Расчет параметров основных блоков прибора для измерения толщины диэлектрических покрытий

1. Техническое задание на проект

2. Обзор существующих методов определения толщины покрытия

2.1 Механические измерители толщины покрытия

2.2 Магнитные измерители толщины покрытия

2.3 Электрические измерители толщины покрытия

2.4 Радиационные измерители толщины покрытия

3. Расчет параметров основных блоков прибора для измерения толщины диэлектрических покрытий Выводы Библиографический список

Темой данной работы является расчет параметров основных блоков прибора для измерения толщины диэлектрических покрытий.

Для безопасной эксплуатации оборудования и материалов, защиты их от внешних факторов и повреждений широко используются различные диэлектрические покрытия. Область их применения широка: от полиэтиленовой тары для фасовки и хранения продуктов до специальных покрытий в авиации и космонавтике. При этом качество изделия, в основном, определяется толщиной покрытия и стабильностью этой толщины вдоль и поперек изделия. Для ее преобразования используют толщиномеры покрытий. В основе работы этих приборов лежат различные методы, в последнее время — преимущественно бесконтактного преобразования. Несмотря на множество приборов, выпускаемых серийно, ведутся интенсивные поиски новых принципов построения, выбора конструктивного исполнения толщиномеров. Вид диэлектрического покрытия, количество слоев, допустимая толщина и ее стабильность, доступ к покрытию из одной или нескольких сторон, а также особенности технологии нанесения существенно влияют на конструкцию и принцип работы толщиномеров. Данная работа направлена на демонстрацию простого и эффективного метода определения толщины диэлектрических покрытий, требующего минимальной затраты финансовых и временных ресурсов и имеющего хорошую повторяемость прибора.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТ

Разработка прибора, измеряющего толщину любых диэлектрических пленок, а также лакокрасочных покрытий на металлических поверхностях Таблица 1.1 — Технические характеристики толщиномера

2. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ

Принцип работы измерительных преобразователей толщины может быть основан на различных физических явлениях, таких, как изменение электрического сопротивления, емкости, оптической, радиационной или магнитной проводимости первичного датчика и т. д.

Приведем методику измерения толщины исходя из физического и конструктивного принципа. Классификация также будет полезной для определения степени возможности использования того или иного принципа в аналоговой или цифровой измерительной аппаратуре. К основным путям определения толщины тела можно отнести следующие методы: механические; магнитные (магнитного потока, магнитного сопротивления, вихревых токов); электрические (емкостные, резистивные); радиационные (рентгенографические, ионизационные, оптические)

Рисунок 2.1 — Классификация методов определения толщины покрытия

2.1 Механические измерители толщины покрытия

Основным видом механического измерителя малых толщин является микрометр. При больших толщинах используются также и другие механические методы, например, с помощью взвешивания можно определять толщину равномерного покрытия с известной плотностью. Такие методы ограничены в точности (цена деления механического микрометра), либо неприменимы, если доступ к покрытию ограничен с одной стороны, что исключает их из широкого применения на производстве.

2.2 Магнитные измерители толщины покрытия

Магнитные преобразователи толщины используются в случае разного вида магнитной проницаемости покрытия и подложки, например для измерения немагнитных покрытий на ферромагнитном материале. Они состоят из катушек, расположенных на разомкнутых П-или Ш-образных ферромагнитных сердечниках. Полюса сердечника прижимаются к покрытию, толщина которого измеряется. Изменение толщины приводит к изменению магнитного сопротивления преобразователя и его индуктивности. Для контроля толщины покрытий непосредственно в производственных условиях при серийном и массовом выпуске изделий, когда идут однотипные детали из ферромагнитного материала с более или менее постоянными магнитными свойствами, следует применять приборы и методы, основанные на магнитном методе.

Данный метод рекомендуется применять для измерения немагнитных покрытий на ферромагнитной основе или же когда магнитные свойства их резко различаются.

Приборы просты по конструкции, большинство из них портативны, имеют малую энергопотребляемость. Некоторые из них освоены отечественной промышленностью и выпускаются серийно.

Пределы измерения этими приборами 0—2000 мкм. Наибольшая погрешность измерения достигает ± 10% на деталях с чистотой поверхности выше V5 и продолжительность измерения 5—6 сек.

2.3 Электрические измерители толщины покрытия

Для определения толщины покрытия электрическими методами, могут быть использованы: диэлектрическая прочность, емкость, сопротивление пленки.

