- •В. Н. Седалищев Физические основы получения измерительной информации с использованием генераторных и параметрических первичных преобразователей Учебное пособие
- •Введение
- •Глава 1
- •1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •1.1 Понятие информации. Разновидности информации
- •1.2 Количественная оценка информации
- •1.3 Связь понятий энергии и информации Информационный подход к анализу физических процессов
- •1.4 Применение энерго-информационного подхода к анализу физических процессов
- •Аномалии физических и химических свойств воды
- •1.5 Связь теории информации с теорией измерений
- •Количественная оценка измерительной информации
- •Естественные пределы измерений
- •1.6 Причины наличия ограничений количества информации, получаемой при измерениях
- •Разновидности шумов и причины их появления
- •1.7 Способы повышения информативности измерительного процесса
- •1.8 Общая характеристика этапов измерительного преобразования
- •Метрологические характеристики измерительных преобразователей
- •1.2 Классификация физических эффектов и областей их применения в измерительной технике
- •«Фундаментальное единство» природы. Метод электромеханических аналогий
- •Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Физические основы создания электромеханических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3 Пьезоэффект и его применение в измерительной технике
- •2.3.1 Теоретические основы построения пьезоэлектрических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3.3 Ээсз пьезоэлектрического преобразователя генераторного типа
- •2.3.4 Физические основы работы пьезорезонансных измерительных преобразователей
- •2.3.2 Электрострикция и области применения ее в измерительной технике
- •2.4 Физические основы создания термоэлектрических измерительных преобразователей
- •2.4.1 Пироэффект и применение его в измерительных устройствах
- •2.4.2 Термоэлектрические эффекты в проводниках и полупроводниках
- •2.4.3 Особенности практической реализации термоэлектрических эффектов в измерительных устройствах
- •2.5 Гальваномагнитные эффекты и применение их в измерительных устройствах
- •2.5.1 Эффект Холла и применение его в измерительных устройствах
- •3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •3.1 Принципы построения и разновидности резистивных измерительных преобразователей
- •3. 2 Физические основы создания пьезорезистивных преобразователей контактного сопротивления
- •3.3 Физические основы создания тензорезистивных проводниковых измерительных преобразователей
- •3.4 Физические основы полупроводниковых тензорезистивных преобразователей
- •3.6 Физические основы магниторезистивных измерительных преобразователей
- •3.7 Физические основы работы проводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.8 Физические основы создания полупроводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.9 Физические основы создания фоторезистивных измерительных преобразователей
- •3.10 Физические основы применения явления сверхпроводимости в измерительных устройствах
- •3.10.1 Свойства сверхпроводников
- •3.10.2 Квантово-механическая теория сверхпроводимости
- •Объяснение понятий экситона и поляритона
- •3.10.3 Применение явления сверхпроводимости в измерительной технике
- •3.10.4 Эффект Мейснера и его практическое применение
- •3.10.5 Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона и применение их в измерительной технике
- •4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •4.1 Полярографический эффект в растворах и применение его в измерительных устройствах
- •4.2 Физические основы работы кондуктометрических измерительных преобразователей
- •4.3 Применение в измерительной технике электрокинетических явлений в растворах
- •4.4 Принципы работы гальванических измерительных преобразователей
- •5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •5.1 Принцип работы магнитоиндукционных измерительных преобразователей генераторного типа
- •5.2 Теоретические основы создания индуктивных измерительных преобразователей
- •5.3 Принцип работы вихретоковых измерительных устройств
- •5.4 Физические основы магнитомодуляционных измерительных преобразователей
- •Эффект Виганда
- •5.5 Физические эффекты, связанные с модуляцией магнитных характеристик материалов
- •Пример реализации магнитострикционного эффекта в датчиках линейных перемещений
- •Принцип работы устройства
- •Дополнительные эффекты, возникающие в магнитомодуляционных преобразователях
- •5.6 Физические основы создания магнитоупругих измерительных преобразователей
- •5.7 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков от влияющих факторов
- •6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •6.1 Модуляция геометрических размеров емкостных преобразователей
- •Принципы работы емкостных измерительных преобразователей
- •Емкостной преобразователь с переменной площадью обкладок
- •6.2 Физические основы емкостных измерительных устройств, основанных на модуляции диэлектрических свойств веществ
- •6.2.1 Строение материалов
- •6.2.2 Виды связей и механизмы поляризации диэлектриков
- •6.2.3 Влияние агрегатного состояния вещества на его диэлектрические свойства
- •6.2.4 Примеры практической реализация емкостных измерительных устройств, основанных на управлении диэлектрической проницаемостью веществ
- •7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Глава 1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •Глава 2. Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Глава 3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •Глава 4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •Глава 5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •Глава 6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •Глава 7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Перечень физических эффектов
3.4 Физические основы полупроводниковых тензорезистивных преобразователей
Полупроводники характеризуются нелинейной зависимостью сопротивления по отношению к плотности тока и величине механических воздействий. Поэтому для математического описания механизма тензочувствительности полупроводников можно воспользоваться разложением в ряд Тейлора функциональной зависимости напряженности электрического поля в полупроводнике от величины плотности протекающего по нему тока и величины механических напряжений, создаваемых в материале под действием измеряемого усилия. При этом ограничимся первым приближением с учетом только первых составляющих ряда;
(3.9)
(3.10)
Используем следующие обозначения:
- удельное сопротивление материала,
- пьезомодуль;
- зависимость удельного сопротивления от плотности тока;
- зависимость пьезомодуля от величины механического
напряжения в материале;
- зависимость пьезомодуля от плотности тока;
- зависимость удельного сопротивления от величины
механического напряжения в материале,
- пьезорезистивный коэффициент.
- пьезорезистивный коэффициент относительной
тензочувствительности.
Закон Ома для измерительной цепи с тезорезистором имеет вид:
. (3.11)
Таким образом, коэффициента относительной тензочувствительности полупроводникового преобразователя можно определить по формуле:
(3.12)
Для расчета и проектирования тензорезистивных преобразователей используют матрицы значений пьезорезистивных коэффициентов.
Таблица 3.1
Тензорезистивный коэффициент |
p - Si |
n - Si |
() |
+6,6 |
-102,2 |
() |
-1,1 |
+53,4 |
() |
+138,1 |
-13,6 |
На основании полученных соотношений можно сделать следующие выводы и сформулировать рекомендации по конструированию полупроводниковых тензорезистивных преобразователей:
тензопреобразователи нужно ориентировать так, чтобы эффект в одном направлении принял максимально возможное значение;
тензочувствительность зависит от концентрации и типа примесей в материале полупроводника, а также от температуры и величины механических напряжений в материале;
при рациональном выборе типа среза монокристалла для создания чувствительных элементов можно изготавливать преобразователи нечувствительные к поперечным и сдвиговым деформациям.
При больших усилиях и повышенных рабочей температуры чувствительность преобразователя снижается. Поэтому для коррекции температурных зависимостей тензорезисторов необходимо применять дифференциальные методы измерения.
Рис. 3.5 Нелинейная зависимость коэффициента тезочувствительности полупроводников от измеряемого воздействия и изменения температуры.
Тензорезистивный эффект широко используется не только для измерения усилий, деформаций, давлений, но и ряда других физических величин. При этом в качестве измерительной схемы устройств чаще всего применяют мост Уитстона.
Рис. 3.6 Схема установки тензорезисторов для измерения крутящего момента вала.
Для объяснения физической природы механизма тензочувствительности полупроводников используется теоретическая модель «долин», суть которой заключается в следующем. В полупроводнике n-типа, имеющем кубическую структуру, вдоль каждой из трех осей куба существует минимальный энергетический уровень зоны проводимости, соответствующий «долине». При этом все три «долины» одинаково заполнены электронами. В «долине» подвижность электронов вдоль оси минимальна, а в перпендикулярном направлении максимальна. Согласно данной теории проводимость кристалла зависит от подвижности электронов, как в продольном, так и поперечном направлениях:
, , (3.13)
где n – концентрация носителей зарядов,
μ - подвижность носителей зарядов.
Внешнее механическое воздействие на полупроводник деформирует кристаллическую решетку и приводит к изменению заселенности «долин» Например, при растяжении кристалла вдоль оси «Х» часть электронов перемещаются в области долин, соответствующих осям кристалла «Y; Z», что приводит к изменению сопротивления по оси «Х». При этом также изменяется и подвижность электронов по определенным направлениям, что, в итоге, и определяет функциональную зависимость сопротивления кристалла от приложенного к нему измеряемого усилия.