CC BY
13
УДК 621 395.61: 621.319 2 (076)
Н.С.ПЩЕЛКО, канд. техн. наук. доцент, nikotspajnail.ги В.В.БУЕВИЧ, студент, ассистент профессора. vlad tmirOSb mailru ('анхт-Петербучугскии государственный горный институт (технический университет)
N.S.PSHCHKLKO* ¡'hi > in eng. sc.. associate professor, nikolspa maii.ru V.V.BUEYICH, student, professor's assistant. vUtJ imir08amail.ru Saint Petersburg State Mining Institute (Technical University)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЕМКОСТНЫХ СЕНСОРОВ И АКТИВАТОРОВ
Рассмотрены некоторые конструкции емкостных сенсоров и активаторов, pacora ко-юрыч оснокша на мсполыовании электрического поля Показано. «по эти конструкции относительно лешевы в изготовлении. но при этом облазают хорошими техническими характеристиками Приведено теоретическое обоснование •оможпости исткмыооания электросил ичеекп.ч сил для компенсации рашости давлений в cooibcicíbmoiucm ишери-гсльиом усгронсгос. Рассмотрена методика определения параметров капсюля комдснса-торной структуры Методика пошодвст по одной операции снити* вольт-форадной характеристики определять целый комплекс важнейших параметров капсюля рабочий во uyui-иыЙ «тор. прогиб мембраны, электретный поверхностный потенциал и натяжение мембраны аналитическое выражение для емкости капсюля в чавнсмхюстп от укачанных параметров и ншеря* его водъг-фараднлю характеристику можно, решая соответст-к>юшую систем* урапмемий определить искомые параметры Рассмотренная процедура является нерафиилюшич методом контроля.
Кхючееые ь-wea: электрическое иоле, емкостные npeoójxi ювателн. iiepaqnuiaiouuni контроль
USING OI« ELECTRIC FIELD FOR MANUFACTURING AND NONDESTRUCTIVE TESTING OF A CAPACITOR SENSORS
AND ACTUATORS
Some designs of capacitor sensors ami actuators which work is based on electric field i&e are considered It is shown thai these designs arc rathercheap in manufactunng. but thus possess good technical ctiaracieristics. The theoretical substantiation of possibihtv of electrostatic forces use for balancing of a pressure diffcrcncc in the corresponding measuring device is adduced. Procedure for definition of parameters of л condeiber stricture cap te considered Hie ptocedurc allows by means of one operation - volt-capacitance characteristic measuring - to define ifoe whole complex of tlae major parameter* of а сар-ы/е of a working air gap. a membnme deflection, surface ekciret poiciuial and a membrane tension Analytical expression for capacitaixx of a cap depending on the specified parameter* and ineaMirnigof its YOlt-capacitancc characteristic allow to define ihcsc parameters by sobing corresponding system of equations. Tlic procedure considered in the present work is a method of a not-destrovin^ control
Key words: electric field, capacitor transducers. non-destructive control.
Конденсаторные структуры с подвижными обкладками чувствительные элсмен-1ы (сенсоры) и исполнительные устройства (активаторы) получили широкое распространение в технике. Это связано с высокой чувствительностью соответствующих уст-
ройств, сочетающейся с их относительно низкой стоимостью. В качестве примера емкостного датчика на рис I показан капсюль электретиого микрофона Электреты (диэлектрики, способные длнтелыю сохранять наэлектризованное состояние) находят все
----— 253
Самнт Петербург. 2010
и к. i к;и и.
iv'K 11V i: M »1 4li>4V"|"il;i
hU^« ll|'' ||||. ..к к |||.\И. |Mll|is ч;*»1» ISillM. -i| I" i III ИИ.I ИГ'"1 К. м '''.ilK'lllli^llv'l Pllll МИ : I 'I '•IvA.
