Способ определения температуры и деформирующего усилия Советский патент 1982 года по МПК G01K7/16 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЕФОРМИРУЮЩЕГО УСИЛИЯ Изобретение относится к термометрии и может быть применено для одновременного измерения температуры и деформиру щего усилия. Известен способ огфеделения температуры и деформирующего усилия, заключающийся в измерении зависимости сопро тивления полупроводникового датчика от величины деформирующего усилия и последующем вычислении искомых величин l. Однако известный способ не обладает требуемой точностью измерения из-за погрещности, обусловленной влиянием температуры на деформация, и наоборот, влиянием деформации на из)еоение температуры. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения температуры и деформирующего усилия, заключающийся в измерении температурной зависимости сопротивления монокристалли- ческого полупроводникового датчика в продольном направлении при отсутствии деформ1фующего усилия, измерении зависимости сопротивления датчика в том же нагфавлении от величины деформирующего усилия, ориентировании датчика параллельно направлению усилия, измерении со14)отивления датчика вдоль этого натфавления при воздействии измеряемого деформирующего усилия 2. Однако и этот способ не обладает требуемой точностью измерения, так К61К он не позволяет исключить влияние деформирующего усилия на погрещность измерения температуры и исключить влияние температуры на измерение деформации. Цель изобретения - повыщение точности измерения. Указанная цель достигается тем, что измеряют сощэотивление .однородного монокристаллического полупроводникового датчика при температуре окружающей срецы (TQ) в отсутствии деформирующего усилия в поперечном направлении, затем измеряют сопротивление датчика в двух взаимно пэрпенаикулярных направленияк при вовпвйсгвии намеряемых температур и аеформирующего усилия, величину сопротивления датч1яка, соответствуюЗцгю меряемой температуре, накопят по формулеABR,l(T,x)-fi,(T,x) )г. искомую температуру определяют по зав симости сопротивления датчика от температуры, а величину деформирующего ус лия находят по формуле ; ., j BRiiT,X)-A6PaiT,y) лЧт) Аья(т,х)-«,ст,хГ; где R (Т, х) и RQ(T, х) - измеренные со1фотивления датчика в щюдольном и поперечном направлениях г|)н воздействии температуры н деформирующего усилия; А RI(TO) п - гг--- U коэффициент, равный отно г Ошению величины сопротивления датчика в хфодольном натфавлении R,, (Т) к величине сопротивления датчика в поперечном нащ)авлении Rn (Тр) 1фи температуре окружающей среды (Т) в отсутств дефс мируюшего усилия; Т И / I I ft г ,..,, V QJ , - отношение коэффициент (.TO) пьезосопротивления датчика в двук взаим но перпендикулярных направлениях П (т) - коэффициент пьезосоп ютивления датчика в направлении его qpHe тации при искомой температуре, определяемый по температурной зависимости коэффициента в 1фодольном на1фавлении. На фиг, I и 2 1фиведены градуировочные кривые полупроводникового датчика. Полупроводниковый (германиевый) дат чик имеет вид параллелепипеда размерами 8Х 1,, О,8 мм, имеет торцовые контакты 1 и 2, расположенные вдоль оси, а также снабжен дополнительными эквипотенциальными контактами 3 и 4 на боковых гранях. Контакты 3 и 4 расположень на линии, п пендикулярной нахфавлению расположения первых контактов 1 и 2. Измерение температуры и деформирую щего усилия с помощью предлагаемого способа и конструкции термотензодатчика проводят при следующей последовательно- сти операций. Вначале измеряют при ком натной температуре (300 К) сопротивление однородного датчика в двух взаимно : 11ерпендякулярных насфавлениях между контактами 1 и 2 (R,(300K) . 