Тензометрические полупроводниковые чувствительные элементы. Схемы включения тензорезисторов.

Тензорезистивные кремниевые датчики. Характеристики и параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления.

Обычно такой датчик изготавливают из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При изменении давления мембрана прогибается, и под действием пьезорсзистивного эффекта происходит изменение сопротивления резистивных элементов. Толщина мембраны, как и геометрическая форма резисторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого типа являются:высокая чувствительность;хорошая линейность;незначительные гистерезисные явления;малое время срабатывания;компактная конструкция;экономичная планарная технология изготовления.Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувстви-
тельности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.Область применения датчиков давления определяется возможным
диапазоном измеряемых давлений. Поскольку в этом случае максимальное выходное напряжение составляет лишь 0.1 В, для дальнейшей обработки сигнала его нужно усилить еще примерно до 1 В. Такое десятикратное усиление по напряжению с помощью стандартных операционных усилителей (741, LM358 и т.п.) не составляет проблемы, а поэтому согласование сигнала с измерительным прибором осуществляется легко. Для измерений с повышенной точностью следует дополнительно компенсировать температурную погрешность датчиков. Характеристики и параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления: В тензопреобразователях (ТП) чаще всего используется мостовая схема из тензорезисторов. За счет соответствующего расположения на мембране тензорезисторы R1 и R4 обладают одним знаком тензочувствительности, a R2 и R3 - противоположным. Общую точку резисторов R2 и R4 можно объединить с выводом подложки ИМС преобразователя. Преобразовательную характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения мостовой схемы и_Вых от приложенного к мембране избыточного давления q, для двух значений температуры Т₀ и Ti (рис. 2.16 б) определяют следующие параметры:Начальный разбаланс Uo - выходное напряжение тензорезистор- ной схемы при нулевом давлении (q=0) и температуре Т₀. Разбаланс вызван технологическим разбросом номиналов тензорезисторов, полученных в процессе изготовления ТП, а также начальной деформацией чувствительного элемента (ЧЭ). При разбросе номиналов 1 % и напряжения питания моста Еп в несколько вольт разбаланс составит, в худшем случае, несколько десятков процентов номинального выходного сигнала.2.Диапазон линейного преобразования Aq - область давлений, в которой выходной сигнал мостовой схемы Urhix линейно (с определенной степенью точности)зависит от значения q: где q'noM, q'noM - номинальные диапазоны линейного преобразования положительного и отрицательного избыточных давлений соответственно.Различные ТП имеют разные диапазоны линейного преобразования, которые изменяются в очень широких пределах от единиц кПа до сотен МПа. Нелинейность преобразовательной характеристики определяется несколькими причинами, которые условно можно разбить на три категории:а) нелинейность преобразования давления в механические напряжения; б) нелинейность пьсзорезистивного эффекта; в) нелинейность измерительной электрической схемы.3.Сдвиг преобразовательной характеристики q₀ обусловлен в различиях диапазона q'_H0M и q"noM линейного преобразования положительного и отрицательного давления. В свою очередь, указанное различие объясняется, во-первых, различной нелинейностью при подаче избыточного давления с разных сторон мембраны, во-вторых, начальной деформацией мембраны при нулевом давлении (q=0) и нормальной температуре (Т=Т₀). 4. Чувствительность ТП So (при температуре Т₀). Определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению приложенного давления, отнесенное к напряжению питания мостовой схемы. 5.Температурный дрейф нуля 8U_mo (%/град) - приращение выходного напряжения в отсутствии приложенного давления, отнесенное к номинальному значению выходного сигнала ивых. ном, при изменении температуры на 1 °С. 6.Температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) % (% /град) относительное изменение чувствительности при изменении температуры на ГС.Таким образом, реально существующие погрешности ТП определяются принципом работы и технологией изготовления. Поэтому для создания унифицированных датчиков, обеспечивающих полную взаимозаменяемость при установке в различные агрсгатированныс комплексы и системы. необходима настройка следующих параметров:напряжения Uo (балансировка мостовой схемы);номинального выходного напряжения (градуировка);дрейфа нуля в заданном диапазоне температуры;изменения чувствительности преобразователя с температурой.