ч.м>г |>> м >м и m|k'i in» •• ь'ь i J* ' H"»i is' ими :i <11111 • ч.ч-
t ^ >: • |. » приш* Mi UI^IIIIU 4 »s II/II i|K ii|»'ii#*i д»ч»*^<ии MI:I |<» l' («111111 > ► »Ij'll Ц1 илипши I , |*» ННМЧ b'hh'll. ^
(►ИГ-1.1ШИ II k'll-'llll III ik!H|4'l. I»MII",III4 Mllllll \>\Лъ 1i4lk Mill
i> ihii4ii"ii ^i.i i.I t v.i.^iiiними: J |ii*.ib-b¡"•ii'is!*
. m|>.>k :> ж» ы» t^'i.niit иг : шимми' м| «.•мим»
« L v ip. »• i. i. Р» МЫ Li:i :>*>»'HWHVЛ С Р-^ПЧИМИ * I X 11 r*»
тлкигее применение б рд<тн*гныч ниляслгх техники Оеновныы применением члектро-тов. пднчко. остаются »лектретные преоира-човзтелн ОЛ1 мембрливого типа ( осктретлые микрофоны ОМ) о звуковые пп\ чэтели. например, Яолышснствю вьс-нусхагмыч ы М1микрофонов авпянисл *лгкфетяыми ">го свашно с иешгыл^нол и нысоким кич-ег гном ЭЫ. Прнннпн дейсшнл ЗМ основан на изменен ми под ^¡"кчвнеч внешнею .ъкус I нчесгого даыленнн нОлОже-нни чимбралы п. ело,1_10иатолмю. нлнряжии-Iюс I и ¿летрпческого ноли раоочем 150 душисч ыюре 1/1 Мри >юм поикшею* ю*
СМеШеНии. <0 Ш1ЦIII П^ДеНИе напряжении !' ня кмчоде
К иычоду 'ЗМ 1 юлс^ючаю 1 1 тель половой транзистор с входным соп|Ю-гпимением (V. м ¿мко^гью ( ... шрямкнчн ртк 'оеътр I к I н^грч Н«ьч>якку пп-леоой транзистор ям «тс я неотъемлемом ча-ешо ЭМ. ирсш 1р 111 и 1мак> 1С л ншенсииные попытки оп:*ддть объединенную) конструктоо ме*аниче*ко«1 част ЭМ и ноле ною 1раими сто{\\ сформируемую г* ели мои *ремииепоП
|^лио.к>1 мн. нснольчуемои в мигр<»лекТроицке [8]. В псяо случае в кп^кмлхе чпектрета пер-использование пярофобн^ироми-нот ллемриюьаииою окм июксмил кремли
/Ь^Л' 0135 3МО. 3&л\л1чси Гоьного инали
I щи пи nowrpMtvicin крем| и teuoii плисли \ь\ [}] В ндеюншге врехм via ъиачэ окончательно hl |кшона. Однако буржк ричвлтле MLMS-TC<iio.noniii i пиcroclvctroirvchonis,il systems)
наноодее интенсивно paiNiKWUieroca cero-
aiw ii<uipiiui«jiiiM мntvроялемpCrnмм 1 - nO'iwO* j\Ht\ o>Kiujiiib fine Снулее широкою инг;ц)енмн ' )i I в ytTpiMicTB5i\ <:оврч.чмеккой ^лект^юнлкк
Электр и четкое поло, получаемоо r т<ум числе и к: исиоль^оыимем л^юреюи. мож* но применять 11 R нслнлнитсльных устройств,! \ - сн»'тиядтора\ ^хдпрммер. в ^п^ктро-С1И шчОСкмх Juy K4>i5t*i s ичиу Ч'М 0JIHX > ( Ul рие.2 в качаете цркчера устропсгва. в котором ктрм 4<е< ко^ поле WTIIRIips^T (П е-ре^ешает) мембрану, покд^и лиф^^иин-ипьезьсй дитчкк лерелида дясяеЕзш"!
