woro измерения проводимости материалов основан на эффекте уменьшения индуктивности катушки, возбуждаемой переменным током, прн приближении к ней токопроводящего материала [125]. Однако такой метод непригоден для измерения проводимости магнитных токопрово-дящнх материалов, поскольку уменьшение магнитного сопротивления цепн, содержащей магнитные материалы, приводит к увеличению индуктивности, т. е. к противоположному эффекту по сравнению с увеличением электрической проводимости.

Индуктивные методы прямого измерения магнитной проницаемости основаны на увеличении индуктивности электрических цепей, содержащих магнитопроводящие материалы [126]. В этом случае измерение нндуктнвностп связано с воздействием на контролируемый материал переменного магнитного поля. Однако в токопроводящем магнитном материале переменное магнитное поле вызывает индуцированные вихревые токи, что приводит к значительным погрешностям измерения и к необходимости подавления эффекта индуцирования вихревых токов посредством изготовления образцов специальной формы.

Метод прямого измерения диэлектрической проницаемости материалов [125] основан на эффекте увеличения емкости конденсатора, возбуждаемого переменным током, при внесении в его поле диэлектрического материала. Однако этот метод не пригоден для измерения диэлектрической проницаемости полупроводниковых материалов, поскольку увеличение проводимости приводит к уменьшению емкости конденсатора, т. е. к противоположному эффекту по сравнению с увеличением диэлектрической проницаемости.

Проводимость полупроводниковых материалов зондовым методом (127] измеряется на постоянном токе для исключения влияния диэлектрической проницаемости на результат измерения, т. е. этот метод не позволяет измерять диэлектрическую проницаемость материала.

Параметрический способ измерения электрических параметров диэлектрических материалов отличается тем, что на контролируемый -материал воздействует пробное электрическое поле генератора гармонических нлн релаксационных колебаний. По изменению частоты генератора вследствие изменения емкости конденсатора при внесении в его электрическое поле образца из контролируемого материала оценивают величину диэлектрической проницаемости, а по изменению амплитуды колебаний судят о величине тепловых потерь, связанных с проводимостью материала [126].

Параметрический способ измерения электрических и магнитных параметров токопроводящнх и магнитных материалов характеризуется тем, что на образец нз контролируемого материала воздействует пробное переменное магнитное поле генератора гармонических илн релаксационных колебаний, которое не изменяет магнитного состояния образца, но позволяет определить магнитную проницаемость по изменению частоты автоколебапнй прн помещении в контур образца из магнитного материала н электрическую проводимость по изменению амплитуды колебаний автогенератора.

Все перечисленные методы измерения электрических н магнитных параметров контролируемых материалов позволяют измерять один па-

раметр. Параметрическим способом можно контролировать материалы по двум параметрам, однако измерения этих параметров отличаются низкой точностью и уточнение их приходится производить по Специальным номограммам.

Импульсный модуляционный метод позволяет одновременно, измерять два параметра: проводимость и магнитную проницаемость проводников и магнитных материалов, проводимость и диэлектрическую проницаемость диэлектриков и полупроводников. Причем такие измерения можно производить без изготовления специальных образцов. Измеряемые величины оцениваются по параметрам импульсных сигналов на их различных временных участках.

Способ измерения электрической проводимости и магнитной проницаемости заключается в следующем. Два идентичных проводника, в поле рассеивания одного из которых размещается исследуемый материал с неизвестными параметрами электрической проводимости и магнитной проницаемости, возбуждают серией импульсов напряжения прямоугольной формы. Выбор такого возбуждающего напряжения позволяет получить разностный выходной сигнал измерительного преобразователя с разделением по времени вихретоковых прсц-ссов и процессов намагничивания материала изделия внешним магнитным полем. Такое разделение возможно благодаря короткому фронту импульсов напряжения н малому времени нарастания тока в проводниках по сраЕне1Шю с длительностью импульса напряжения. Поскольку в момент нарастания фронта импульса тока магнитное поле вокруг проводника формируется за счет вихревых токов, уменьшающих внешнее поле от тока в проводнике, и магнитного поля намагничивания материала изделия, причем эти составляющие вычитаются на интервале времени затухания вихревых токов, то для получения выходного сигнала, пропорционального только проводимости, необходимо сложить сигнал на фронте импульса напряжения с сигналом на его плоской части. Сложение выполняется посредством операции преобразования составляющих сигналов в виде разностного напряжения в импульсы тока с преобразованием последних в заряд. Операция сложения выполняется на уровне зарядов. Оптимальная обработка сигналов по критерию отношения снгнал/шум выполняется за счет операции накопле-, ния результатов "сложения-для всех импульсов серии.

На плоской части импульса на интервале времени, где индуцированные токи в материал изделия отсутствуют, имеет место намагничивание материала. Поэтому разностное напряжение на этом временном интервале однозначно характеризует магнитную проницаемосгь материала. Но магнитное состояние материала на петле гистерезиса прн необходимости может задаваться внешним полем, поэтому первичный преобразователь не должен содержать магнитных материалов, подверженных намагничиванию. Для получения выходного сигнала, пропорционального магнитной проницаемости материала, разностное напряжение на плоской части импульсов возбуждения преобразуется в импульсы тока с преобразованием последних в заряд. Такие заряда всей серии импульсов накапливают, и результирующий заряд преобразуют в напряжение, пропорциональное магнитной проницаемости.