Резистивный метод. Измерение сопротивления пленки — простая операция, может быть использована для определения толщины проводящих пленок на непроводящих подложках и для полупроводниковых эпитаксиальных слоев. Зависимость сопротивления тонкой проводящей пленки R от толщины d можно представить в виде

где l — длина, w — ширина, с — удельное сопротивление пленки. При условии константности удельного сопротивления толщину пленки d можно непрерывно контролировать ее сопротивлением.

Емкостный метод. Может быть применен для определения толщин диэлектрических пленок, нанесенных на ведущие подложки. Измеряемая емкость обратно пропорциональна толщине пленки, прямо пропорциональна диэлектрической постоянной пленки и площади электрода (не считая краевые эффекты)

2.4 Радиационные измерители толщины покрытия

Радиационные методы основаны на измерении характеристик отраженного, пропущенного или эмитированного пленкой излучения.

Ионизационные. Источник излучения и ионизационный преобразователь могут быть расположенной как по разные стороны измеряемого покрытия, так и по одну сторону от него. В обоих случаях с изменением толщины изменяется интенсивность излучения, пропущенного / отраженного покрытием.

Рентгенографические. Бывают двух видов: метод поглощения, основанный на измерении ослабления в пленке пучка рентгеновских лучей; метод эмиссии основан на возбуждении материала пленки источником высокой энергии.

Оптические Для методов контроля толщины пленок можно использовать ряд оптических явлений: интерференцию, поглощения, пропускания, отражения света. Выбор конкретного явления для измерения определяется типом подложки и материалом пленки.

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ ПРИБОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

При расчете параметров принципиальной схемы устройства первым шагом является разработка структурной схемы прибора.

Структурная схему состоит из источника питания, генератора, детектора, микроамперметра. Опишем работу устройства.

Принцип действия толщиномера состоит в регистрации напряжения с измерительной обмотки преобразователя, возникающая вследствие изменения магнитного сопротивления в цепи «преобразователь-поверхность ферромагнитной основы». Питание преобразователя осуществляется от генератора синусоидального напряжения частотой 1 кГц. Выходное напряжение с измерительной обмотки преобразователя и эквивалентной катушки поступает на канал, в котором усиливается и детектируется. Повторно усилившись сигнал подается на аналоговый микроамперметр.

Следующим шагом является разработка принципиальной схемы толщиномера, позволяющей получить представление об элементной базе прибора и произвести расчет требуемых параметров схемы.

Данный толщиномер работает в двух режимах измерения: а) прибор измеряет толщину диэлектрических покрытий до 0,2 мм; б) прибор измеряет толщину диэлектрических покрытий до 1 мм. Переключение между режимами осуществляет ключ SA1. Такое дополнение в схеме позволило повысить точность измерения толщины покрытия, меньшей 0,2 мм.

Генератор на транзисторе VT1 через трансформатор Т1 питает переменным током частотой приблизительно 1000 Гц измерительный мост L1L2R3R7. Катушка L1 с разомкнутым магнитопроводом — датчик. Если торцы её магнитопровода плотно прижаты к гладкой поверхности пластины из мягкой стали, индуктивность датчика максимальна и равна индуктивности образцовой катушки L2 Точного баланса моста добиваются подстроечным резистором R3. Если между торцами магнитопровода датчика и пластиной поместить диэлектрическую плёнку, мост разбалансируется и на входе двухкаскадного усилителя на транзисторах VT2 и VT3 появится переменное напряжение амплитудой, пропорциональной толщине плёнки. Усиленный сигнал, выпрямленный диодами VD1 и VD2 (конденсатор С8 — сглаживающий), поступает на вход усилителя постоянного тока на транзисторе VT4, к коллектору которого через резистор R17 подключён микроамперметр РА1. Второй вывод микроамперметра соединён через кнопку SB1 с коллектором транзистора VT5 (непосредственно или через резистор R19 в зависимости от выбранного поддиапазона измерений).

При сбалансированном измерительном мосте стрелку микроамперметра РА1 устанавливают на ноль переменным резистором R18. Благодаря тому что каскады на транзисторах VT4 и VT5 идентичны, изменение температуры окружающей среды не вызывает заметного «ухода» стрелки и не вносит погрешности в результат измерения. При замкнутом выключателе S1 максимальная измеряемая толщина — 0,2 мм, при разомкнутом — 1 мм.

Прибор питают напряжением 9 В от любого стабилизированного источника. Можно применить и батарею гальванических элементов. Напряжения 5…6 В вполне достаточно. В этом случае в качестве SB1 нужно установить кнопку с двумя группами контактов. Вторая группа, включённая последовательно в цепь батареи, послужит выключателем питания, что предохранит батарею от разрядки в перерывах между измерениями.

Рассмотрим выходной дифференциальный каскад прибора (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — Принципиальная схема выходного дифференциального каскада толщиномера

Продемонстрируем возможности дифференциального каскада с помощью рисунка 3.2

Рисунок 3.2 — Принципиальная схема дифференциального каскада Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и усиливает разность напряжений, приложенных к ним. Если на оба входа подать одинаковое (синфазное) напряжение, то усиление будет чрезвычайно мало. Дифференциальный усилительный каскад не усиливает синфазный сигнал.

Дифференциальный каскад состоит из двух транзисторов, эмиттеры которых соединены и подключены к общему резистору R_э.

Каскад абсолютно симметричен, т. е. сопротивление резисторов, входящих в каждое плечо, и параметры транзисторов одинаковы. В этом случае при равных входных сигналах токи транзисторов равны между собой.

Пусть входные напряжения получат одинаковые приращения разных полярностей ЅДU_ВХ. В результате ток одного транзистора увеличится на ДI_К, а другого на столько же уменьшится. При этом результирующий ток через резистор R_Э останется без изменения. Постоянным будет и падение напряжения на нем.

Если входное напряжение изменить только на одном входе на ДU_ВХ, то это приведёт к изменению тока через соответствующий транзистор. Если бы транзистор VT2 отсутствовал, транзистор VT1 был бы включен по схеме с ОЭ и ток в его цепи изменился бы на 2ДI_K. При этом падение напряжение на R_Э увеличилось бы на ДU'_Rэ

Но увеличение падения напряжения на резисторе R_Э приведёт к уменьшению разности потенциалов между базой и эмиттером транзистора VT2 и ток его уменьшится, причём изменение тока транзистора VT2 будет таково, что приращения напряжений эмиттер — база обоих транзисторов будут одинаковы. Следовательно, при увеличении U_ВХ1 на ДU_ВХ потенциал эмиттера увеличится на ДU_ВХ/2 что эквивалентно увеличению тока через резистор R_Э на ДI_K. При этом приращение напряжения база — эмиттер для транзистора VT1 равно ДU_ВХ/2 и — ДU_ВХ/2 для транзистора VT2. Ток каждого плеча изменится на ДI_K. Очевидно, что независимо от того, как на вход каскада подаются напряжения, токи транзисторов в первом приближении меняются одинаково.

Так как каскад дифференциальный, то его можно рассмотреть как две повторяющиеся части. Каскад 2 будет зеркальным отображением каскада 1 поэтому достаточно рассчитать лишь один из каскадов Выбираем тип транзистора VT4. Для нормального режима работы транзистора необходимо выполнение условий:

U_{кэ макс} > Е_п;

I_б = (1,5…2) I_вх.

Выполнение этого условия необходимо для того, чтобы при изменении входного тока транзистор не входил в режим запирания:

P_к макс > P_к0.

Здесь U_{кэ макс} — максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером;

I_б — ток базы в отсутствии сигнала;

P_к макс — максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора;

P_к0 — мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в рабочей точке.

Исходя из описания схемы исходные данные равны Е_п=6 В, I_вх=20 мкА. Этим условиям соответствует транзистор КТ315Б со следующими параметрами:

U_{кэ макс} = 20 В

6 В <20 В

P_к макс(Т< +25^оС) =60 мВт Входная и выходная статистические характеристики транзистора ГТ310А приведены на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 — Входная и выходная статистические характеристики транзистора Определяем величину тока базы (с учётом того, чтобы при изменении входного сигнала транзистор не попадал в режим отсечки)

I_б = 2•¦I_вх¦ = 40 мкА Для определения положения рабочей точки на семействе выходных статистических характеристик нужно задать U_кэ01. Разумно брать U_кэ01 минимальным т.к. тогда затраты на работу усилителя минимальны. Т.к. брать U_кэ01 < 1 В бессмысленно, при таком напряжении транзистор находится в нестабильной области, а мы ещё и имеем изменение входного тока. Поэтому возьмём U_кэ01 равным 2 В

U_кэ01 = 2 В Тогда:

I_к01 = 1,9 мА I_э1 = I_к01 + I_б1 = 1,9 мА + 0,08 мА = 1,98 мА

Теперь следует выбрать Е_п. Оно должно быть как можно меньше, чтобы не рассевалась лишняя мощность. Минимальное подходящее стандартное Е_п=6 В.