11риниии ею раСким сччнонин ис\ и *мене-ммм поколения меийраим под neficTwien пе-репздя лкевматичсеких давлений п. k^ik следствие. изменении *нач^ппп емкостей, oopi-л еных м^мбрдиом и ipojiMii. ме»му рсоторым! 1 она ма\С5Д1пч.вг Tjkiim <к1рячом. мемор^н^ игрдет роль одной щ ооклаяок icojIд^юра. Поксичинин H.I рисiгоJ 1C1 • ру&гция ш>^всхпяет фсжск^ювптъ очель ис«и-чительные изменения ааепения 1езнниа&( M^etsiLiH) на с|юпс ojiiL-mus жачсиии jji^ie« ния ЧНй1лрлмер. еотни метчплекчлей). "Vro до>т11гй1*тся ол^год^ря лепольювонию пон-щ;рОмОк>рны\ Сил jii^isivn'ieCi^OiO ноли и применение иринциил о6|Х11ной енн^и до-пч'стпы, лзятенпя р1 и р: примерно сос та атаки* lUDMJhi, но /),• .меньше /л на I I(j "foi дй тщ допеты сем р:ин<х:тк давлении статически почти не напряженная {ьалая» мембрана ндч-I iei 1 jepeweiLui 1 иирни^ (рие 2). ч ю 1 ipiiue« дет к и'?мснсник1 omwktii ш>рячуемон кгом-брдиой S с прасы-ш пектроаом -I Регпстрн-р>емоо iriMOi ioi 11 ю омкосш нрсобраху^гса епещ1алкным 1цек ipoHHbiM чч г |кнк.1ндм к электрическое напряжение, паял каемок на леыыи >лек1род 4. Во^ннк<1>ошее г ле^н половине конетруигцпп xioK^iraoeK-iK' поле привелет к полелей ию гх^нлеромоторныч сил. е ме auiio aii i\ мс мор л iv ил^ьо до нор. пока емк1ктъ его прлв;>Гг лаюыгны ни примет iKvc-anoe та^еине. 1а*и* оорл?оч. мем-орала ovjei ос r.iiiл ьеч прдкшчоскл нижним и a neii не i^viv f но4ник£1Гк vnpvrnc
<Kutn<.\ Т.ISC
8 9
Ь»с 2 Кмкостной датчик перелила дявтсиий с стопой кочпс* кяииси'
>у рм^сКЧНМ.' ИЯПрОМ N г яку кми крогуишгчикфоюм ) рАХ'ЮДО*: И«ЖЛУ ЮчГфмкА и цр.мижм.мс-
|рл'К«ч »и рскхчоякии г щ иен 1|*«. Л раину: жифсиш: - ему фснкиА радиус ТЯнуЖчЧ«» гфожкм.тсфоли. ^ 1*кшн*А ридо тшмист фмиг»:>«.км|ч\ы. г тсклимя кофдиит, оюттлиеии 01 псшра мембраны: <к дуудтсяис къмкей ыхфзинам. 1 сшшикчиж ишклых. 2 исшличссмк ииш-имьцд. скрспляодмс леную и ц\и \и> половики ддршкд. ж икаг осужстаиошис ■ хииакк'ксккП конют ь. мсыС^шмП. 5 .к»т1|М«х'1ИС оошк&шис 4 • кьцхми (мшшдешшЯ \сс1й.1лк'ксккй 5 гермеш-ядоций микром. С» пидомшфоик >«*мы 7 оикрешй я им. #ч:икч.хкмч йкоач; X ъи-иннКСмя ч смСрит (*|»мткий1.
9 .ис^кцигксккй с;юй юшкл ¿.иоминия)
силы. Это позволяет предположить, что данная конструкция будет обладать высокой надежностью, так как изменение параметров мембраны не должно существенно сказываться на ее работе Об измеряемой разности давлении можно судить но показаниям вольтметра.
Расчет пондеромоторного давления, компенсирующего разность пневматических давлений />| и />.% для показанной на рис 2 конструкции приводит к выражению
2Ь2(А-ВЬ1)(Л-ВЬ?)9
где е<| - электрическая постоянная. - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха* €1 = I; *>2 - диэлектрическая проницаемость слоя оксида алюминия на поверхности мембраны; I! - электрическое напряжение, прикладываемое к левой части структуры, показанной на рис.2; А = =+ # = ЗДнЬ Расчеты показывают. чю при разумных размерах конструк-
ции возникающее пондеромоторное давление составляет единицы-тысячи паскалей при напряжении единицы-сотни вольт Это позволяет на основе использования элек-фическою поля управлять смещением мембраны, а фактически, поддерживать ее в рассматриваемой конструкции в недефор-мированном состоянии.
