 6.
Способ измерения контактной разности потенциалов осуществляется с помощью описанного выше устройства следующим образом.
Первоначально производят включение устройства путем подключения преобразователя 5 к сети переменного тока (220 В). Перед проведением измерений выбирают исследуемый образец 2, который устанавливают напротив отверстия в торцевой стенке корпуса 1. Между исследуемым образцом 2 и корпусом 1 образуют электрический контакт. Определение электрических характеристик контактной разности потенциалов проводят с помощью механизма, обеспечивающего электрический контакт между исследуемым образцом и измерительным электродом и размыкание электрического контакта, который выполнен в виде пружинного толкателя (на чертеже не показан). В исходном положении измерительный электрод 3 удален от поверхности исследуемого образца 2 на расстояние (5÷10) мм. При нажатии на пружинный толкатель измерительный электрод 3 соприкасается с поверхностью исследуемого образца 2 с образованием электрического контакта.
За счет различия величин работы выхода образца 2 и электрода 3 на поверхностях соприкасающихся металлических проводников образуются разноименные электрические заряды. Данное явление обусловлено переходом электронов через контактный слой между образцом 2 и электродом 3 из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. Вследствие этого контактирующие проводники приобретают электрические заряды противоположных знаков. Образующееся в результате разделения зарядов электрическое поле препятствует дальнейшему перемещению электронов между контактирующими материалами. В равновесном состоянии между поверхностями контактирующих проводников устанавливается фиксированная контактная разность потенциалов, которая зависит от строения и структуры контактирующих материалов и от свойств контактирующих поверхностей
Поскольку прямое измерение контактной разности потенциалов находящихся в контакте материалов невозможно, требуется разделение образцов материалов для проведения последующих измерений электрических характеристик. Для этого снимается нагрузка с пружинного толкателя, и измерительный электрод 3 возвращается в первоначальное положение. На обкладках конденсатора, образованного противолежащими поверхностями измерительного электрода 3 и исследуемого образца 2, вследствие действия контактной разности потенциалов образуется электрический заряд. В результате разделения зарядов между обкладками конденсатора возникает электрическое поле. Заряд на измерительном электроде 3 в процессе измерений сохраняется за счет экранирования его внешней поверхности и линий связи, соединяющих электрод с входом операционного усилителя 8. Применение электропроводящего экрана 7, подключенного к общему выводу блока электропитания, позволяет исключить утечку заряда через окружающее пространство.
С целью исключения утечки в процессе проводимых измерений заряда с измерительного электрода 3 через подключенные к нему электрические цепи производится автоматическая компенсация изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора. После возникновения разности потенциалов на обкладках конденсатора напряжение с измерительного электрода 3 усиливается с помощью операционного усилителя 8, и усиленный сигнал напряжения противоположной полярности подается через электропроводящий корпус 1, с которым соединен выход операционного усилителя 8, на исследуемый образец 2. В результате происходит автоматическая компенсация изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора. Данный процесс продолжается до момента времени, когда потенциал на измерительном электроде 3 сравняется по величине с потенциалом общего вывода блока электропитания, с которым соединен второй вход операционного усилителя 8. Точность компенсации разности потенциалов определяется величиной напряжения смещения входов операционного усилителя 8, которая не превышает 1 мВ. При достижении компенсации изменения разности потенциалов напряжение на обоих входах операционного усилителя 8 равно нулю.
Применение метода автоматической компенсации изменения разности потенциалов позволяет полностью устранить утечку заряда с измерительного электрода 3. Величина заряда Q на электроде 3 остается постоянной в течение всего процесса измерения разности потенциалов (ΔQ=0). При этом величина разности потенциалов ΔU на обкладках конденсатора определяется согласно следующему соотношению: ΔU=Q/C, где С - емкость конденсатора, образованного исследуемым образцом 2 и измерительным электродом 3.
После размыкания контакта с исследуемым образцом 2 измерительный электрод 3 перемещается относительно поверхности образца 2 с помощью электромеханического средства перемещения 4. Величина измеряемой разности потенциалов регистрируется с помощью регистратора напряжения 9, в качестве которого в рассматриваемом примере реализации изобретения используется осциллограф. С помощью осциллографа регистрируется изменение напряжения U(d) на исследуемом образце 2 в зависимости от расстояния d между противолежащими поверхностями исследуемого образца 2 и измерительного электрода 3. По измеренным зависимостям U(d) для различных исследуемых образцов судят о величине контактной разности потенциалов для каждого выбранного образца. Следует отметить, что измерение зависимости U(d) проводится прямым методом без промежуточных преобразований, что обеспечивает высокое быстродействие измерений и автоматизацию процесса измерений. Сравнивая измеренные зависимости U(d) для различных образцов можно определять изменение поверхностных свойств исследуемого образца и материал образца.