Возьмем сопротивление резистора R16 равным 100 Ом Тогда:

I_э12 = I_э1 + I_э2 = 2? I_э1 = 3,96 мА

U_R16 = I_э12?R16 = 0,4 В Тогда точка на прямой U_кэ (Рисунок 3.3) будет равна падению напряжения на VT4 и R15, а так как мы знаем U_R16 то:

U_к1' = Е_п — U _R16 = 6 В — 0,4 В =5,6 В Из графика видно, что при любом заданном изменении входного тока транзистор не выходит за эксплуатационные пределы.

Падение напряжения на резисторе R15 равно:

U_R15 = E_п — U _R16 — U_кэ01 = 6 В — 0,4 В — 2 В = 3,6 В Соответственно

R15 = U_R15/I_K01 = 3,6 В/(1,9•10^-3) А= 1805 Ом Так же рекомендовано взять ток делителя равный пяти токам базы:

I_б1 = 40 мкА

I_R14 = 6•I_б1 = 0,24•10^-3 А I_R13 = 5· I_б1 = 0,2· 10^-3 А

Напряжение на резисторе R13 равно:

U_R13 = U_R16 + U_эб1 =0,4 В + 0,28 В =0,68 В т.к. U_эб1 = 0,28 В (по графику рисунка 3.3)

Тогда R13 = U_R13/I_R13 = 0,68 В/0,2· 10^-3 А = 3,4 кОм

R14 =(E_п — U_R13)/I_R14= (6 В -0,68 В)/0,24· 10^-3 А = 22.2 кОм Расчёт мощностей используемых элементов мощность транзистора VT4 в рабочей точке:

P_к0 = I_к01•U_к0 = 3,8 мВт Условие P_к макс > P_к0 выполняется.

Мощности резисторов:

P_R14 = I_R14•U_R14 = 1,28 мВт

P_R13 = I_R13•U_R13 = 0,14 мВт

P_R15 = I_R15•U_R15 = 6,84 мВт

P_R16 = I_R16•U_R16 = 1,56 мВт Потребляемая мощность равна

P_П = I_П•E_П = (I_R14+ I_R15+ I_R20+ I_R22)•E_П = 25,68мВт Так как элементы R13 и R14, R15 и R16, VT4 и VT5 соответственно равны, то равны и все их параметры.

ВЫВОДЫ

В результате проекта был проведен обзор приборов, измеряющих толщину диэлектрических пленок и лакокрасочных покрытий. Проанализировав основные пути и методики определения толщины тела, было выбрано устройство преобразовывания магнитного сопротивления катушки с разомкнутым магнитопроводом (датчик). Причиной выбора данного принципа измерения послужила высокая точность, устойчивость к дестабилизирующим факторам, простота реализации и эксплуатации. Конструкция данного толщиномера была разработана на базе уже существующих схем. Особенностью данной принципиальной схемы является наличие двух режимов измерения, простота настройки, хорошая повторяемость.

В основной части роботы был произведен расчет выходного дифференциального каскада: определены наименования и номиналы всех элементов. Полученные результаты являются самыми оптимальными для корректной работы дифференциального каскада и всей схемы в целом.

диэлектрический лакокрасочный преобразователь толщина

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Абрамов К. Д., Абрамов С. К. Основы схемотехники. Учеб. пособие. Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2006. — 88 с.

2 Майселл Л. В., Глэнг Р. Л. Технология тонких пленок: справочник: Пер. с англ. М.: Советское радио, 1977. — 778 с.

3 Осадчук В. С., Осадчук О. В. Напівпровідникові перетворювачі інформаціїї. Вінниця: ВНТУ, 2004. — 208 с.

4 Бриндли К. В. Измерительные преобразователи: справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 144 с.

5 Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. 4-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1977. — 360с.

6 Резисторы: Справочник / Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. М.: Радио и связь, 1987. — 352с.

7 Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1989. — 400с.

8 Степаненко И. П. Теория транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1999 360с.