л ГЛ

Рис. 4.36. Осциллограммы импульсного измерителя электрической проводимости (а), магн1!тной (б) и днэлектрпческой (в) пронн-

Таким образом, электрическая проводимость и магнитная проницаемость характеризуются одним и тем же па-рамегром - напряжением разностного сигнала измерительного преобразователя, но на его различных временных участках. Это поясняется эпюрой напряжения сигнала, приведенной на рис. 4.36, где показаны импульс напряжения возбуждения проводников (л), разностное напряжение проводников с учетом внесения в поле рассеивания одного из них изделия из токопроводящего магнитного материала (б). Разность напряжений на участках х- и х характеризует электрическую проводимость материала, а напряжение на участке д-а - магнитную проницаемость.

Для обеспечения двух различных режимов измерения проводники возбуждают двумя последовательными сериями импульсов. Во время первой измеряют электрическую проводимость материала изделия, а во время второй - его магнитную проницаемость. Оптимальная обработка информационных параметров "сигнала методом накопления зарядов увеличивает отношение сигнал/шум, что значительно повышает чувствительность метода.

Аналогично измеряются проводимость и диэлектрическая проницаемость диэлектрических и магнитных материалов.

Два идентичных воздушных конденсатора, в электрическом поле одного из которых размещается изделие из исследуемого материала с неизвестными параметрами диэлектрической проницаемости и проводимости, возбуждают серией импульсов напряжения прямоугольной формы.

Выбор возбуждающего напряжения в виде импульсов прямоугольной формы позволяет получить разностное напряжение на выходе измерительного преобразователя с разделением по времени процессов заряда конденсаторов до напряжения входного сигнала и процессов проводимости тока через диэлектрик конденсатора. Поскольку в момент заряда конденсатора ток через него состоит из составляющей заряда емкости и тока проводимости через сопротивление диэлектрика, причем эти составляющие складываются на интервале времени заряда конденсатора, то для измерения сигнала, пропорционального диэлектрической проницаемости, необходимо вычесть из напряжения сигнала, совпадающего с фронтом импульса, напряжение сигнала, совпадающего с плоской частью импульса. Вычитание напряжений выполняется посредством операций преобразования составляющих напряжений сигнала в импульсы тока с преобразованием последних в заряд. Оптимальная обработка сигналов по критерию отношения сигнал/шум вы-

полняется за счет операции накопления результатов вычитания для всех импульсов серии.

На плоской части импульса на интервале времени, где ток заряда емкости конденсатора отсутствует, имеет место ток проводимости через диэлектрик конденсатора. Поэтому разностное напряжение сигнала на этом интервале времени однозначно характеризует электрическую проводимость материала диэлектрика или полупроводника. Для получения напряжения выходного сигнала, пропорционального проводимости материала, разностное напряжение на плоской части импульса возбуждения преобразуют в импульсы тока с последующим преобразованием в заряд. 2ги заряды импульсов всей серии накапливают, а суммарный результирующий заряд преобразуют в напряжение, пропорциональное проводимости материала.

Таким образом, электрическая проводимость и диэлектрическая проницаемость характеризуются одним и тем же параметром - напряжением разностного сигнала измерительного преобразователя, но на его различных временных участках. Это поясняется эпюрой напряжения сигнала, приведенной на рис. 4.36, где показано разностное напряжение конденсаторов с учетом внесения в электрическое поле первого из них изделия из диэлектрического или полупроводникового материала (в). Разность напряжений на участках х и х характеризует диэлектрическую проницаемость материала, а напряжение на участках Хз - электрическую проводимость.

Для обеспечения двух режимов измерения (электрической проводимости и диэлектрической проницаемости) конденсаторы возбуждаются двумя последовательными сериями импульсов прямоугольной формы. Во время первой серии измеряется диэлектрическая проницаемость материала, а во время второй - его электрическая проводимость.

Уройство, реализующее импульсный модуляционный метод измерения электрической проводимости и магнитной проницаемости (рис. 4.37), содержит два идентичных проводника, образующие индуктивности L,, L, возбуждаемые импульсами тока генератора /ив поле рассеивания одной из которых помещается изделие 2 из контролируемого материала. Серия импульсов блока управления 3 запускает генератор импульсов тока прямоугольной формы /, поступающих в индуктивности Ll, Li, вокруг которых возбуждается магнитное поле. Так как индуктивности Lj, L идентичны, то токи, протекающие через ннх, одинаковы и напряжение на аторичной обмотке трансформатора Тр, определяемое разностью токов в первичных обмотках, равно нулю. Нулю равно и напряжение на выходе устройства. При внесении изделия из контролируемого материала в магнитное поле первого проводника Ll в материале изделия индуцируются вихревые токи, поле которых направлено встречно полю тока в проводнике, в результате чего индуктивность проводника Lj уменьшается и на вторичной обмотке вычитающего трансформатора Тр появляется напряжение, пропорциональное проводимости материала. В момент нарастания фронта импульса тока возбуждения магнитное поле формируется за счет не только поля вихревых токов, но и поля намагничивания материала изделия, которые направлены встречно друг другу. Поэтому на выходе

трансформатора иа интервале времени существования вихревых токов результирующий сигнал равен разности сигналов от поля вихревых токов в материале изделия и поля намагничивания, а после успокоения вихревых токов сигнал формируется только в результате намагничивания материала изделия, а напряжение »того сигнала однозначно определяет его магнитную проницаемость.

