專利名稱：動(dòng)態(tài)介電分析儀的制作方法
專利說明 本發(fā)明涉及一種測量物質(zhì)的介電性能-電容量和損耗的動(dòng)態(tài)介電分析儀器。
動(dòng)態(tài)介電分析是在交變電場下測試物質(zhì)的介電性能隨溫度變化情況的一種技術(shù)。目前，美國Tetrahedron公司生產(chǎn)的Audrey系列動(dòng)態(tài)介電分析儀必須用兩根電纜對(duì)由被測材料和兩個(gè)電極構(gòu)成的電容進(jìn)行測試。而在生產(chǎn)過程中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，要安置兩個(gè)電極并引出到儀器上是比較麻煩地。美國專利《微介電測量的方法和儀器》(US4，423，371)公開的技術(shù)是將集成化的微電極埋入被測材料來進(jìn)行動(dòng)態(tài)介電分析。這種方法須配備頻率綜合器、幅相儀、計(jì)算機(jī)等才能完成。日本專利《TANδ自動(dòng)測定裝置》(JP58-106471)公開的技術(shù)是采用兩個(gè)電流電壓變換器和乘法器、比較器、同步檢波器、除法器等電路完成對(duì)被測部件的損耗和電容的測量。這種方法從原理上受到限制，損耗值的測量范圍僅在0.3以下。當(dāng)被測部件損耗值達(dá)到1時(shí)，測試誤差高達(dá)41%。并且這種測視技術(shù)的測試信號(hào)頻率不能任意調(diào)節(jié)，被測部件兩端均不能接地。
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供這樣一種動(dòng)態(tài)介電分析儀1、被測部件的一端可以接地。2、被測部件的另一端可以用一根數(shù)十米長的電纜從加工現(xiàn)場引到控制室內(nèi)的儀器上進(jìn)行測量。3、測試頻率連續(xù)可調(diào)。4、具有較高的測試精度和較寬的測量范圍。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施達(dá)到 由正弦信號(hào)源(1)、第一電流電壓變換器(3)、第二電流電壓變換器(4)、移相器(5)、相檢器(6)、函數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)、同步檢波器(8)、除法器(10)、電源(11)、和(18)、差動(dòng)放大器(15)等部分構(gòu)成的動(dòng)態(tài)介電分析儀，其特征是 由同一集成塊上的兩個(gè)高輸入阻抗運(yùn)算放大器和反饋支路構(gòu)成第一電流電壓變換器(3)和第二電流電壓變換器(4)，且兩個(gè)變換器的反饋支路由相同參數(shù)的并聯(lián)電阻電容構(gòu)成; 兩個(gè)電流電壓變換器的輸出信號(hào)分別送給同步檢波器(8)、移相器(5)、幅度檢波器(9)，并與除法器(10)共同完成電容量的測量。
本發(fā)明的目的還可以通過以下措施來達(dá)到 采用接地電源(13)為差動(dòng)放大器(15)供電，采用浮地電源(11)為儀器的其余部分供電; 信號(hào)源(1)，標(biāo)準(zhǔn)電容(12)和被測部件(2)的聯(lián)接點(diǎn)接機(jī)殼作為接地端。
本發(fā)明的儀器與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) 1、由于在生產(chǎn)加工中，金屬模具可作為一個(gè)電極與儀器外殼連接，另外用一根長電纜接到貼在工件外面的一個(gè)電極上，這樣就可以在遠(yuǎn)離加工現(xiàn)場的控制室內(nèi)對(duì)工件材料的介電特性變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2、測試頻率連續(xù)可調(diào)為尋找最佳工藝條件帶來了方便。
3、儀器的電容測試范圍可大于1000Pf，損耗值的測試范圍可達(dá)11以上;而且在這樣大的范圍內(nèi)電容測試誤差小于±5%，在損耗值小于2時(shí)損耗測試誤差小于±10%。
4、電路中避免采用復(fù)雜的邏輯運(yùn)算處理電路，因而更加簡單可靠。
附圖的圖面說明如下

圖1是動(dòng)態(tài)介電分析儀的方框圖。
圖2表示信號(hào)源電壓與兩個(gè)通道的電流電壓之間的相位關(guān)系的矢量圖。
圖3表示相檢器(6)中的鑒相電路輸入信號(hào)相位差△θ與輸出電壓Uout之間的鑒相特性。
圖4表示儀器實(shí)際用于生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的一種測試連接方法。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步詳述 圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)介電分析儀的最佳實(shí)施方框圖。頻率連續(xù)可調(diào)的正弦信號(hào)源(1)的一端接浮地公共端(圖中以符號(hào)⊥表示)，另一端接標(biāo)準(zhǔn)電容Cs(12)、被測部件(2)的一端接儀器外殼(即接地端，圖中以附號(hào)

