Распределенный тензочувствительный элемент Советский патент 1991 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике измерения деформаций.

Цель изобретения - повышение чувствительности за счет большего изменения конфигурации линий равного тока при деформации.

На фиг. 1 приведена простейшая модель прототипа и ее эквивалентная схема; на фиг. 2 - конфигурация предлагаемого распределенного тензочувствительного элемента; на фиг. 3 - его простейшая модель из дискретных тензорезисторов; на фиг. 4 - зависимость отношения выходного напряжения элемента к выходному напряжению моста из четырех тензорезисторов от соотношения размеров сторон квадратной пластины и квадратных контактов при неизменных деформации и напряжении источника питания.

Предлагаемый распределенный тензо- чувствительный элемент состоит из квадратной полупроводниковой, например кремниевой пластины 1 со стороной квадрата А, причем толщина пластины 1 много

меньше стороны квадрата На концах одной диагонали пластины 1 расположены квадратные контакты 2 со стороной квадрата В, причем вершины контактов совпадают с соответствующими вершинами пластины 1. Контакты 2 предназначены для подключения источника питания. На концах другой диагонали расположены точечные контакты 3, являющиеся выходными контактами элемента.

Распределенный тензочувствительный элемент работает следующим образом.

В отсутствие деформации сопротивление каждого объема пластины 1 изотропно и одинаково по величине При подключении контактов 2 к источнику постоянного напряжения выходной сигнал, снимаемый с контактов 3, равен нулю из-за симметрии элемента относительно его диагоналей. Приложение, например, растягивающей силы к противоположным сторонам пластины 1 приводит к анизотропному изменению сопротивления ее элементарных объемов, при котором отношение сопротивления в направлении приложения сипы и гопротивлеСП

с

о

Ј

О 00 О

ния в перпендикулярном направлении отличается от единицы. Такое анизотропное изменение сопротивления как элементарных объемов, так и пластины 1 в целом, приводит к появлению выходного сигнала(напряжения), не равного нулю. При соответствующем выборе размеров пласти- ны 1 и контактов 2 можно получить выходной сигнал элемента, превышающий выходной сигнал моста из четырех тензоре- зисторов. В этом можно убедиться, рассмотревпростейшуюмодельраспределенного тензочувствительного элемента (фиг. 3), где резисторы R1 моделируют сопротивление элементарного объема элемента в направлении приложения растя- гипающей силы, а резисторы R2 - в перпен- дпкулярпом направлении. Используя методы теории цепей постоянного тока, можно получить зависимость выходного напряжения гппели от изменения сопротивления резисторов R1 и Н2/Эта зависимость описывается выражением:

U U,.

К -I- 9 К + 1

где U м - напряжение на выходе моста из четырех тензорезисгоров; K R1/R2.

При небольшом изменении сопротивления резисторов R1 и R2,обычном для тензо- чувствительных элементов, , ,2 UM.

Зависимость отношения выходных напряжений предлагаемого элемента (U) и моею из четырех тензорезисторов (UM) от отношения размеров В и А (фиг. 4) рассчитана на ЭВМ. Расчет выполнен для случая, когда сопротивление измерительного прибора, подключенного к контактам 3 (фиг. 1) велико.

Из фиг. 4 следует, что в случае точечных контактов а диагонали питания (), т.е. в прототипе, выходное напряжение элемен0

5

0

5

0

5

0

та меньше, чем выходное напряжение моста из четырех тензорезисторов. С увеличением отношения В/А выходное напряжение элемента возрастает и при ,25 становится равным выходному напряжению моста. При ,5 происходит смыкание контактов диагонали питания в центре элемента и он теряет свои тензочувствительные свойства. Следовательно, отношение размеров В и А целесообразно выбирать в диа - пазоне 0,25 В/А 0,5. Необходимо, однако, иметь в виду, что с увеличением В при неизменном А уменьшается входное сопротивление элемента.

Чувствительность элемента повышается если размеры квадратных контактов и пластин соответствуют условию 0,25 В/А 0,5. Чувствительность повышается за счет изменения конфигурации линий равного тока и связанных с ними эквипотенциалей.

Формула изобретения

Распределенный тензочувствительный элемент, выполненный в виде квадратной пластины с двумя точечными выходными контактами и двумя контактами для подключения источника питания, с расположением каждой пары на соответствующих концах диагоналей квадрата, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет большего изменения конфигурации линий равного тока при деформации, контакты для подключения источника питания выполнены в виде квадратов и расположены так, что две стороны каждого квадрата совпадают с соответствующими сторонами квадрата пластины, а отношение сторон квадрата контакта и квадрата пластины выбирают из соотношения

0.25 В/А 0,5 где В - сторона квадратного контакта;

А - сторона квадратной пластины.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технике измерения деформаций Цель изобретения - повышение чувствительности за счет большего изменения конфигурации линий равного ю- ка при деформации. Элемент состоит из квадратной полупроводниковой пластины, у которой два выходных контакта - точечные, а входные выполнены в виде квадратов, две стороны которых совпадают с двумя сторонами пластины. Доказано, что соотношение сторон находится в пределах 0,25 ,5, где А - сторона пластины; В- сторона контакта 4 ил

а

R6

Фиг.2 U/UM

и w

W

0,6

w

0,2

о

Фиг

/

/

/

/

/

0,1 0,2 Q3 № в/А

Фиг.З

/

/