Для экспериментальной отработки конструкций емкостных структур необходима методика неразрч шаюшею контроля их параметров определение важнейших параметров капсюля конденсаторного преобразователя толщины электрета или диэлектрического слоя зазора (!\ (см рис I) или г»(см рис.2). прогиба мембраны, эшектретного поверхностного потенциала /Л и натяжения мембраны т. При атом желателыю производить измерения параметром мембраны непосредствен»*) в капсюле (в полусборке) Предлагаемая ниже методика позволяет тго сделать
Суть метода заключается в следующем под действием внешнего электрического (Юля. создаваемою электретом и электрнче-
----— 265
Самкт Петербург. 2010
емпч i |Дирм жен нем киюрое 0ыи>
приложено к 11 рео?рсгхи*а i ел к'к ею чигнорз-на пропi-íkictíщ (и?-ча ндлмшя члсктргкта-TII'ieCKIK <||,п> Т1К, что vC прогиб В центре
составляет некоторую величину ь, 1сч. рис. I). Очешшпо, и ¿ Jy i ií'11 мое 11 j oí ^мдченпн и iкчырhoc'iи fа 1<1кже oí чначенпи укачанных выше параметров, чнччекня vh оудчт
различим Следовательно >леътрпчс<кпу
smisociii ^ iipswp<aч>идiелн при р4хшi'иiLn 4нлчеян*:ч 'шже оудут рдчлнчны. Т<1ким ¿vipa^M. зная чналипигеенгое выражение для ( R ^внеимостп от г, í\. Í ÍA, Í/; и тмйряя i /í л мслио. решая соотктстеуюшую i-ímv > paúl им 11JÍ1, определи\ь искомые пара* мефы Боле? иод^оное нелоль чжанле fioíí меимпмн оплечно в рапот^к [A. <>s Ш]
БЛБЛИОГРА ФИЧХОКИЙ СПИСОК
. / i!, i ' Klv'h 11 К I lINC % ICk 11"«-.« ■•K'NÍU II I'!«-'-
«. и с iilfc-M»*'|M . n .i t 111 I I Л I ílllLlIki-ll | К I 111U_ IKP P». Ui - ек^-пиим 11.-| ' I |'V |,i,i|i ¿ L.' l-l
У <tA'MI .^Ji'. Мси'.игкчкмс J K;i KIMI'^I К
I\|I.Í:M.)Í i|»4V .»M и-» un.IIMI.mik •• hit^k*i i-. K«Mk i]:s
ип|( >л щ^^.им-К^ич -| /II| - li.'^—|:|i«n-i F.irs СП^К-Il> И Jiir.p.tuj^MÜ. «i * l)..ч*чi.h.uw. Д t .JLnк.iku. 11Л1') V T)lll ГШ l\rO 7i«f
.-. M0 Ul|llK.illll l 1. | >КЧ IOIHIIS ||иЧО lübXH1» .LN I hV KIJ- .».\l.Kltll ll| WAIUKJUU > II li> I*. IH.SkMÜI. I . 1С J k\V IlIIÜ. JIM Г». I Л U>||v 11 M('i*i: *::i.j 11С I |иц* гко
I кчер^ risfllh +4 |Ч|д I I lOhI IIIKLI ÜIKIj í l'XS.XT
I. Пл. N.OI.OIIn пи С|мски:п|*.и"
■ii:nu iM'kr.'v^ 'Kvgt'nu^ ir «.nkksaniN ii|>j.
>'-| -l'14111». MI I' ; 411 ulVl 14» . llíl VI'' U 4MLill 1
ФН \n:iii>n И I liiu.. k.i Д Г ML'^OVÍI' s Л is" 1 •,.s Um >V Г 4 ?
/мм< .■*■<•i f . K\'IU..ii.V:I piL*k*Ki ' кк 1 |Vi111.1Ч и-и ч'ч и к i|m;ii.;> l im'kvkiix i.]a.i:>"|чiччшi- kh •
II MiíK-lVs: l.|| l.i|i|*.|i • IIVh'iK'ni ..............
1 Ч IH
/nifs v.,:<>.'/.f . * hiin>iir;:ii JU к\си
'КИП.14 \H|k-|41^i1|k'H . ||< ll|XMK"V Д Л НЛО: I I Ф
4 II.M'l.í- ::JL 411". Vi*.'" Ml.lll. >4. С
yl.» K' |i'(| II.I \||||| |\ .IIMIO^ ГИК:»4 V^V* Ih«»*"^"«4
11 Л .nici IUVII \W \ ^.r.'ir.vjv; ki 1Í1 Olí \ ^ IMT I U I |a lio i. ГлГУГУ .. Г КЦ \< i, \ |i* I J' -- s
i <, I. i>I I.Utkil Si.ili*K'iM4iL.iie K'i-
.•h-|H--мне-:4) Л Гч..Avlics NSI'-J-OvJL: V Г УЛгЛхгА^ Л I'kv 1>1 II' Mlvi - Г '.'Тл-'^Ч.
