СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА С ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована как для контроля технологического процесса поверхностной отделочно-упрочняющей обработки, а также при проведении лабораторных работ в учебном процессе.
Предлагаемый стенд реализует измерение работы выхода электрона методом Кельвина-Зисмана (метод вибрирующего электрода: Илюкович A.M. Техника электрометрии. М.:» Энергия» 1976. с. 400, стр. 336-339), в основе которого лежит динамический конденсатор, обкладки которого выполнены из различных металлов. Один электрод (неподвижный) - представляет собой исследуемый материал, а другой (вибрирующий) - является эталонным металлом, работа выхода электронов из которого известна. Вне зазора металлы гальванически соединены. Суть метода состоит в том, что в зазоре между указанными металлами, образующими плоский конденсатор, возникает электрическое поле, определяемое различием поверхностных потенциалов электродов. Периодическое изменение зазора конденсатора приводит к тому, что напряженность поля в зазоре также изменяется. Это приводит к появлению переменного тока во внешнем проводнике, соединяющем электроды. Частота переменного тока равна частоте колебания вибрирующего электрода. Включив в разрыв цепи конденсатора источник напряжения и, регулируя его, добиваются исчезновения тока при перемещении одного из электродов. Искомую величину контактной разности потенциалов определяют, измеряя напряжение на источнике при нулевом токе конденсатора.
Одной из проблем реализации измерителей контактной разности потенциалов (КРП), основанных на методе Кельвина-Зисмана является конструкция вибрационного привода (вибратора), обеспечивающего колебание эталонного электрода в динамическом конденсаторе. Известна конструкция вибрационного привода с электростатическим возбуждением динамического конденсатора (Weissman Е., Petersen С., Tarina D. - « J. Physics. Ser. E.»,1968, v. 1, p. 426-428). Подвижная обкладка, выполненная виде пластинки слюды, позолоченной с обеих сторон, расположена между двумя неподвижными обкладками. Одна из неподвижных пластин образует с подвижной слюдяной пластинкой исследуемый воздушный зазор. Между второй неподвижной пластины и подвижной слюдяной пластинкой приложено переменное напряжение с собственной частотой свободных колебаний подвижного электрода. Эта конструкция обладает рядом существенных недостатков. Так как колебание эталонного электрода возникает вследствие электростатического взаимодействия, то для этого требуется достаточно большое напряжение. Кроме того, частота возбуждающего напряжения равна частоте полезного сигнала. Это усложняет конструкцию выделения полезного сигнала. Достаточно сложно и дорого изготовить описанную выше слюдяную пластинку и ее крепление.
Другим примером устройства возбуждения динамического конденсатора может служить устройство, основанное на использовании пьезоэлектрического эффекта (Пантелеев К.В. Методы и средства измерения контактной разности потенциалов на основе анализа компенсационной зависимости зонда Кельвина. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Минск, 2016. С. 11 рис. 4). В данном устройстве вибрационный привод эталонного электрода выполнен на биморфной пьезоэлектрической пластине. Недостатком этого привода является высокая цена и сложность изготовления биморфной пьезоэлектрической пластины, а также и необходимость достаточно мощного источника возбуждающего напряжения. Кроме того, пьезоэлемент является хрупким элементом, что снижает надежность общей конструкции.
Наиболее близким аналогом является вибрационный привод (см. SU 1494732 А1, МКИ G01R 29/12, опубл. 07.01.1991), устройство для измерения контактной разности потенциалов содержит электромагнитный вибратор с катушкой индуктивности и подвижным элементом (мембраной) на котором жестко укреплен измерительный зонд, расположенный над поверхностью исследуемого материала. Гармонические колебания зонда возбуждаются в катушке индуктивности посредством сигнала управления, вырабатываемого формирователем. Динамический конденсатор образуется измерительным зондом и измеряемой пластиной.
Недостатками данного устройства является сложность практической реализации конструкции, неудобство в сборке и настройке, а также необходимость оптическим способом контролировать параметры вибрации измерительного зонда, что в совокупности приводит к высокой стоимости прибора. Кроме того, электромагнитный привод динамического конденсатора, характеризуется достаточно высоким потреблением энергии.
Задачей полезной модели явилось упрощение изготовления и снижение стоимости вибрационного привода динамического конденсатора в стенде для измерения работы выхода электрона с поверхности проводящих тел.
Сущность полезной модели заключается в том, что стенд измерения работы выхода электрона с поверхности металлических тел, содержащий магнитный вибратор с катушкой индуктивности, подвижный элемент с измерительным зондом, генератор возбуждения, металлический стол для размещения измеряемой пластины, электрически связанный с электронным блоком выделения измеряемой величины при этом магнитный вибратор выполнен в виде стального П-образного упругого элемента жестко связанного с нижней параллельной стороной на основании из немагнитного материала, внутри упомянутого упругого элемента со стороны основания укреплен один полюс электромагнита возбуждения с обмоткой соединенной с генератором прямоугольных импульсов и сердечником параллельным перекладине П-образного упругого элемента, а его другой полюс образует зазор с верхней параллельной стороной упругого элемента, кроме того, снаружи верхней параллельной стороны упругого элемента в ее продолжении укреплен один конец легкой пластиковой балки с ребрами жесткости, на другом конце которого укреплен измерительный зонд, при этом частота генератора прямоугольных импульсов кратна собственной частоте колебания пластиковой балки с измерительным зондом.