Во время первой серии импульсов возбуждения измеряется электрическая проводимость материала изделия, а во время второй - его магнитная проницаемость

Для оптимальной обработки сигналов используется схема с накоплением заряда. В начале каждой серии формируется управляющий импульс блока управления, в результате чего ключи КЗ и К4 замыкаются и накопительные конденсаторы С/ и С2 заряжаются до напряжения -\-Е. После размыкания ключей /С5 и /С во время первой серии импульсов на интервале времени существования индуцированных вихревых токов, т. е. на переднем фронте импульса тока возбуждения, замыкается ключ К1 и ток генератора 4 поступает в эмиттеры транзисторов Т1 и Т2, в результате чего последние открываются, ток генератора 4 перераспределяется между ними пропорционально напряжению на их базах и конденсаторы С1 и С2 разряжаются токами коллекторов транзисторов Т1 и Т2 до разных уровней напряжения. После размыкания ключа К1 на плоской части импульса тока возбуждения по сигналу блока управления замыкается ключ /С2, ответвляющий ток генератора 4 в эмиттеры транзисторов ТЗ и Т4, в результате чего последние открываются и происходит дальнейший разряд конденсаторов С1 и С2 токами, пропорциональными напряжению на базах транзисторов ТЗ и Т4. Но так как транзисторы Т1-Т4 включены между собой встречно, то во время замыкания ключа к2 суммируется заряд кон-

денсатора к первому результату, занесенному во время замыкания клн>-ча К1. Поскольку напряжения сигнала на первом и втором интервалах времени импульса тока возбуждения имеют противоположную полярность (см. рис. 4.36), то заряды каждого конденсатора на первом и втором интервалах времени суммируются. Таким образом, результирующее напряжение на конденсаторах С1 и С2 соответствует сумме напряжений сигнала на переднем фронте импульса возбуждения и на плоской его части. Во время последующих импульсов первой серии последовательность замыкания ключей К1 и К2 сохраняется, разряд конденсаторов продолжается, в результате чего в конце серии напряжение заряда конденсаторов С1 и С2 становится равным сумме зарядов на интервале времени одного импульса. Для увеличения коэффициента усиления входного каскада, состоящего из усилительных транзисторов, накопительных конденсаторов, эмиттерных ключей и генератора тока 4, в устройстве используется цепь подзаряда накопительных конденсаторов, содержащая ключи К5 v. Кб v. генераторы тока 5 и 6. Ключи К5,Л6 замыкаются по сигналам блока управления 3 одновременно с замыканием ключей К1, К2. Ток генераторов 5, 6 задается таким, чтобы напряжение заряда конденсаторов С1, С2 в конце серии при сбалансированной схеме, т. е. при отсутствии изделия в магнитном поле первого проводника L, было равно половине напряжения +Е, а разность напряжений зарядов конденсаторов С/, С2, соответствующая максимальному напряжению информационного сигнала, также была равна EI2 На выходные транзисторы Т7, Т8 напряжение с накопительных конденсаторов передается через истоковые повторители на полевых транзисторах Т5, Т6. Выходные транзисторы Т7, Т8, включенные по схеме дифференциального усилителя, служат для преобразования разностного напряжения на накопительных конденсаторах С1, С2 в напряжение относительно шины нулевого потенциала. Напряжение накопленного заряда на коллекторе транзистора 75 в конце серии по сигналу блока управления заносится в ячейку выборки и хранения Если в устройстве необходим цифровой эквивалент измеряемых параметров, то вместо ячейки выборки и хранения используется АЦП, аналоговое напряжение на входе которого по сигналу блока управления преобразуется в цифровой код и хранится до следующего обращения к АЦП Таким образом, напряжение на выходе ячейки выборки и хранения (или код на выходе АЦП) 8 эквивалентно электрической проводимости материала контролируемого изделия.

В начале второй серии импульсов возбуждения по сигналу блока управления замыкаются ключи КЗ, К4, через которые накопительные конденсаторы заряжаются до напряжения +Е. После размыкания ключей КЗ, К4 на интервале времени импульса возбуждения после ус покоения вихревых токов замыкается ключ К2, в результате чего ток генератора 4 поступает в эмиттеры транзисторов ТЗ, Т4, перераспределяясь между ними пропорционально напряжению на базах транзисторов, которое определяется на этом интервале времени магнитной проницаемостью материала изделия. Конденсаторы С/, С2 разряжаются коллекторными токами транзисторов ТЗ, Т4. Одновременно с ключом к2 замыкаются ключи К5, Кб, через которые осуществляется подза-