Применение ДД: интегральные преобразователи давления с профилированной мембраной, интегральные преобразователи давления на основе гетероэпитаксиальных структур, интегральные кремниевые тензопреобразователи, преобразователь давления с подстроечными резисторами на кристалле.

Принципиальным отличием чувствительных элементов преобразователей ENDEVCO является то, что вместо однородной по толщине мембраны в них использованы специальным образом профилированные мембраны с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов. Это позволяет получить более высокую чувствительность при сохранении собственной резонансной частоты, либо увеличить резонансную частоту при сохраности чувствительности. Кроме того, это значительно увеличивает прочность мембраны. Принцип устройства такого чувствительного элемента на примере мембранного преобразователя давления. Жесткий центр мембраны, состоящий из двух островков пластины исходной толщины, сформирован анизотропным травлением. Узкая полоска между двумя островками и полоска между островком и "берегом" - толстым кольцевым основанием мембраны являются концентраторами механических напряжений, возникающих при воздействии избыточного давления. Интегральные преобразователи давления на основе гетероэпитаксиальных структур: Использование в ЧЭ гетероэпитаксиальных монокристалличсских полупроводниковых пленок на монокристаллических диэлектрических подложках открывает возможности улучшения ряда характеристик ТП. Конструктивно датчик состоит из тензопреобразователя на основе КНС-структуры, встроенного усилителя на основе серийных операционных усилителей УТ401 и корпуса. На основе КНС-структур созданы комплексы промышленных тензорезисторных датчиков "Сапфир" и "Сапфир-22", включающие датчики абсолютного и избыточного давлений, разрежения, разности давлений, расхода жидкостей и газов, уровня жидких сред. Комплекс "Сапфир-22" предназначен для взрывобезопасного производства и имеет улучшенные технико-экономические показатели. Интегральные кремниевые тензопреобразователи: В Гиредмете была разработана технология создания чувствительного элемента с применением электроэрозионной обработки и химического травления. Применение электроэрозионной обработки позволяет получить "стаканчик" цилиндрической формы глубиной до 0.5 мм. Толщина мембраны составляет 80 - 100 мкм. Тензорезисторы p-типа проводимости сформированы путем диффузии бора в эпитаксиальный слой n-типа проводимости с удельным сопротивлением 5-10 Ом. Тензорезисторы, расположенные в центре мембраны и на периферии, испытывают деформации разного знака. В разрыв между ТР можно включать балансировочные резисторы для устранения начального разбаланса. Кроме того, схема с двумя полумостами позволяет питать датчик не только от источника напряжения, но и от источника тока. Интегральный тензорезисторный преобразователь давления с круглой мембраной выполнен в виде круглого кристалла кремния, плоскость которого ориентирована в кристаллографической плоскости. На мембране выполнены три полные мостовые схемы. Краткая техническая характеристика: диаметр и толщина кристалла 3-0.3 мм; диаметр и толщина мембраны 10.01 мм. Преобразователь давления с подстроенными резисторами на кристалле: Чувствительными элементами являются тензорезисторы р-типа, изготовленные на мембране методом ионного легирования примесей. Объединение тензорезисторов в мостовую схему и электрическое соединение узлов моста с металлизированными контактными площадками, расположенными по периферии кристалла, осуществляется с помощью р'-слоя. На основании кристалла изготовлены также два идентичных магазина подстроечных резисторов, предназначенных для начальной балансировки мостовой схемы. Магазины включены в смежные плечи моста и содержат по шесть резисторов. Все подстросчные резисторы в исходном состоянии зашунтированы тонкими металлическими перемычками, под которыми отсутствуют токове- дущие дорожки из высоколегированного кремния. При осуществлении балансировки мостовой схемы для включения требуемых резисторов соответствующие перемычки могут либо разрушаться путем механического воздействия, либо пережигаться электрическим током или лазерным лучом. Прибор предназначен для измерения давлений в диапазоне (0-+3.3)-10⁴Па. Диапазон измеряемых преобразователем давлений может варьироваться в зависимости от толщины кремниевой мембраны от сотен Па до единиц МПа. Поэтому разработанный прибор может явиться основой для создания ряда миниатюрных измерителей давления не только для биофизических, но и для общетехничсских применений.

