Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Измеритель тензора деформации полупроводников
Измеритель тензора деформации полупроводников

Анимация

Описание

 ФО скромное очень. Не все связи, нет самой деформации.
Источник добавь еще.
Вкладка "Под эффекты" заполняется для НТЭ. В ней надо отметить те естественнонаучные эффекты, которые лежат в основе данного НТЭ.
 
Полупроводниковые тензоэлектрические приборы (тензоприборы) служат для измерения давлений и деформаций.  Тензорезисторы основаны на тензорезистивном эффекте, который состоит в том, что сопротивление полупроводника зависит от давления на полупроводник. Материалом для тензорезисторов чаще всего служит кремний, но могут быть использованы  и другие полупроводники. К основным параметрам тензорезисторов относятся номинальное сопротивление (от десятков Ом до десятков килоОм), т.е. сопротивление при отсутствии давления, и коэффициент тензочувствительности, равный отношению относительного изменения сопротивления ΔR/R к относительному изменению длины тензорезистора Δl/l. Этот коэффициент зависит от вещества полупроводника, типа электропроводимости, удельного сопротивления и направления деформации. У полупроводников  n- типа коэффициент тензочувствительности отрицательный, т.е. при возрастании давления сопротивление уменьшается, а у полупроводников p- типа - положительный. Практически этот коэффициент может доходить до сотен со знаком «плюс» или «минус». Тензорезисторы характеризуются ещё предельной допустимой деформацией, которую нельзя превышать во избежание выхода прибора из строя.
При растяжении или сжатии полупроводника изменяются его длина, площадь сечения и удельное сопротивление, т. е. из трех величин, определяющих значение сопротивления, ни одна не остается постоянной. Указанные изменения зависят от направления приложенной силы и в пределах упругости пропорциональны ей. В ненагруженном состоянии сопротивление R проводника, имеющего длину l, определяется его сечением q и удельным сопротивлением ρ:

  R' = ρ· l/ q .                                                       (1)

 При растяжении проводника его длина становится равной l(1+Δl/l), а сечение q (1–2mΔl/l),), где m- коэффициент Пуассона, определяющий отношение поперечного сжатия к растяжению Δl/l (для большинства металлов m=0,3). Изменяется также и удельное сопротивление. Если обозначить относительное изменение удельного сопротивления Δρ/ρ через  υ  и относительное изменение растяжения Δl/l  через ε, то сопротивление растянутой проволоки определяется зависимостью
.                                          (2)
Вводя в это уравнение величину сопротивления нерастянутой проволоки, находим с большей степенью приближения:

  R' = R(1+ε)(1+υ)(1+με) .                                    (3)

Произведя умножение и исключив члены высших степеней малости, получим

R' = R(1+ε+υ+2με) ,                                        (4)

 

откуда относительное изменение сопротивления равно

 

R' =(R'- R)/R = ε+υ+2με .                                         (5)

Таким образом, обозначаемая обычно коэффициентом k крутизна характеристики чувствительного элемента (тензочувствительность) равна

 

k = 1 / ε =  1+ 2μ + υ/ ε .                                          (6)

 

 При использовании проволоки из константана влияние изменений объема и проводимости суммируется и коэффициент k становится равным 2. Этот сплав наилучшим образом соответствует  требованиям к материалам  для изготовления тензорезисторов: температурный коэффициент сопротивления этого сплава мал, а температурный коэффициент удлинения обычно хорошо совпадает с таким же коэффициентом исследуемых материалов. Возникающая при контакте с медью термоэлектродвижущая сила искажает результаты только при измерениях, проводимых на постоянном токе, и при больших перепадах температур. Для обеспечения достаточных для измерения изменений сопротивления чувствительный элемент изготовляют из тонкой проволоки, наклеиваемой в виде петель с параллельными нитями на подложку из пропитанной бумаги или искусственных смол.

Чувствительный элемент можно также изготовить способом фотохимического травления покрытой тонким слоем металла изоляционной пластинки. Такие тензорезисторы называют фольговыми в отличие от проволочных.  В последнее время для изготовления тензочувствительных элементов стали использовать полупроводниковые материалы, в которых под нагрузкой наряду с изменением геометрических размеров значительно изменяется удельное сопротивление, вследствие чего тензочувствительность k достигает 180 и более. Диаметр проволоки выбирают 20—30 мкм, что обеспечивает большое сопротивление и достаточную эластичность, позволяющую проволоке следовать за реформацией испытуемого материала.