表示)。高輸入阻抗運(yùn)算放大器A1和反饋電阻R1，電容C1構(gòu)成第一電流電壓變換器(3)，A2和R2、C2構(gòu)成第二電流電壓變換器(4)。第一電流電壓變換器(3)將流過被測部件(2)的電流I1變換為相應(yīng)的電壓

1;第二電流電壓變換器將流過標(biāo)準(zhǔn)電容(12)的電流

2變換為相應(yīng)的電壓

2。

1送給相檢器(6)的一個(gè)輸入端，

2經(jīng)移相器(5)移相90°變成

3后送給相檢器(6)的另一個(gè)輸入端，相檢器(6)輸出一個(gè)與

1、

2間相位差

成正比的電壓U4，函數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)將U4轉(zhuǎn)換成與被測部件損耗角

的正切值成正比的電壓U5。
移相器(5)輸出的0°信號(hào)

6加給同步檢波器(8)作為參考信號(hào)對(duì)

1進(jìn)行同步檢波，獲得輸出電壓U7。第二電流電壓變換器(4)的輸出電壓

2經(jīng)幅度檢波器(9)檢波后得到電壓U8，除法器(10)完成U7/U8的運(yùn)算，獲得與被測部件(2)的電容分量成正比的電壓U9。
圖1中除差動(dòng)放大器(15)外的電路單獨(dú)由一組浮地電源(11)供電，其其公共端(⊥)不接機(jī)殼，上述電壓U0～U9(U0是正弦信號(hào)源(1)的輸出電壓)均以此公共端為參考點(diǎn)。U4或U5經(jīng)開關(guān)(14)轉(zhuǎn)換后接差動(dòng)放大器(15)的一個(gè)放大器正輸入端，U9接(15)的另一個(gè)放大器的正輸入端，兩個(gè)放大器的負(fù)輸入端都接上述浮地公共端。(15)單獨(dú)由一個(gè)公共端接機(jī)殼(接地端

)的電源(13)供電。
下面結(jié)合圖2的矢量關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，以便更清楚地闡明儀器的工作原理。當(dāng)正弦信號(hào)源輸出電壓

。加到被測部件(2)上時(shí)，由于A1可視為理想運(yùn)放，其正負(fù)輸入端可以視為等電位點(diǎn)(即虛地效應(yīng))相當(dāng)于

。直接加到被測部件(2)兩端。被測部件(2)還可以等效為Rx與Cx并聯(lián)，因而流過Rx的電流分量

3與

。同相，而流過Cx的電流分量I4超前

。90°。流過被測部件(2)的總電流

1為

3和

4的矢量和。

1與

4之間夾角即為損耗角

。當(dāng)A1為理想運(yùn)放時(shí)，

1將全部流過R1C1并聯(lián)的反饋支路，在第一電流電壓變換器(3)的輸出端得到電壓

1。同樣，流過標(biāo)準(zhǔn)電容(12)的電流

2經(jīng)第二電流電壓變換器(4)變換成電壓

2。為便于分析，先假定R1R2為無窮大。這時(shí)，由于運(yùn)放的倒相放大作用，第一電流電壓變換器(8)的輸出電壓

1會(huì)超前于

190°，第二電流電壓變換器(4)的輸出電壓

2超前于

290°(即與負(fù)的

0同相位)。此時(shí)

′1和

′2之間的相位差即為損耗角

。兩個(gè)電壓的幅度分別為 U′1＝I1/ωC1(1) U′2＝I2/ωC2(2) 實(shí)際上A1、A2若不加直流負(fù)反饋則無法穩(wěn)定工作，并考慮到工業(yè)監(jiān)測中的環(huán)境干擾，C1、C2必須分別并聯(lián)上電阻R1、R2且電阻的阻值不宜選得太大。選取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，且根據(jù)最低測試頻率wmin時(shí)的容抗1/wmin°C≤ (R)/2 確定C值。A1A2采用同一集成塊上的兩個(gè)高輸入阻抗運(yùn)放，以保證運(yùn)放本身引入的附加相移盡可能一致。接上R后，

1和

2相對(duì)于

′1和

′2分別產(chǎn)生一個(gè)相等相移△φ △φ＝tan-11/(ωRC) (3) 其幅度為 U1＝I1/ωc cos△φ (4) U2＝I2/ωc cos△φ (5) 由圖2可知，

1和

2之間的相位差仍為損耗角

。相檢器(6)中采用的監(jiān)相電路具有圖3所示的鑒相特性。當(dāng)△θ值較小時(shí)，由于電路誤差，可能使相位測試剛好落在拐點(diǎn)附近產(chǎn)生雙值。因此將U2經(jīng)移相器(5)移相90°后得到

3和

1一起加到鑒相電路上，這樣得到正比于(90°+

)角的電壓，再利用直流偏置的方法將90°對(duì)應(yīng)的直流分量減去，獲得的U4便正比于

角。函數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)將U4進(jìn)行正切運(yùn)算，獲得與tan

