Автоматизированные измерения параметров активных диэлектриков

УДК 621.3.088.23

Печерская Е.А., Метальников А.М., Карпанин О.В., Гладков И.М.

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет,

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АКТИВНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Аннотация. Проанализированы способы повышения точности измерений параметров активных диэлектриков, изложено применение разработанной автоматизированной установки для измерений параметров активных диэлектриков.

Ключевые слова: активный диэлектрик; емкость, поляризованность, автоматизированные измере-

ния, измерительный канал, точность измерений.

Введение

В настоящее время известны и широко используются методы и средства измерения электрической емкости, тангенса угла диэлектрических потерь [1]. При этом большинство автоматизированных средств измерений (к их числу относятся, например, измерители импеданса) предусматривает усреднение результатов измерений за один или несколько периодов воздействующего синусоидального напряжения. В работах [2, 3] показано, что методы и методики измерения диэлектрических

параметров неполярных диэлектриков не применимы к активным диэлектрикам, которые являются перспективными материалами функциональной электроники. Это подтверждает актуальность создания средств измерения параметров активных диэлектриков, обладающих сегнетоэлектрическими, пьезоэлектрическими свойствами. В частности, в работе [4] предложена структура автоматизированной установки для измерений электрофизических свойств сегнетоэлектрических образцов с линейными размерами микрометрового диапазона, в [5] рассмотрен метод измерения тока переключения, служащий для косвенного измерения диэлектрических параметров, в [6, 7] исследована нелинейность

поляризации в пленках ЦТС методом гармонического анализа. Ниже рассмотрены методики измерений параметров активных диэлектриков указанной автоматизированной установкой, что позволило повысить точность измерений.

Способы повышения точности измерений диэлектрических параметров активных диэлектриков

Способы повышения точности измерений зависят от классификационных признаков погрешностей. Поэтому на основе анализа известных классификаций погрешностей систематизированы погрешности измерений по причинам их возникновения, по закономерностям проявления, по способу выражения,

Рисунок 1 - Систематизация погрешностей измерений

Методы повышения точности измерения существенно различаются для систематических и случайных погрешностей, а также зависят от того, является ли погрешность инструментальной, методической или субъективной.

Ниже перечислены способы повышения точности измерений, которые могут быть распространены на измерение диэлектрических параметров активных диэлектриков:

1) выбор средств измерений (СИ) с меньшими значениями нормированных погрешностей. Целесообразно использовать в случае преобладающих основных инструментальных составляющих погрешностей. Следует учитывать технико-экономическую эффективность при выборе СИ;

2) выбор СИ с импедансами, обеспечивающими снижение погрешностей согласования. Инструментальная составляющая погрешности согласования (двух СИ, когда информативный сигнал с выхода одного СИ поступает на вход другого СИ) заключается в изменении выходного сигнала предыдущего СИ при подключении последующего СИ, погрешность согласования определяется соотношением входного и выходного сопротивления СИ и зависит от согласования по напряжению, току или по мощности;

3) индивидуальная градуировка СИ. Целесообразно при доминирующей систематической составляющей погрешности путем введения поправок при известных значениях погрешностей (пример - термопары). Градуировка осуществляется согласно нормативному документу [8];

4) многократные измерения и усреднение результатов. Поскольку случайная составляющая погрешности измерения среднего значения меньше, чем случайная погрешность каждого из многократных наблюдений, то этот способ целесообразен для снижения случайных погрешностей;

5) ограничение области применения СИ. Такой способ повышения точности эффективен при существенных дополнительных погрешностях, обусловленных значительными отклонениями действительных значений внешних влияющих величин от значений, принятых в условиях рассматриваемой задачи в качестве нормальных;

1

6) фиксация точных значений влияющих величин. В случае, когда модель объекта измерения имеет значительную погрешность адекватности при отличии условий эксперимента от принятых за нормальные, фиксация строгих значений влияющих величин позволяет заранее определить действительное значение такой дополнительной методической погрешности и ввести поправку;

7) автоматизация измерительных процедур. Автоматизация измерительных процедур позволяет исключить субъективные погрешности измерений путем исключения из процесса субъектов, проводящих измерения;

8) внедрение способов контроля метрологических характеристик СИ в процессе их эксплуатации. Указанное мероприятие способствует выявлению, исключению или снижению метрологических отказов в средствах измерений;

