Преобразователь перемещения Советский патент 1983 года по МПК G01B7/00 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может -быть использовано, в частности, для измерения перемещений.

Известны реостатные преобразователи перемещений, содержащие резистивный элемент и контактирующий с ним съемный элемент, при относительном перемещении которых формируется сигнал, пропорциональный этому перемещению 1 .

Недостатком реостатных преобразователей перемещения является погрешность измерения, обусловленная ступенчатым изменениемсопротивления, при перемещении съемного элемента, и наличие трущегося контакта, приводящего износу преобразователя и появлению погрешности, связанной с изменением контактного сопротивления.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является преобразователь перемещения, содержащий источник постоянного магнитного поля, размещенный в нем полупроводниковый элемент с двумя торцовыми токовыми контактами и с двумя боковыми потенциальными электродами, и источник питания постоянного тока, подключенный через резистор к указанным контактам12.

Полупроводниковый элемент преобразователя выполнен из германия и представляет собой датчик Холла, который размещается перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.

Недостатком такого преобразователя является нестабильность ЭДС на

10 выходе датчика Холла, обусловленная различными гальвано- и термомагнитными явлениями, характерньми для датчиков этого типа, и обусловленная этим низкая точность измерения.

15

Цель изобретения - повышение точности преобразователя перемещения.

Поставленная цель достигается тем, что преобразователь перемещения, содержащий источник постоянного магнит20ного поля, размещенный в нем полупроводниковый элемент с двумя торцовыми токовыми контактами, и источник питания постоянного тока, подключенный через резистор к указанным контактам,

25 снабжен емкостным зондом и фазометром, полупроводниковый элемент вьшолнен стержневым и размещен вдоль силовых линий магнитного поля, один из его токовых контактов выполнен инжекти30рующим и образует смещенный в прямом направлении p-n переход, емкостный зонд установлен с возможностью пере мещения вдоль боковой поверхности стержневого полупроводникового элемента, а фазометр соединен одним входом с резистором, а вторым входом - с емкостным зондом. На фиг. 1 представлена принципиальная схема преобразователя переме щения ; на фиг.. 2 - кривая распределения поперечного потенциала V по длине L стержневого полупроводников го элемента. Преобразователь перемещения соде |Жит источник 1 постоянного магнитно то поля, вдоль силовых линий которо ,,го размещен стержневой полупроводни ковый элемент 2, снабжённый с торцов омическим и инжектирующим контакта. ми 3. Источник 4 питания постоянного тока подключен к полупроводниковому элементу 2 через резистор 5 в такой полярности, чтобы образованный с поJмощью инжектирующего контакта в телб полупроводникового элемента р-п переход был смещен в прямом направлеНИИ. У боковой поверхности полупроводникового элемента 2 размещен емкостный зонд б, присоединенный к одному из входов фазометра 7. Второй вход .фазометра 7 связан с резистором 5. Преобразователь перемещения рабо ает следующим образом. За счет размещения полупроводнико вого элемента 2 в постоянном магнитном поле параллельно его силовым линиям и созданию в теле этого элемента продольного электрического поля путем приложения к его токовьм контактам напряжения постоянного тока, смещающего р-п переход в полупроводниковом элементе в прймом направлении, в этом элементе образуется электронно-дырочная плазма. Вследствие винтового движения носителей заряда (электронов и дырок) при повышении напряженностей электрического и маг.нитного полей выше соответствугацих критических значений возникает эффек самовозбуждения, при котором происходят колебания тока в теле полупроводникового элемента и колебания электрического потенциала на его боковой поверхности, имеющие одинако вую частоту. Частота этих колебаний зависит от величин критической напряженности электрического и. магнитного полей, поперечного размера стержневого элемента 2, параметров электронно-дырочной плазмй, таких как концентрация и подвижность носителей заряда, от удельного сопротивления полупроводникового материала и может принимать значения от единиц до десятков кГц. Колебания тока в теле полупроводникового элемента 2 контролируются с помощью резистора 5, включенного в цепь источника 4 питания последовательно с полупроводниковым элементом, а колебания поперечного напряжения на его боковых поверхностях снимаются бесконтактно - с помощью емкостного зонда б, Сигналы, снимаемые с резистора 5 и емкостного зонда б, сравниваются по фазе в фазометре 7. Так как сигнал, вьщеляющийся на резисторе 5, имеет неизменную начальную фазу, которая не зависит от положения зонда б, а начальная фаза колебаний напряжения, снимаемого с зонда, изменяется в зависимости от его положения X и определяется частотой колебаний и временем прохождения винтовой волны от точки с нулевой фазой -(к которой подключен резистор, начальная фаза колебаний в которой принята за нулевую) до местоположения зонда 6, то фазометр 7 измеряет разность фаз й(х) между напряжениями, снимаемыми с резистора и зонда б. Эта разность (х) является функцией положения зонда. Фазометр может быть непосредственно проградуирован в единицах измеряемого перемещения, диапазон перемещения зонда определяется длиной стержневого полупроводникового элемента 2 и скоростью распространения в нем винтовой волны. В общем случае диапазон измеряемых перемещений и рабочий участок на кривой распределеиия поперечного потенциала V (амплитуды винтовой волны - фиг, 2) по длине L стержневого полупроводникового Элемента опре-, деляются условием, согласно которому разность фаз колебаний напряжений, снимаемых с резистора 5 и зонда 6, не должна превышать 2Л. - для предотвращ ения неоднозначности в отсчете показаний фазометра 7. Диапазон перемещений зависит от длины полупроводникового элемента, параметров полупроводниковой плазмы; скорости распространения винтовой волны,Величин напряженностей электрического и магнитного полей, частоты колебаний напряжения и тока в режиме самовозбуждения полупроводникового элемента. Практически на образце, выполненном из германия п-типа длиной 10 мм с удельным сопротивлением 0,45 Ом, при индукции магнитного поля г0,ЗТ и напряженности электрического поля 20 В/см получена частота fg колебаний, равная 30 кГц, а1рабочий участок измерения перемещений соответствует диапазону разности фаз от О до 280. За счет использования фазочастотного метода обработки сигналов, снимаемых с предлагаемого преобразователя, повышается точность измерений перемещений и устраняются погрешности, вызываемые вышеуказанными гальвано- я термомагнитными эффектами в теле полупроводникового элемента.

Формула изобретения

Преобразователь перемещения, соцержащий источник постоянного магниТ ного поля, размещенный в нем полупро водниковый элемент с двумя торцовыми токовыми контактами,, и источник питания постоянного тока, подключенный через резистор к указанным контактам, о тличающий тем, что, с целью повышенияТОЧНОСТИ, он снабжен емкостным зондом и фазометром, полупроводниковый элемент выполней стержневым и размещен вдоль силовых линий магнитного поля, один из его токовых контактов выполнен инжектирующим и образует смещенный в прямом направлении р-п переход, емкостный зонд установлен с возможностью перемещения вдоль боковой поверхности стержневого полупроводни;кового элемента, а фазометр соединен одним входом с резистором, а вторым входом - с емкостным зондом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

вицкого. Л., Энергия , .1975, с.259,

Х