Техническим результатом полезной модели явилось упрощение процесса изготовления и снижение стоимости вибрационного привода динамического конденсатора в стенде для измерения работы выхода электрона с поверхности проводящих тел, достигаемое простотой конструкции и отсутствием сложных технологических приемов при изготовлении, а также повышение экономичности, которое достигается за счет использования резонансного режима возбуждения колебаний измерительного зонда.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на:
фиг. 1 - представлена конструкция стенда для измерения работы выхода электрона с поверхности металлических тел;
фиг. 2 - представлен чертеж, поясняющий мультипликацию амплитуды колебания измерительного зонда;
фиг. 3 - внешний вид макета стенда.
Стенд для измерения работы выхода электрона с поверхности металлических тел содержит П-образный упругий элемент 1 жестко связанный с нижней параллельной стороной на основании из немагнитного материала 2, внутри упомянутого упругого элемента 1 со стороны основания 2 укреплен один полюс электромагнита возбуждения 3 с обмоткой, соединенной с генератором прямоугольных импульсов 4 и сердечником параллельным перекладине П-образного упругого элемента 1. Другой полюс электромагнита возбуждения 3 образует зазор 5 с верхней параллельной стороной упругого элемента 1, а на верхней параллельной стороне упругого элемента 1 в ее продолжении укреплен один конец легкой пластиковой балки 6 с ребрами жесткости, на другом конце, которой укреплен измерительный зонд 7, при этом частота генератора прямоугольных импульсов 4 кратна собственной частоте колебания пластиковой балки 6 с измерительным зондом 7. Исследуемая пластина 8 расположена на металлическом столе 9, электрически связанном с основанием 2 и электронным блоком выделения измеряемой величины 10.
Предлагаемая конструкция вибрирующего упругого элемента электрода позволяет реализовать два положительных эффекта:
значительно ослабить помеху, создаваемую обмоткой электромагнита, и, одновременно
увеличить амплитуду колебаний измерительного зонда по сравнению с колебаниями упругого П-образного элемента. Второй положительный эффект позволяет повысить экономичность вибратора, за счет уменьшения потребляемого тока.
Стенд работает следующим образом исследуемая металлическая пластина 8 (на фиг. 3 не показана) помещается на металлический стол 9, электрически связанный с основанием 2 и электронным блоком выделения измеряемой величины 10, а измерительный зонд 7 предварительно выставлен таким образом, что его колебание, возбуждаемое электромагнитом 3, П-образным упругим элементом 1 и легкой пластиковой балкой 6, с указанным измерительным зондом 7, не приводит к его касанию исследуемой металлической пластины 8. Благодаря наличию контактной разности потенциалов между материалом металлической пластины 8 и измерительным зондом 7 на последнем возникает переменное напряжение с частотой вибрации. С помощью электронного блока 10 на измерительный зонд 7 подается компенсирующее напряжение уменьшающее амплитуду сигнала до нуля. Измеренное в этот момент значение компенсирующего напряжения равно искомой контактной разности потенциалов.
а
На фиг. 2 представлен расчет мультипликации амплитуды колебаний эталонного электрода. Пусть  длина легкой пластиковой балки 6 с ребрами жесткости, b - размер параллельной стороны П-образного упругого элемента 1. Если в результате возбуждения амплитуда колебаний свободного конца вибрирующей стороны упругого элемента 1 в зазоре 5 равна /2, то амплитуду колебаний вибрирующего электрода можно найти из подобия треугольников:
В реальном лабораторном макете стенда =70 мм, b=20 мм. Соотношение между амплитудой колебаний эталонного электрода и П-образного упругого элемента 1 составит
.
Опыт показал, что амплитуда измерительного зонда 7 равная 0,1 мм вполне достаточна для измерения КРП. Соответствующая амплитуда колебаний П-образного упругого элемента 1 составит всего 0,04 мм. Такое соотношение амплитуд позволяет увеличивать жесткость упругого элемента 1 и, тем самым, повышать частоту колебаний электрода. В опытных образцах стенда было возможным использовать частоту до 350 Гц при указанных выше геометрических размерах.
Заявляемый стенд для измерения работы выхода электрона с поверхности металлических тел легок в изготовлении и тиражировании. Простота тиражирования имеет большое значение в случае использования стенда в учебном процессе, где необходимо создание нескольких рабочих мест. Частота колебания измерительного зонда определяется резонансной частотой колебания пластиковой балки с измерительным зондом и не зависит от дрейфа частоты генератора прямоугольных импульсов, что повышает стабильность работы стенда, особенно в заявленных областях применения, тем более, что в последнее время растет число печатных работ, в которых работа выхода электрона используется для исследования параметров технологических процессов поверхностной обработки изделий.
Работоспособность стенда и его положительные качества проверены на изготовленном лабораторном макете.