46.Датчики аэрогазодинамических давлений. Датчики предназначены для измерений нестационарных давлений на модулях, испытываемых в аэрогазодинамичсских установках в диапазоне от 0 - 0.022 МПа (0 - 0.22 кгс/см²) до 0 - 4.0 МПа (0 - 40 кгс/см²). Требования, характеризующие условия применения:температура окружающей среды от - 90 °С до +100 °С. Время воздействия температуры 10 мин;воздействие синусоидальных вибраций до 100 м с' в диапазоне частот 2000 Гц;давление измеряемой среды от 0 до Рном.Требования к электрическим параметрам:питание датчиков давления должно осуществляться от источника постоянного тока напряжением (6.0±0.06) В;электрическое сопротивление изоляции между корпусом датчика давления и контактами разъема при относительной влажности до 80 % и температуре окружающей среды (25±10)°С должно быть не менее 20 МОм;номинальный выходной сигнал при воздействии номинального давления должен быть в пределах (100±20) мВ;величина сопротивления диагоналей мостовой схемы должна быть47 - 1.8 кОм;начальный выходной сигнал должен быть в пределах ±5 мВ;время готовности датчиков давления к работе 30 с.Требования по надежности:время непрерывной работы датчиков давления в рабочих условиях применения должно быть не более 10 мин. Перерыв между включениями 70 мин;вероятность безотказной работы в условиях эксплуатации должна быть не менее 0.95;назначенный ресурс работы датчиков давления в рабочих условиях применения - 1 ч, в нормальных условиях применения - 100 ч.Основным узлом датчика давления является чувствительный элемент поз. 4, состоящий из кристалла, прикрепленного к бусе из стекла ИХС-10 методом электростатического соединения. Кристалл выполнен в виде профилированной мембраны размером 3x3 мм ориентации (100) из монокристаллического кремния, на которой методом диффузии сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую схему.Соединение тензомоста с колодкой поз. 2 осуществляется золотыми проводниками Кр. 3 л. 999.9 диаметром 0.05 мм, которые развариваются на контактные площадки схемы способом ультразвуковой сварки.Датчик давления заканчивается разъемом РГС 7 ТВ, на плате установлены подстроечные резисторы начального Uo и номинального Umom выходных сигналов.Функциональная схема датчика давления:

чувствительность к давлению мембранного преобразователя с мостовой тензорезистивной схемой и источником питания с напряжением Е. температурный дрейф нуля температурный коэффициент чувствительности датчика. При выборе формы упругого элемента необходимо учитывать следующее: форма упругого элемента, по всей длине полупроводниковых тензорезисторов деформация от воздействия усилия должна быть постоянной; уровень деформации выбирается так, чтобы при номинальной нагрузке и напряжении питания Е„ - 6 В на выходе получалось напряжение 100 мВ.

Новейшей разработкой в области датчиков магнитного поля является датчик Виганда [76]. Он состоит из предварительно обработанной механически проволоки из сплава «Викалой» (10% V, 52% Со, 38% Fe) диаметром

около 0,3 мм, намотанной в виде катушки длиной 15 мм, имеющей около 1300 витков. Если эту катушку поместить в магнитное поле, то при превышении определенной величины напряженности поля направление намагничивания спонтанно изменится. В результате этого изменения возникает импульс напряжения длительностью 20 мке и амплитудой около 2,5 В.

Достоинствами датчика Виганда являются: отсутствие необходимости в источнике питания, большая величина сигнала (несколько вольт), широкий температурный диапазон (минус 196...плюс 175°С), конструктивная защищенность от коротких замыканий, искробезопасность.

Изменение во времени импульса, возникшего в магнитно-бистабильной проволоке. Амплитуда и длительность импульсов не зависит от скорости изменения магнитного поля, гак что датчики указанного типа могут применяться при скоростях, даже близких к нулю. Поэтому индуктивные методы уступают в таких случаях данному способу измерения. применение такого датчика для измерения скорости вращения.