9) совершенствование методик выполнения измерений (МВИ). Такой способ повышения точности целесообразен при преобладающих методических погрешностях, которые можно уменьшить, например, посредством изменения способа подключения СИ, то есть путем усовершенствования МВИ;

10) использование метода сравнения с мерой. Применение этого способа позволяет исключить систематическую составляющую погрешности измерений. Суть метода: размер измеряемой величины сравнивают с помощью компаратора с размером величины, воспроизводимой мерой, а искомое экспериментальное значение величины рассчитывают по полученным значениям показаний компаратора и номинальному значению меры. Разновидности метода сравнения с мерой - методы компенсации, противопоставления, замещения. Погрешность каждого из этих методов тем меньше, чем ближе размер величины, воспроизводимый мерой, к измеряемому значению [9];

11) использование тестовых методов. Тестовые методы повышения точности измерений целесообразны для снижения систематических погрешностей. Суть таких методов - определение параметров статической функции преобразования с использованием дополнительных преобразований тестов, функционально связанных с измеряемой величиной;

12) использование метода обратного преобразования. Суть метода заключается в применении обратного преобразователя, реальная статическая функция преобразования которого совпадает с функцией, обратной номинальной характеристике преобразования СИ. Этот метод целесообразен в случае, когда обратный преобразователь значительно точнее прямого преобразователя. Метод применяется при автоматизации измерений для автоматической коррекции систематических инструментальных погрешностей;

13) применение принципа информационной избыточности. Избыточная информация может быть использована для повышения точности измерений, например, путем включение в измерительную систему дополнительных средств измерений, измеряющих одну и ту же величину, и усреднения их показаний.

С целью систематизации способов повышения точности и рекомендаций по их применению в зависимости от преобладающих (подлежащих снижению) составляющих погрешностей, разработана матрица, приведенная в таблице 1. В ячейках матрицы указаны номера указанных выше способов снижения соответствующих составляющих погрешностей.

Таблица 1 - Матрица способов снижения погрешностей измерений в зависимости от классификационных признаков погрешностей

Классификационный признак погрешностей Основные погрешности Дополнительные погрешности

Систематические Случайные Систематические Случайные

Инструментальные 1, 2, 3, 8, 10, 11, 12, 13 4, 8 5, 8 4, 5

Методические 9, 13 4, 9 6, 9 4, 6

Субъективные 7 4, 7 7 4,7

Таким образом, систематизированные способы повышения точности измерений позволяют проанализировать возможность их приложения к задаче измерения диэлектрических параметров активных диэлектриков.

Структура установки для автоматизированных измерений

Установка для автоматизированных измерений диэлектрических параметров (структура представлена на рис. 2) состоит из трех измерительных каналов (ИК) : канала измерения температуры T,

канала измерения напряженности электрического поля E, канала измерения поляризованности P.

Рисунок 2- Структура автоматизированной установки для измерения

параметров активных диэлектриков

На вход коммутатора поступают напряжения с одного из ИК, несущие информацию об измеряемом параметре: UT пропорционально температуре в камере тепла T, Ux пропорционально напряженности электрического поля на исследуемом образце, U пропорционально поляризованности активного диэлектрика М при воздействии электрического напряжения с генератора Г.

Канал измерения температуры посредством первичного датчика Д преобразует ее в электрическое сопротивление, таким образом, что на выходе преобразователя П формируется напряжение UT , коммутируемое к усилителю напряжения и АЦП.

Для измерения диэлектрических параметров (емкости, тангенса угла диэлектрических потерь), а также определения петель гистерезиса P(E) и тока переключения использована модернизированная

схема Сойера - Тауэра ССТ (рис. 3.).

2

Рисунок 3 - Модернизированная схема Сойера - Тауэра

Приведенная схема позволяет реализовать принцип информационной избыточности для повышения точности измерения емкости, сопротивления, тангенса угла диэлектрических потерь.

В режиме измерения емкости производится поочередная коммутация конденсаторов с емкостями

известных номиналов

с„.

Результаты измерения напряжений Uxl , Uxl , U.

yi '

U

yz

позволяют

рассчитать значение емкости активного диэлектрика Сх , помещенного между обкладками плоского конденсатора, посредством решения системы уравнений:

о II „о +

х 2

г,.=рА = UxiCxi

( у «р Coi + Cxi’

TJ_PiS,__ UxlCx 2

( у 1 у 1 C0l + Cxl

где Cxi Сх;

значения емкостей конденсатора с исследуемым материалом при подключении в ниж-

нем плече делителя соответственно конденсаторов с емкостями C0i и С0; , Pi , P; - поляризованно-сти, соответствующие напряжениям Uyl , Uy2 .