Основной причиной возникновения погрешностей является изменение температуры. Изменение сопротивления тензорезистора R зависит от удлинения контролируемого материала и от температурного коэффициента сопротивления материала тензорезистора. Удлинение образца контролируемого материала в свою очередь происходит, во-первых, под действием механической нагрузки, во-вторых, под влиянием температуры. Измерению подлежит первая из названных составляющих. Влияние температурного удлинения исследуемого материала может быть уменьшено путем подбора для изготовления тензорезисторов материала, обладающего близким коэффициентом температурного расширения. Температурная зависимость сопротивления самого тензочувствительного элемента может быть компенсирована с помощью механически ненагружаемых  компенсационных тензочувствительных элементов. При использовании тензочувствительных элементов следует иметь в виду, что измеряемые усилия весьма велики - порядка 10 Н.

Недостатки: низкая чувствительность, необходимость больших нагрузок, чувствительность к изменениям влажности и температуры, необходимость тщательного приклеивания к поверхности исследуемого образца.

Помимо кристаллических тензорезисторов - из кристаллического полупроводника n- или p- типа,  могут быть поликристаллические тензорезисторы, у которых при деформации сопротивление дополнительно изменяется за счёт изменения сопротивления контактов между отдельными кристалликами.

Полупроводниковые тензодиоды работают по принципу изменения вольтамперной характеристики под действием давления. Это изменение связанно с тем, что при деформации изменяется высота потенциального барьера в p-n - переходе. Коэффициент тензочувствительности у тензодиодов достигает сотен и даже тысяч. Он может быть ещё выше у туннельных диодов.

У тензотранзисторов также под действием давления изменяется вольт-амперная характеристика. В зависимости от того, к какой области приложено давление, при его возрастании может наблюдаться уменьшение или увеличение тока.

В тензотиристорах с увеличением давления на базовый электрод, играющий роль управляющего электрода, возрастает ток эмиттера и за счёт этого понижается напряжение включения.

 

 

Ключевые слова

 

Области техники и экономики

 

Применение эффекта

 

Тензорезисторы фольговые используются в следующих областях:
·    Измерительные устройства высокой точности. Статические и динамические прочностные исследования;
·    Измерительные устройства высокой точности. Прочностные исследования в сложных условиях (криогенные температуры, высокие магнитные поля и др.).
Тензорезисторы проволочные используются в следующих областях:
·    Измерительные устройства, работающие в условиях длительных нагрузок;
·    Прочностные исследования в сложных условиях (криогенные температуры, сильные магнитные поля, измерение температурных напряжений при нагреве и охлаждении и др.);
·    Измерение статических и динамических деформаций при усталостных и акустических исследованиях натурных конструкций. Повышенная надежность и выносливость, более 35 млн. циклов при e=1-10-3;
·    Прочностные исследования натурных конструкций в широком диапазоне температур;
·    Измерение деформаций в вакууме.

Реализации эффекта

 

Тензорезистор (тензометрический датчик, тензодатчик) — это приспособление для измерения напряжённого состояния в металле. Конструктивно представляет проводник особой формы, который подсоединяется к измеряемому изделию. Если известно сопротивление датчика в недеформированном состоянии, то по изменению сопротивления можно вычислить степень деформации.
До появления тензорезисторов для взвешивания в промышленности применялись в большинстве случаев весы, основанные на механических рычагах.
Механические весы могли использовать два метода взвешивания: либо механизм балансировки, либо механизм определения силы, основанный на механических рычагах.

Самые первые датчики нагрузки для взвешивания, разработанные ещё до тензометрических датчиков, были гидравлическими или пневматическими. В 1843 году английский физик Чарльз Уитстон изобрел мост для измерения электрического сопротивления проводников. Мост Уитстона стал идеальным прибором для измерения изменений сопротивления, происходящих в тензорезисторах.
Несмотря на то, что первый тензорезистор был изобретен в 40-х годах прошлого века, его производство стало экономически и технически возможно только после того, как развитие электроники это позволило. С тех пор тензорезисторы зарекомендовали себя как неотъемлемые компоненты механических весов и как независимые датчики нагрузки. На сегодняшний день, тензометрические датчики нагрузки доминируют в весоизмерительном оборудовании. Исключением являются некоторые лаборатории, где все ещё используются точные балансирующие весы.
Тензорезисторы могут давать показания с точностью до 0,03-0,25%, они совместимы с любым весоизмерительным оборудованием и их можно использовать в любой отрасли промышленности.
Многие тензорезисторы обладают определённой степенью защиты от пыли и влаги. Для характеристики защиты тензорезистора от воды, пыли и других внешних факторов используется рейтинг IP (Ingress protection rating), так же известный как International Protect или IP.

Литература

1. Жеребцов И.П. Основы электроники. Специальные полупроводниковые приборы – Полупроводниковые резисторы. –Л.: «Энергоатомиздат», 1989 г. -352 с. -Стр. 139.

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина