Способ определения деформаций и температуры Советский патент 1992 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для автономного и дистанционного определения деформации и температуры первичных преобразователей механических величин на основе нитевидных монокристаллов (НК) полупроводников.

Известен способ измерения деформаций при переменных температурах проволочными тензодатчиками. Температурное приращение сопрютивления исключается за счет введения соответствующей поправки, определяемой по предварительно изученной кривой температурного приращения сопротивления данной партии датчиков. Для этого в процессе измерения деформаций измеряется также и температура тензодатчика, обычно термопарами или термометрами сопротивления. Однако при известном способе точность определения деформаций и температур относительно невелика.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения деформаций и температур первичных преобразователей на основе НК кремния. В известном способе контролируемые физические параметры регистрируются методом электросопротивления по разбалансу мостовой схемы, в смежные плечи которой включаются первичные преобразователи на основе НК. Последние жестко механически закрепляются и электрически изолируются на обьекте. Используются НК кремния р- и п-типа проводимостей с ориентацией осей роста и соответственно.

Предварительно определяют градуировочные зависимости электрического сопротивления нитевидного полупроводникового монокристалла от деформации и температуры, закрепляют монокристалл на объекте измерений и в процессе работы объекта измеряют его электросопротивление, по которому с учетом градуировочных зависимоетай определяют деформации и температуру объекта.

Однако точность независимого определения деформаций и температуры существенно снижается в условиях протекания необратимой пластической деформации в НК.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона дистанционных автоматизированных измереНИИ путем учета структурных изменений в монокристалле.

Поставленная цель достигается тем, что в процессе градуировки и в процессе измерений контролируют внутреннее трение монокристалла, с учетом величины которого и определяют деформации и температуру объекта. НК полупроводников, например кремния и германия, имеют высокое совершенство кристаллической структуры и прочностъ, приближающуюся к нижнему пределу теоретически рассчитанной прочности твердого тела. НК в исходном состоянии являются безДислокационными.

Нитевидные кристаллы полупроводников способны выдерживать деформации 1 %, а необратимые изменения, вызванные пластической деформацией, наступают при Е (0,2 - 0,3) %. Пластическое течение НК приводит к изменению злектросопротивления и отрицательным образом сказывается на погрешности измерений контролируемого физического параметра. Граница перехода из упругой области в область микропластичности зависит от многих технологических параметров, и в частности, от условий нагружения НК. Зафиксировать эту грань только лишь методом электросопротивления практически невозможно. Ре.ально это можно осуществить только совокупным использованием высокочувствительного метода внутреннего трения и метода электросопротивления.

На фиг,1 и 2 приведены нормированные завимости внутреннего трения и электросопротивления от величины деформации, протекающей по нитевидному монокристаллу полупроводника.

На фиг.1 и 2 введены следующие обозначения: I - упругая область: И - область

микропластичности; Еупр - упругая деформация; QO . RO - исходные значения внутреннего трения Q и электросопротивления R при 300 К; ДЯ - изменение исходного значения электросопротивления RO в упругой области деформации Е; ARi - изменение электросопротивления R в области микропластичности; ДО - изменение исходного значения внутреннего трения Qo в области микропластичности.

В упругой области деформаций величина внутреннего трения постоянна, а электросопротивление монотонно возрастает. При переходе в область микропластичности наблюдается нелинейный рост внутреннего трения и электросопротивления, который объясняется ухудшением кристаллической структуры в приповерхностном слое НК,

Способ осуществляют следующим образом,

Из ростовой партии отбирают два идентичных НК, например НК длиной 10 м. и делят пополам, один из которых служит эталонным, другой - измерительным. По эталонному НК определяют семейство характеристик ), ), (E), (T), где Q - внутреннее трение; Е деформация; R - электросо.противление: Т температура.

Совместным анализом на ЭВМ (типа Электроника) определяют тарировочную зависимость (таблица), которая заносится в память ЭВМ. Измерительный НК закрепляют на объекте, обеспечивают электрический контакт с измерительной аппаратурой. Информацию, поступающую с измерительного НК, постоянно сравнивают с тарировочной зависимостью (таблицей), полученной на эталонном НК. В процессе градуировки ив процессе измерений на объекте контролируют внутреннее трение монокристалла, с учетом величины которого и определяют деформации и температуру обьекта. При составлении градуировочной зависимости (таблицы) учитывают, что в упругой области деформаций величина внутреннего трения постоянна, а электросопротивление монотонно возрастает. При переходе в область микропластичности наблюдается нелинейный рост внутреннего трения и электросопротивления, который объясняется ухудшением кристаллической структуры в приповерхностном слое НК. Внутреннее трение регистрируют, используя известные методики (низкочастотную или высокочастотную).

Наличие необратимых пластических изменений 8 монокристалле характеризуется началом возрастания внутреннего трения.

v1

v4

например. Q 2 10. Последнее может быть зарегистрировано как при использовании НЧ, так и ВЧ методик, которые сопоставимы по показаниям внутреннего трения, но существенно различаются по технике исполнения.

Повышение точности, например при измерении деформации в условиях протекания пластической деформации (,5- 0,6%), обеспечивается снижением ошибки измерений с 10% в известном до 0,01% в изобретении. Последнее достигается комплексом мер описанных ранее. .

Изобретение при дистанционной передаче информации зффективно в полевых и др. жестких и автономных условиях эксплуатации (вулканология, геология, метеорология. океанология и др.).

-f

№

Формула изобретения Способ определения деформаций и температуры, заключающийся в том, что предварительно определяют градуировочиые зависимости злектрического сопротивления нитевидного полупроводникового монокристалла от деформаций и температуры, закрепляют монокристалл на объекте измерений и в процессе работы объекта измеряют его электросопротивление, по которому, с учетом градуировочных зависимостей, определяют деформации и температуру объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона Дистанционных автоматизированных измерений путем учета структурных изменений в монокристалле, и в процессе градуировки, и в процессе измерений на объекте контролируют внутреннее трение в монокристалле, с учетом величины которого и определяют деформации и температуру объекта.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для автономного и дистанционного определения деформаций и температуры первичных преобразователей механических величин на основе нитевидных кристаллов (НК) полупроводников. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона дистанционных автоматизированных измерений путем учета структурных изменений в монокристалле. Для этого в процессе градуировки и измерений на объекте контролируют внутреннее трение в монокристалле, с учетом величины которого и определяют деформации и температуру. Контроль достоверности осуществляется автономно при использовании дистанционной передачи информации и микроэвм. Изобретение может найти применение в медицине, метеорологии, вулканологии и других областях науки и техники, где требуются прецизионные измерения. 2 ил.слс