50. Гальваномагнитные явления. Характеристика основных гальваномагнитных эффектов.

Наибольшее техническое применение получили следующие гальваномагнитные явления: эффект Холла, эффект магнитосопротивления (называемый также эффектом Гаусса), магнитодиодный эффект. Другие гальваномагнитные явления - эффект Эттингсгау- зена и эффект Нернста не находят широкого практического приложения. Гальваномагнитные эффекты возникают под действием поперечного магнитного поля при протекании через образец электрического тока. В то же время для термомагнитных эффектов, сопутствующих гальваномаг- нитным, первичными являются тепловой поток и нормальное к нему магнитное поле. Величина продольных эффектов (кроме эффекта Гаусса) по сравнению с напряжением питания пренебрежимо мала. Поэтому кратко рассмотрим лишь поперечные эффекты, сопровождающие эффект Холла. Эффект Эттингсгаузена заключается в появлении поперечной разности температур под влиянием протекающего через образец тока и перпендикулярного к нему магнитного поля. В результате эффекта Эттингсгаузена в холловской пластине возникает термо-ЭДС, которая прибавляется к напряжению Холла. Поперечный эффект Нернста - Эттингсгаузена заключается в появлении поперечного напряжения в пластине под влиянием магнитного поля и теплового потока. Знак напряжения Нернста - Эттингсгаузена зависит от направления магнитного поля и не зависит от направления тока. Эффект Риги-Ледюка заключается в появлении поперечного градиента температуры в полупроводниковой пластине, в которой имеется продольный градиент температуры, при воздействии магнитного поля. В результате этого эффекта на потенциальных электродах датчика Холла (ДХ) появляется термо-ЭДС. Ее знак положительный для полупроводника р-типа и отрицательный для полупроводника п-типа.

Классификация гальвано- и термомагнитных эффектов:

При получении полупроводниковых пластин для ДХ в настоящее время используются следующие технологии: Выпиливание кристаллической пластины Холла требуемой конфигурации из монокристаллического бруска. В этом случае типовой технологический процесс состоит из следующих операций: вырезка пластины. Обычно пластины вырезаются на станках с вращающимся абразивным кругом, которым режут при помощи карборундового или алмазного порошка. Из вырезанных брусков дальнейшей резкой получают прямоугольные пластины с необходимым соотношением длин сторон. В последнее время также часто применяются магнитострик- ционные ультразвуковые установки. Особым преимуществом этого вида установок является возможность вырезания пластин почти любых форм; обработка поверхности пластин состоит из двух этапов. Первый - это механическая шлифовка и полирование, цель которых - устранение дефектов, возникших при резке пластин, и одновременно доводка толщины пластин до заданной величины. Толщина вырезанных пластин обычно бывает не менее 200-300 мкм (это обусловлено хрупкостью полупроводниковых материалов), однако конечная толщина пластин находится в пределах от 40 до 200 мкм. При меньшей толщине пластины ухудшаются основные параметры ДХ за счет увеличения рассеивания носителей заряда на дефектах поверхности и соответствующего уменьшения подвижности. Шлифовка проводится при помощи порошков - карборундовых (SiC), алундовых (АЬОз) либо алмазных с соответствующим диаметром зерен (от 30 до 0,1 мкм) на плитах стеклянных, металлических, а в конце - на плитах, покрытых специальными тканями. Вторым этапом обработки поверхности является химическое травление для окончательной очистки поверхности пластин; изготовление контактов к пластине. Контакты металл- полупроводниковый материал должны обладать следующими свойствами: а) контакты должны обладать малым сопротивлением но сравнению с сопротивлением пластины датчика; б) сопротивление контактов должно быть линейным по току; в) холловские контакты при отсутствии магнитного поля должны находиться на эквипотенциальной поверхности. Применяют либо непосредственное приваривание проводов к пластине при помощи пропускания импульса тока, либо вплавливание постоянных контактов в пластину в форме капель или слоев, к которым впоследствии припаиваются гибкие провода. Во втором случае материал электродов в виде фольги накладывается на пластинку или напыляется на нее. через соответствующим шаолон, а затем вплавливается в вакууме либо в атмосфере защитного газа; герметизация. Чаще всего полупроводниковая пластина заливается синтетической смолой.

Получение пластин Холла путем напыления на подложку тонких слоев полупроводниковых материалов. Такая технология позволяет получить за один цикл напыления большое число преобразователей, причем размеры активной области могут быть сделаны порядка десятых долей миллиметра. При подборе пар полупроводник - металл для контактных структур кроме хорошей электропроводности, способности образовывать омический контакт с данным полупроводником металл должен удовлетворять ряду дополнительных требований. Область контакта должна быть резкой, т.е. металл не должен проникать в полупроводник, что возможно, если он будет иметь низкий коэффициент диффузии и не будет обладать смешиваемостью с полупроводником в твердом состоянии. Кроме того, металл должен быть электрически нейтрален по отношению к полупроводнику, чтобы не влиять на его проводимость в области, прилегающей к границе раздела. Необходимо также отметить, что материалы пары полупроводник - металл должны быть технологически совместимыми и соответствовать требованиям эффективного нанесения путем вакуумного напыления. Для полупроводников AⁱⁱⁱBⁿ наиболее подходят металлы А¹¹¹. Они практически не растворяются в твердом состоянии в полупроводниках A^mB^v, электрически нейтральны по отношению к ним и технологически совместимы в любых процессах. Для получения пленочных структур полупроводник - металл более всего подходит наиболее тугоплавкий из металлов А¹¹¹ алюминий. Его использование в составе рассматриваемых структур способно обеспечить существенное расширение рабочего температурного диапазона для измерительных преобразователей по сравнению с приборами, у которых контакты выполнялись на основе пайки индием.

Применение магнитодиодов: рекомендации по эксплуатации, бесконтактные клавиши для ручного ввода информации, датчики положения движущихся предметов, датчики постоянного тока, преобразователь частоты вращения.

Рекомендации по эксплуатации. Источником управляющего постоянного или переменного магнитного поля могут быть постоянные магниты или электромагниты. Магнитодиоды следует устанавливать таким образом, чтобы магнитные силовые линии были перпендикулярны боковым граням полупроводниковой структуры.Допускается работа магнитодиодов при последовательном соединении. Возможны трехкратные изгибы выводов магнитодиодов на расстоянии не менее 2 мм от полупроводниковой структуры с радиусом закругления 1-2 мм. Пайку магнитодиодов необходимо производить на расстоянии не менее 6 мм от полупроводниковой структуры с теплоотводом. Бесконтактные клавиши для ручного ввода информации. Наиболее широкое применение в качестве устройства ручного ввода информации в средствах вычислительной и телеграфной техники, в системах автоматики, в измерительных и печатающих устройствах и в качестве органов управления в радиоэлектронной аппаратуре получили клавишные пульты. В настоящее время применяется контактная и бесконтактная клавиатура. Для ручного ввода информации наиболее перспективным считается применение гальваномагнитных преобразователей. Основными узлами клавиш на гальваномагнитных датчиках являются магниточувствительный элемент и магнитная система с постоянным магнитом. Важным узлом клавиши является магнитная система, представляющая собой магнитную цепь с постоянным магнитом и арматурой (сердечник, ярмо, полюсные наконечники и другие элементы) и предназначенная для создания и изменения индукции магнитного поля, действующего на магниточувствительный элемент.Отметим, что клавиши на магнитодиодах в зависимости от способа перемещения подвижной части делятся на две группы: клавиши с пружинами и клавиши на эффекте магнитного притяжения. Последние отличаются большой надежностью, эффективностью и простотой конструкции. При выборе любой из них должны быть обеспечены следующие условия:Для получения эффективного выходного сигнала при срабатывании электронной схемы необходимо обеспечить максимально возможное изменение индукции магнитного поля, что обеспечивается соответствующим выбором постоянного магнита и воздушного зазора, в котором расположен магнитодиод.Магнитную систему клавиши необходимо построить так, чтобы силы магнитного притяжения, препятствующие перемещению его подвижной части, были минимальными.Кинематическая схема клавиши должна быть такой, чтобы при нажатии на его головку магнитодиод оставался неподвижным. Это позволяет предохранять выводы магнитодиода от обрывов, тем самым обеспечивая высокую надежность работы клавиши.

Клавиши любой из групп имеют достоинства и недостатки, поэтому рекомендовать однозначный выбор практически невозможно. Для ввода информации бесконтактные клавиши имеют бесспорное преимущество перед механическими. Однако в сильноточной технике клавиши с механическими контактами имеют определенное преимущество по сравнению с бесконтактными. Датчики положения движущихся предметов. Для создания автоматизированных систем управления в различных областях народного хозяйства начинают широко применяться различные датчики, в том числе датчики положения движущихся предметов (ДПП). В настоящее время они используются в металлорежущих станках с программным управлением, подъемных кранах, конвейерах и в различных транспортных системах. Принципы работы ДПП основываются на различных физических явлениях: фотоэффекте, изменениях емкости и электромагнитной индукции, гальваномагнитном эффекте и др. Датчики постоянного тока. Начало серийного выпуска магнитодиодов позволило создать на их основе и промышленное производство устройств для измерения и контроля различных электрических величин. В частности, магнитодиоды начали применяться в датчиках тока, входящих в состав устройств систем управления и регулирования частоты вращения электрических машин постоянного тока. Применение магнитодиодов позволило существенно упростить схемные решения датчика постоянного тока и конструктивно упростить развязку между силовой схемой управления. Помехозащищенность обеспечивается в диапазоне токов примерно 0,2 - 700 А. Преобразователь частоты вращения. Преобразователь первичный измерительный частоты вращения (преобразователь) предназначен для бесконтактного преобразования частоты вращения вала в частоту следования электрических импульсов. Дополнительные требования, характерные рабочие условия применения: изменение температуры рабочей среды от +20 °С до -196 °С; относительная влажность окружающей среды до 98 % при температуре (35±3)°С; воздействие электромагнитного поля частотой 6000 Гц; питание преобразователя - (3±0,5) мА, мощность потребления не более 0.16 Вт.

Схемы соединений измерительных преобразователей. Температурная компенсация тензометров (в том числе с помощью мостовых схем). Установка тензометров. Шумы. Защитные кольца. Случайные шумы. Коэффициент шума.

Различные способы сопряжения резистивного преобразователя на основе преобразования изменения сопротивления в изменение напряжени:

Температурная компенсация: При использовании тензометров для изменения напряжения на поверхности, которая имеет разную температуру, возникает проблема учета разностного расширения. Например, если температура возрастает, то на измеряемой поверхности появляются температурные расширения, отличающиеся от тех которые, которые возникают при нормальных условиях работы тензометра. Но, поскольку чувствительный элемент зафиксирован на поверхности, а прибор подвергается воздействию, обусловленным ее расширением, то у него изменяется сопротивление. Для устранения этой погрешности измерений некоторые тензометры проектируются так, чтобы изменения сопротивления, вследствие дифференциального расширения, балансировались за счет температурного изменения сопротивления резисторов (противоположный эффект). Это может быть достигнуто только за счет применения соответствующих материалов в процессе изготовления тензометров. Температурная компенсация с помощью мостовых схем: Рассмотренная погрешность измерений и соответствующая ей схема компенсации характерны для тензометров. Одной из проблем, связанных с температурой, при использовании любого измерительного преобразователя, включенного по основной мостовой схеме, является учет длины проводников, соединяющих его с мостовой схемой. Сопротивление любого материала, включая соединительные провода, зависит от температуры. Поэтому в зависимости от окружающей температуры может варьироваться выходное напряжение моста.

Три соединительных провода имеют одну и ту же длину

и,следовательно, одно и то же сопротивление. Таким образом, любое изменение сопротивления плеча преобразователя в мостовой схеме компенсируется аналогичным изменением сопротивления другого плеча.