Для получения петель гистерезиса необходимо измерение напряжения Uх, связанного с напряженностью электрического поля известной формулой:

E - U. х h '

С целью измерения сопротивления активного диэлектрика r осуществляется поочередная коммутация двух резисторов известных номиналов Р01 и Р02 (рис. 3) и измерение временных зависимостей тока переключения с последующим определением по ним постоянных цепи р и г2 . Расчет активного сопротивления r производится по следующей формуле:

1

rx - — l

Р + р - Roi - Roi

,Cxi Cxl

Автоматизация измерений позволяет практически исключить субъективные составляющие погрешности. Методические погрешности измерения активного сопротивления, обусловленные влиянием сопротивления изоляции и сопротивления, характеризующего потери энергии при спонтанной поляризации, учтены в работах [10, 11]. Инструментальная предельная относительная погрешность 5^ при одинаковых относительных погрешностях измерения постоянных времени STj — St2 — St , одинаковых относительных отклонениях сопротивлений SRX-SR2-SR определяется выражением:

Srv -

1

u'x 72 P - ri ]

где 5tj Cxi , St2 - с

времени Ti и T; ; SCx

(ST + SCx )-У + RoiSRoi

Сл

соответственно предельные относительные погрешности измерения постоянных

i; sc,

Заключение

Проанализированы способы снижения составляющих погрешностей результатов измерений, которые распространены на задачу измерения параметров активных диэлектриков. Рассмотрена автоматизированная установка для измерения параметров активных диэлектриков, которая исключает недостатки распространенных средств измерения импеданса, когда результат измерения усредняется за период воздействующего сигнала. Предложены автоматизированные методики измерения емкости, активного сопротивления, тангенса угла диэлектрических потерь, а также петель гистерезиса P(E) и тока переключения, которые при использовании принципа информационной избыточности позволяют повысить точность измерений не менее, чем в 1, 4 раза.

и

ЛИТЕРАТУРА

1. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. - М.: Дрофа, 2005. - 416 с.

2. Печерская Е.А. Применение метода Сойера - Тауэра и его модификаций для измерения электрических параметров сегнетоэлектриков // Измерительная техника. - 2007. - № 10. - С. 54 -

58.

3. Печерская, Е. А. Методы и средства исследования активных диэлектриков для наноиндустрии: системный подход: монография / Е. А. Печерская. - Пенза: Инф.-изд. центр Пенз. гос. ун - та, 2008. - 130 с.

3

4. Печерская Е.А. Метрологический анализ установки для измерений электрофизических свойств сегнетоэлектрических образцов с линейными размерами микрометрового диапазона // Нано- и микросистемная техника. -2007. - № 12. - С. 43-47.

5. Печерская Е.А. Метод измерения тока переключения и диэлектрических параметров сегнето-электриков / Е. А. Печерская, А. М. Метальников, Ю. В. Вареник, А. В. Бобошко // Нано- и микросистемная техника. - 2012. - № 1. - С. 24-26.

6. Печерская Р.М. Исследование нелинейности поляризации в пленках цтс методом гармонического анализа /Тиллес В.Ф., Печерская Р.М., Метальников А.М.Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2003. - Т. 67. - № 8. - С. 1206-1209.

7. Печерская Р.М. Модель упругой и релаксационной поляризации сегнетоэлектриков с распределением доменных границ по временам релаксации и собственным частотам /Тиллес В.Ф., Метальников А.М., Печерская Р.М. Физика твердого тела. - 2009. - Т. 51. - № 7. - С. 1415.

8. МИ 2175-91 Государственная система обеспечения единства измерений. Градуировочные характеристики средств измерений. Методы построения, оценивание погрешностей.

9. РМГ 64 - 2003. Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Методы и способы повышения точности измерений.

10. Печерская Е.А. Моделирование диэлектрических параметров активных диэлектриков / Е.А. Печерская, Ю.А. Вареник, А.В. Бобошко //Труды международного симпозиума "Надежность и качество". - 2011. - Т. 1. - С. 318-321.

11. Печерская Е.А. Метрологические аспекты исследования активных диэлектриков для микро- и наноиндустрии / Е.А. Печерская //Нано- и микросистемная техника. - 2007. - № 7. - С. 41 - 44.

4