Способ определения температуры и деформирующего усилия

 

Соцнапнстнческнк .ИЗОБРЕТЕНИЯ ()932282

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (бт ) Дополнительное к авт. синд-ву (22) Заявлено 23.07.80 (2! ) 2964110/18-10 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 30. 05. 82. Бюллетень М 20

Дата опубликования описания 01.06.82 (5! )М. Кл.

С 01 К 7/16

Ibcyaopasaxek камнтет

СССР до делам изобретений и еткрытий (53) УДК536.53 (088. 8) Ф., H. Т. Горбачук, В. В. Мигин, Ю. А, Ткорик и 8$. М. Шварц (72) Авторы изобретения

Институт полупроводников А Н Украинской ССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

И ДЕФОРМ ИРУЮЩЕ ГО УСИЛИЯ

Изобретение относится к термометрии и может быть применено для одновременного измерения температуры и деформирующего усилия.

Известен способ определения температуры и деформирующего усилия, заклюа чаюшийся в измерении зависимости сопротивления полупроводникового датчика от величины деформируюшего усилия и последующем вычислении искомых величин (11.

Однако известный способ не обладает требуемой точностью измерения из-за погрешности, обусловленной влиянием температуры на измерение деформации, и наоборот, влиянием деформации на

15 измерение температуры.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения температуры и деформирующего усилия, заключаюшийся в измерении температурной зависимости сопротивления монокристаллического полупроводникового датчика в продольном направлении при отсутствии деформирующего усилия, измерении зависимости сопротивления датчика в том же направлении от величины деформируюшего усилии, ориентировании датчика параллельно направлению усилия, измерении сопротивления датчика вдоль этого направления при воздействии измеряемого деформирующего усилия 2 .

Однако и этот способ не обладает требуемой точностью измерения, так как он не позволяет исключить влияние деформирующего усилия на погрешность измерения температуры и исключить влияние температуры на измерение деформации.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что измеряют сопротивление, однородного монокристаллического полупровоцникового датчика при температуре окружающей среды (То) в отсутствии деформирующего усилия в поперечном направлении, затем измеряют сопротивление датчика в двук

3,ОМ2 взаимно перпенаикулярных направлениях при воэаействии измеряемых температуры. и аеформирующего усилия, величину со .противления датчйка, соответствующую иэ меряемой температуре, находят по фор муле в

АВР; (т,х)- И„(т,х)

Rl(T) = В» „ искомую температуру опреаеляют по зависимости сопротивления аатчика от тем10 пературы, а величину деформирующего усилия находят по формуле

sR„(T,х)-))ыq(т,и) р (т) ы, (т,к)-%„(т,и) is где р < (Т, х) и й((Т, х) - измерен» ные сопротивления датчика в продольном, и поперечном направлениях при воздействии температуры и деформирующего усилияф

Ri(To)

А — ковффиниенв, ровный отио (о); шению величины сопротивления датчика в продольном направлении Я,, (Т ) к ве25 личине сопротивления датчика в поперечном направлении Rq (TO) при температуре окружающей среды (Т ) в отсутствии деформирующего усилия;

Till (To)

))в и . - ооноивннв коеффикнентов

Л-(To) пьеэосопротивления аатчика в авух взаимно перпенаикулярных направлениях» .

П" (Т) - коэффициент пьезосопротивления датчика в направлении его ориентации при искомой температуре, определяемый по температурной зависимости

° коэффициента в продольном направлении.

На фиг. 1 и 2 приведены граауировочные кривые полупроводникового датчика.

Полупроводниковый (германневый) датчик имеет вид параллелепипеда размерами 8 Н 1рбх 0,8 мм, имеет торцовые контакты 1 и 2, расположенные вдоль оси, а также снабжен дополнительными эквипотенциальнымн контактами 3 и 4 на боковых гранях. Контакты 3 и 4 рас-. положены на линии, перпендикулярной направлению расположения первых контактов 1 и 2.

Измерение температуры и аеформирующего усилия с помощью преалагаемого способа и конструкции термотенэоаатчика проводят при слеаующей послеаовательно- S> сти операций. Вначале измеряют при комнатной температуре (300 К) сопротивление оанороаного датчика в двух взаимно

8Й-: перпенаикулярных направлениях между контактами 1 н 2 (R <(300 К) 2520,1 Ом) и 3 и 4 (К 300 К) = 804,2 Ом) в отсутствии деформирующего усилия.

Находят коэффициент А = R <(300 К)/

Ц (3ООК) - 3,13.

Далее при 300 К провоаят измерение зависимости изменения сопротивления аатчика в проаольном и поперечном направлениях ао величины приложенного ваоль ( аатчика деформирующего усилия и в области линейной зависимости опреаеляют коэффициенты пьезосопротивления

Ti" (300 К) = 43,0, У (300 К)

-5,8.

Расчитывают коэффициент В =

=)с"(300 К) /Л (300 K) - 7,41.

Затем измеряют температурную зависимость сопротивления неаеформированного датчика межау контактами 1 и 2 (R ф (Т) ) и температурную зависимость коэффициента пьезосопротивления Л (Т) и строят градуировочные кривые (фиг, 2, кривые 1 и 2 соответственно).

Далее приклааывают оаноосную нагрузку ваоль оси аатчика (при проверке точ, ности способа îíà была заранее известна и равна 300 кг/см ) и понижают температуру термотензоаатчика в криостате ао

273 К.

С помощью цифрового универсального вольтметра типа Щ-31 измеряют сопротивление датчика в авух взаимно перпенаикулярных направлениях при приложенном аеформирующем усилии йри температуре работы аатчика межау контактами 1 и 2 (Р.) (T) = 21 10,6 Ом) и контактами 3 и 4 (К() (Т) = 687, 8 Ом), В соответствии с преалагаемым способом, далев вычисляют величину проаольного сопротивления неаеформированного датчика при температуре работы датчика по формуле

aSR<-R„ в„щ= "= ив,s ом.

Затем иэ опреаеленного значения

Ri (Т) и используя граауировочную кривую, представленную на фиг. 2, кривая 1, определяют искомую величину температуры

Т - 273+0,1К.

Слеаующей операцией является опреаеление величины коэффициента пьезосопротивлеиия при температуре работы датчика

Л" (273 K). исхоая иэ установленного значения температуры и граауировочной кривой Я"(Т), представленной на фиг. 2, кривая 2:

Л"(273 К) 62,0 10" кг см .

5 9З2282 6 и ющего .силия, величину сопротивлеИ наконец, иэ установленных значений мирующ у и т ния датчика, соответствующую измеряе,ли (273 К) и Р1(Т) и известного выра- ния датчика, соотв жения К„(Т,)()

) = „(Т) (1 + 3п (Т))(1 мой температуре находят по формуле определяют величину деформирующего ycu- . ASR<(T,õ}- R„(T,н} лия, воздействующего на объект при тем- R,(т}=

6-< пературе Т искомую температуру определяют по заи имости сопротивления датчика от темЬЯ (т х)-ASQ (т ) ® 1 и 1 пературы, а величину деформирующего щ усилия находят по формупе

"- -ИБ Кг/ñè ьй„(т,х) — АьЯ (т,х}

)(к,т х)

Знак - свидетельствует о деформации yttt(T} ЬЯ (Т,X)- „() сжатия.

„() и Р ((Т х) )- измеренные

Точность измерения температуры с tде р (Т,х) и Я (Т,х) помощью термотензоаатчика по пред- сопротивления аатч P чика в и одольном и лагаемому способу может быть доведе- поперечном направления р влениях п и воэаействии на ао + 0 01,К, а точность измерения температуры и деформирующе у ми юпфго усилия

I аеформирующего усилия - 500 г/см "атус коантиипиент, риеный отноше при этом измерение температуры и уси- A = лия производится одновременно, без вза- уе "тбуп ения датчика в нию величины сопротивления датчик имного влияния на точность. продольном направлении чине сопротивления датчика в поперечном е н и я направлении К (То) при температуре окру(Т ) мирующего усилия;

Способ определения температуры и и даформируюшето усилии, ааютюеаюиейси и g отноше не коЫа п

Я (Т измерении температурной зависимости co- - (p) противления монокристаллического п п оллического ttottyttpo» пьеэосопротивпения датчика в двух взаимновоаникового датчика в продольном направ Зп перпендикулярных направлениях; ленин при отсутствии деформирующего f) (T) - коэффициент пьеэосопротивлеусилия, измерении зависимости conpo- - ния датчика в направлении его ориентации тивлдния датчика в том же направлении при.искомой температуре, определяемый. от величины деформирующего ycmams, op" по температурной зависимости коэффиентиРовании датчика паРаллельно.йайРавле» пиента в продольном направлении. нию усилия, измерении сопротивления аатчи- Источники информации, ка вдоль этого направления при воздействии принятые во внимание при экспертизе иэмеРЯемого дефоРмиРУющего Усилиа, D т - 1. Лукин g. P. и др. Применение полул и ч а ю шийся тем, что, с целью новы провоаниковых тенэорезисторов для оановрещения точности измерения, измеряют со» и менного измерения деформации и температупротивление однородного монокристалличес- ры. Тезисы доклада Всесоюзной научно-техкого полупроводникового датчика при тем-:нической конференции "Состояние и перспекпературе окружающей среды (Т ) в от- тивы развития электротензометрии, 1973 сутствии деформирующего усилия в попе- Л., с. 19-20. речном направлении, затем измеряют со- gg 2. Дрожжин А. И. и др. Малогабаритпротивление датчика в двух взаимно пер- ные датчики температуры и деформации. ш ° пендикулярных направлениях при воздей- "Приборы и техника эксперимента . 1977у ствии измеряемых температуры и аефор- 14 5, с. 216»218 (прототип).