' f О,(/,v4„ \ л. ЧлкПг, П\ 4;iNih н| likMrcl 1г.1п<| IIICÍ'IN • N S I'\iclu4k'\ V N l;r Л К ' Pr«v
I s| -T | \ i | ni iv'i |.. >.•;-! 1
II' /У.ч-/.'1 'A'.v -'Л С Y U: Ujiü ::J I h:ais
.клч KS Islh h.'lksi I M Sofc.il.ivü" V I /;.trvlvv4ti\
l'ivi. N. l'¡>i i- I'.-M Г
REFHRENCLS
I (v.'iii'iiifi« Y ' J' JrJA WS I k\l'4t I Vxlní.iv^ »ii;mi4;il i i;n.4liuxis H:i.l 1S ckvli><nкmi "viiiii 4Ui »Им ^ Г jl liMlil.ik' "I I TI" S:iiiiI I mií«j Г- 'с
КчисГ P
.. /.ük^iK^ -к.«. V L KokhiiK-i i 4. IM ^I^U« N s MI hsInrliMiw Лс^кпис VsV.r l'f^vs; U 01 ■ I Лч. binliiie : L ;ik.il;«.K«l suul «.k'Nyr.^H ^г.ж^М'лкккм «ii>.l (.lick* • \t.i sUiilUiks« kk\ li n.ixluiu :il I ilI il .. 1 . >.iu(<,
l'sSk'whirr 74 л
\ A'iA'M'n' .. / íJ'.^'YI i' y.t«{t U, i «V .'..J.( \>m Mi "41 i Mullí ludlkMl I loK
rjs 'jjni. Ialii**h**sl'.ir ЛщГ» :1И:1П\/ Пи Г^кг; I11U H'.^SHIK.'¡ЧЧ'кччг^ПК^ l' 545?
1 ni- puní U. кгл„Ч| ¿n-
.li'i^niiiiijn*: ilus 1. ii.iIit- ч ' i x* .«сч1 к клнлими чи < • '•ci'.ci^ iiivl ik'^iccs l«Ni K\ki.i:i^ k< p .».lu^ I* I li.:il,jlns NS :Ч1иГцг Л S Y iJfc ««: s Pn ni 274^'V | ¡111 S.i Г р,Ш :
>.1 '.'ir•* Х.Л.. /íii/í"■ ' Л. СлЧч^шч h4i (,k4 ;il .II1JI ::II ::l IÜllIijI l<LLLISiii'j Г -JUИI.^KJIL l i .
Vn IIy.-i Л--".'-J I'IKH V O 4 1« " .M-TII.
4'lf Лх •' К•* Ч .SiCi-Ti':.» « J í < yillllSll|i<ll
I " It'i TsSl Vlicmi'jvvii's l::if:illV!ln.s< /•' \\v.< x . I I к*. I «mv'linii J
lihinuie-l 1.11«. i'N? l^u-MH V
т. С : .VI < • M A« /llrt^rA'i'i'iAv / .f., Ki*(itUfbA (Kf.
Г 'Л. IVs'I'AI • Y..^ I l'o^n jihl C :ik 11I.1 Ikin i'l l -j^ ln-iiio. Ii.mic.i iniiwilicciN «ti vim: lu-kcincv 1i•).• i< 11.• I «' I h\H\\-
k\l MIK :il I Jl^lLllLc. "L'.l ^¡ILUl Г^ки! Mil ü . I ''4. I'
N K/¡7/kuи": 1''. I. 4AvJii'/Av- ''■'S. гкн » ./.
s's >4 I кчк'П 4nh-Mhiisii. fis Mu fs.plioih^ / pr.H "Ni-4. AUiuis l'm«
\i /• 4 i'n.i.i- Г Ч , I i'í .1
S|;ih¡|¡n el I.UxIkU isUixkí.^1^.' Гмч. 1^.' * lk:liM. I' 4V; ,J-|n
II' i'Kufhl'imti S Nvm\i, MVl / U , /,]К-Г(\ти< | t ¡ L *V - Iul 1„^чк1с>. I мичккс! ^''Гки. 1^1 T.uiN 1'Л-11-.V2S 1'0.í
Научным руководитель канд. те*н наук, доцент П ('.Пщслко
IS'S.V 0¿3S Jc/Jü¿ten Гоьного ahctnu&¿vtn<;. T.ISC