С помощью регистратора напряжения 9 для выбранного исследуемого образца 2 определяется зависимость разности потенциалов ΔU=U(d) на обкладках конденсатора от величины емкости конденсатора С при постоянном значении заряда конденсатора (ΔQ=0). В случае линейного изменения расстояния между исследуемым образцом 2 и перемещаемым измерительным электродом 3 емкость конденсатора С также будет линейно изменяться согласно выбранной зависимости d(t).
Примеры определения контактной разности потенциалов для исследуемых образцов, выполненных из различных материалов, представлены на фиг.2. Прямолинейная зависимость U(d) для образца, выполненного из стали, описывается прямой 10. Зависимость U(d) для образца, выполненного из алюминия, характеризуется прямой 11. В качестве материала измерительного электрода 3 выбрана латунь.
Начальное расстояние между обкладками конденсатора d=0 при проведении измерений характеризует момент контакта измерительного электрода 3 с поверхностью исследуемого образца 2 (U(d)=0). При удалении измерительного электрода 3 от исследуемого образца 2 емкость конденсатора С уменьшается согласно линейной зависимости d(t) изменения расстояния между обкладками конденсатора. В то же время происходит рост регистрируемого напряжения в соответствии с зависимостью ΔU=Q/C при постоянном значении заряда конденсатора Q.
Для повышения точности проводимых измерений проводится предварительная калибровка измерительного устройства. С этой целью для металла, из которого выполнен измерительный электрод 3, подбирается металл исследуемого образца 2 таким образом, чтобы для выбранной пары материалов было известно стандартное значение контактной разности потенциалов в соответствии с так называемым рядом Вольта. При достижении значения напряжения, соответствующего стандартной контактной разности потенциалов для выбранной пары металлов, фиксируется время t развертки осциллограммы и определенное расстояние d(t) между исследуемым образцом 2 и измерительным электродом 3.
1
2
1
Результаты измерения напряжения U и U для исследуемых образцов, выполненных из стали и алюминия, были получены на основании измеренных зависимостей U(d) (прямые 10 и 11), которые изображены на фиг.2, для фиксированного расстояния d между обкладками конденсатора.
3
4
2
Примеры определения контактной разности потенциалов для исследуемых образцов, выполненных из стали и имеющих различные поверхностные свойства, представлены на фиг.3. Прямолинейная зависимость U(d) для стального образца с обезжиренной поверхностью характеризуется прямой 12. Зависимость U(d) для стального образца после образования на его поверхности пленки жира определяется прямой 13. В качестве материала измерительного электрода 3 в данном примере реализации изобретения использовалась латунь. Полученные результаты измерений U и U зарегистрированы для фиксированного расстояния d между обкладками конденсатора.
1
2
4
Сравнивая полученные зависимости изменения напряжения U(d) и конкретные значения напряжения (U, U, и U), полученные на основании измеренных зависимостей, для образцов, выполненных из разных материалов или из одного материала, но имеющие различные поверхностные свойства, можно судить о контактной разности потенциалов для выбранного исследуемого образца и измерительного электрода.
Способ определения контактной разности потенциалов и устройство, предназначенное для его реализации, обеспечивают высокую точность и быстродействие измерений за счет поддержания постоянного заряда на обкладках конденсатора путем автоматической компенсации изменения разности потенциалов между обкладками конденсатора. При этом не требуется применение дополнительных источников напряжения, специально предназначенных для компенсации потенциала на измерительном электроде.
Описанные выше примеры осуществления изобретения основаны на использовании конкретного устройства для проведения измерений, однако возможны и другие варианты выполнения средств, предназначенных для реализации способа определения контактной разности потенциалов. Так, в частности, усиление инвертированного сигнала напряжения на измерительном электроде может производиться с помощью иных известных средств и схемных решений, обеспечивающих автоматическое усиление инвертированного сигнала напряжения измерительного электрода. Подача усиленного сигнала на исследуемый образец может осуществляться не только через электропроводный корпус измерительного устройства, но и с помощью других электропроводящих элементов конструкции или специально предназначенных для этого проводников (линий связи), соединяющих выход усилителя напряжения с исследуемым образцом. Для регистрации напряжения на исследуемом образце наряду с осциллографом и блоком обработки данных могут применяться и другие известные средства регистрации напряжения (регистраторы напряжения). В качестве средства перемещения измерительного электрода относительно поверхности исследуемого образца могут использоваться различные виды средств перемещения, в том числе пневматические или гидравлические.
Изобретение может найти широкое применение при проведении исследований поверхностных свойств образцов материалов, а также при проведении операций неразрушающего контроля в различных технологических процессах, связанных с обработкой поверхности и модификацией поверхностных свойств деталей и изделий.