2520,1 Ом) и 3 и 4 () 8О4,20м) в отсутствии деформирующего усилия. Находят коэффициент А R(300K)/ RQ {300K) 3,13. Далее при ЗОО К проводят измерение зависимости изменения сопротивления датчика в продольном и поперечном направлениях до величины приложенного вдоль Датчика деформирующего усилия и в области линейной зависимости определяют коэффициенты пьезосопротивления J (300 К) 43,0, J7-(300K) -&,8. Расчитывают коэффициент В )( ЗОО К) /Л ( 300 К) - 7,41. Затем измеряют температурную зависимость сопротивления недеформированного датчика между контактами 1 и 2 (R(T)) и температурную зависимость коэффициента пьезосопротивления Л(Т) и строят градуировочные кривые (фнг. 2, кривые 1 и 2 соответственно). Далее приклаЙываюг одноосную нагрузку вдоль оси датчика (при проверке точности способа она была заранее известна и равна 300 кг/см ) и понижают температуру термотензодатчика в криостате др 273 К. С помощью цифрового универсального вольтметра типа Щ-31 измеряют сопротивление датчика в двух взаимно перпендикулярных направлениях при приложенном деформирующем усилии при температуре работы датчика между контактами 1 и 2 (Rl (Т) 2110,6 Ом) и контактами 3 и 4 ((r) 687,8ОмУ. В соответствии с предлагаемым способом, далее вычисляют величину продольного сопротивления недеформированного датчика при температуре работы датчика по формуле ЛВЯ( R 1И9,80м. Затем из определенного значения (Т) и используя градуировочную криую, представленную на фиг. 2, кривая 1, пределяют искомую величину температуры 273 + 0,1 К. Следующей операцией является опредеение величины коэффициента пьезосопроивления при температуре работы датчика f(273K). исходя из установленного начения температуры и градуировочной ривой (Т), представленной на фиг. 2, ривая 2: 31(273 К) 62,0 1О кг -см . И, наконец, из установленных значений 3i(273K) и R,(fl и известного выражения R(T,X) R,(T) 1 + Л (Т)ХЗ определяют величину аеформируюздего усн ЛИЯ, воздействующего на объект при температуре Т 8й(т,х)) ЗГЧТ) ,),x) -295кг/см Знак - свидетельствует о деформации сжатия. Точность измерения температуры с помощью термотензодатчика по предлагаемому способу может быть поведена до i, СХО К, а точность измерения деформирующего усилия - 50О г/см, при этом измерение температуры и усилия производится одновременно, беа взаимного влияния на точность. Формула изобретения Способ определения температуры и деформирующего усилия, заключающийся в измерении температурной зависимости сопротивления монокристаллического полупро водникового датчика в продольном направлении при отсутствии деформирующего усилия, измерении зависимости сопро тивлёния датчика в том же направлении от величины деформирующего усилия, ори ентировании датчика параллельно направле ншо усилия, измерении сопротивления датч ка вдоль этого направления при воздействи измеряемого деформирующего усилия, отличающийся тем, что, с целью повы шения точности измерения, измеряют сопротивление однородного монокристалличе кого полупроводникового датчика при тем пературе окружающей среды (Т) в отсутствии деформирующего усилия в поперечном направлении, затем измеряют сопротивление датчику в двух взаимно перпендикулярных направлениях при воздействии измеряемых температуры и дефорирующего усилия, величину сопротивлеия датчика, соответствующую измеряеой температуре находят по формуле ,x).fi,(T,x; , искомую температуру определяют fto зависимости сопротивления датчика от температуры, а величину деформирующего усилия находят по формуле ,xbA&g(i(.T,x) ) ,x).V) где 1(Т,х) и R,j(T,x) - измеренные сопротивления датчика в продольном и поперечном направлениях при воздействии температуры и деформирующего усилия А коэффициент, равный отношеRI O) нию величины сопротивления датчика в продольном направлении R (Т) к величине сопротивления датчика в поперечном направлении Р((Т0) при температуре окружающей среды (Тд) в отсутствии деформирующего усилия; ft- отношение коэффициентов ЛЧТо). пьезосопротивпения датчика в двух взаимноперпендикулярных направлениях; ) - коэффициент пьезосопротивления датчика в направлении его ориентации при искомой температуре, определяемый, по температурной зависимости коэффициента в продольном направлении. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Лукин В. А. и др. Применение полупроводниковых тензорезисторов для одновременного измерения деформации и температуры. Тезисы доклада Всесоюзной научно-технической конференции Состояние и перспективы развития электротензометрии, 1973, Л., с. 19-2О. 2.Дрожжин А. И. и др. Малогабаритные датчики температуры и деформации. Приборы и техника эксперимента . 1977, N 5, с. 216-218 (прототип).