成正比的電壓U5。
同步檢波器(8)、除法器(10)、幅度檢波器(9)等對(duì)

1和

2進(jìn)行處理，完成對(duì)被測部件(2)的電容分量Cx的測試。
同步檢波器(8)的輸出電壓為U7 U7＝k1·U1·cos

(6) 由圖2可知 I1＝I4/cos

(7) 由(4)(6)(7)式得 U7＝k1·cos△φ·I4/ωC (8) 幅度檢波器(9)的輸出為U8
除法器(10)實(shí)現(xiàn)U9＝U7/U8的運(yùn)算 即當(dāng)電路參數(shù)確定后，U9與Cx成正比，而與測試頻率，信號(hào)源輸出幅度及損耗大小無關(guān)。
由圖1可知，U4、Us、U9及浮地公共端“⊥”相對(duì)于地端“

”都有一個(gè)幅度約為U。的正弦共模電壓，差動(dòng)放大器(15)按圖1所示的接法，并單獨(dú)由公共端接地的電源(13)供電，這樣便消除了此正弦共模電壓，(15)輸出即為以大地為基準(zhǔn)的直流電壓，其大小仍等于上述的U4U5和U9，從而便于本儀器與其它電表或記錄儀進(jìn)行連接。
被測部件(2)一端接地，另一端用電纜接第一電流電壓變換器(3)的負(fù)輸入端，電纜的屏蔽層接浮地公共端即A1的正輸入端。由于A1的開環(huán)增益可視為無窮大，則電纜芯線與屏蔽層之間的電位差可視為零，這樣引線電纜的分布電容C。對(duì)I1幾乎不起分流作用。設(shè)A1的開環(huán)增益為K0，則加到電纜芯線與屏蔽層之間的電壓即為△U △U＝U1/K。而U1= (UO)/(ZX) Zf Zx和Zf分別為被測部件(2)和反饋支路R1C1的阻抗幅值，所以△U也可以寫成 △U= (UO)/(ZX) Zf/K. (13) 電纜分布電容C。流過電流為△I0
流過被測元件的電流為I1= (UO)/(ZX) 則流過C0的電流與I1之比為 △I/I1＝ZfωC0/K (15) 若C0＝0.015μf，R200KΩ，Ko＝100dB，Co＝5000Pf(相當(dāng)于50米長電纜的分布電容)，在f＝100HZ～10KHZ范圍內(nèi)，△I/I值均在10-5數(shù)量級(jí)，表示電纜分布電容的影響甚微。因而本儀器可以用單根長電纜進(jìn)行動(dòng)態(tài)介電分析。
圖4中(16)為熱壓罐，(17)為被測工件，(18)為金屬

，(19)為模具，(20)為動(dòng)態(tài)介電分析儀。
權(quán)利要求
1、一種動(dòng)態(tài)介電分析儀，由正弦信號(hào)源(1)，第一電流電壓變換器(3)，第二電流電壓變換器(4)、移相器(5)、相檢器(6)、函數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)、同步檢波器(8)、除法器(10)、電源(11)和(13)差動(dòng)放大器(15)等部分構(gòu)成的，其特征是
由同一集成塊上的兩個(gè)高輸入阻抗運(yùn)算放大器和反饋支路構(gòu)成第一電流電壓變換器(3)和第二電流電壓變換器(4)，且兩個(gè)變換器的反饋支路由相同參數(shù)的并聯(lián)電阻電容構(gòu)成；
兩個(gè)電流電壓變換器的輸出信號(hào)分別送給同步檢波器(8)，移相器(5)、幅度檢波器(9)，并與除法器(10)共同完成電容量的測量。
2、按照權(quán)利要求1所述的介電分析儀，其特征是采用接地電源(13)為差動(dòng)放大器(15)供電，采用浮地電源(11)為儀器的其余部分供電。
3、按照權(quán)利要求1所述的介電儀器，其特征是信號(hào)源(1)、標(biāo)準(zhǔn)電容(12)和被測部件(2)的聯(lián)接點(diǎn)接機(jī)殼作為接地端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種動(dòng)態(tài)介電分析儀，用于自動(dòng)測量被測部件的電容和損耗。其特征是采用了兩個(gè)阻容并聯(lián)反饋的電流電壓變換器，并采用接地和浮地的兩組電源對(duì)儀器供電。本發(fā)明的儀器測試頻率連續(xù)可調(diào)，被測部件的一端可接大地，另一端以單根長電纜與儀器連接，為實(shí)驗(yàn)室研究和工廠生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控帶來了方便。
文檔編號(hào)G01R27/26GK1036459SQ88101800
公開日1989年10月18日 申請(qǐng)日期1988年4月7日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月7日
發(fā)明者王成樹 申請(qǐng)人:航空工業(yè)部第六○七研究所