Способ компенсации температурных изменений в тензометрической мостовой схеме:

Установка тензометров. Тензометры отличаются от большинства других преобразователей способом их установки на поверхности, напряжение на которой следует измерить. Как правило, они закрепляются «намертво» на этой поверхности. Для этого используется эпоксидный клей, с помощью которого крепится элемент или прибор в нужном месте. При установке тензометров рекомендуется соблюдать следующую последовательность операций: непосредственно перед установкой преобразователя поверхность очищается и обрабатывается шкуркой; выбирается клей. Считается, что клей пригоден для использования с данной поверхностью и данным тензометром, если на него не влияют никакие внешние факторы - влажность, температура и т.п. после приклеивания тензометр фиксируется на поверхности с помощью металлической пластинки с лентой из наклеивающегося пластика или другого материала, располагаемой между пластинкой и тензометром. В течение времени затвердевания клея к пластине прикладывается давление; после высыхания клея удаляют фиксирующее устройство и наносят на тензометр соответствующий влагонепроницаемый слой; соединять отдельные элементы тензометрической установки лучше всего с помощью соответствующего соединительного блока, устанавливаемого вблизи преобразователя на измеряемой поверхности. Влагонепроницаемый слой необходимо наносить также и на соединительный блок. Шумы: В любой системе с чувствительными элементами ко входу системы прикладывается слабый сигнал, поэтому даже незначительный шум будет усиливаться до такой степени, что станет невозможно проводить точные измерения. Проблема шумов может возникнуть но самым различным причинам и их следует принимать в расчет при создании системы. Их уровень уменьшается до приемлемого значения путем фильтрации. Чтобы гарантировать хорошие характеристики системы, следует учитывать всевозможные шумы и проектировать систему гак, чтобы уменьшить их до такого уровня, при котором с ними можно не считаться в первом приближении. Известны различные типы шумов, действующих в измерительной системе. Шумы, которые наводятся первоначально при подсоединении проводов между преобразователем и схемой сопряжения, обычно называются взаимными помехами. Они фактически создаются человеком. Низкочастотный фон на частотах 50 Гц и 100 Гц генерируется первоначально усилителем, поскольку около него находится источник питания. Источник питания в основном производит низкочастотные шумы частотой 50 Гц или 100 Гц (если в источнике имеется двухполупериодное выпрямление переменного тока), и они наводятся в усилителе. Взаимные помехи усиливаются с полезным сигналом. Защитные кольца: Емкостные и индуктивные перекрестные искажения, так же как и простые резистивные перекрестные искажения, могут возникнуть, если в схеме сопряжения используется усилитель с большим входным сопротивлением. Такой усилитель необходим для соединения измерительной системы и преобразователя с аналогичным выходным сопротивлением. Высокое входное сопротивление преобразователя говорит о том, что любая паразитная емкость С, индуктивность L или сопротивление утечки R_yTC₄ на входе схемы будет приводить к появлению нежелательных сигналов в усилителе. Современные операционные усилители обычно склонны к этому. Их входные токи смешения всего лишь в несколько пикоампер вызывают значительные взаимные помехи. Одним из способов решения этой проблемы является использование защитного кольца. При этом высокоомный вход усилителя заключается в низкоомную защиту, находящуюся под тем же потенциалом, что и сам вход. Обычно высокоомный усилитель выполняется в виде неинверти- рующего усилителя (буфера). Поэтому его выходной сигнал в точности равен входному, а выходное сопротивление оказывается намного меньше входного. Защитное кольцо соединяется напрямую с выходом усилителя и формирует низкоомный вход сигнала от любого паразитного конденсатора, индуктивности или сопротивления утечки. В печатных платах защитное кольцо образуется путем создания больших секций медных дорожек, полностью окружающих усилитель, с единым жгутом проводников, обеспечивающих подачу напряжения питания в другие соединения Случайные шумы: Эти шумы, возникающие в самой системе, обусловлены физическими свойствами ее компонентов. Взаимные помехи всегда имеют особые виды или формы, а случайные шумы характеризуются непредсказуемостью, поэтому их трудно ус транить. Однако еще на стадии проектирования системы удается обеспечить достаточно низкий уровень этих шумов. Все шумы в системе принято характеризовать с помощью отношения полезного сигнала и нежелательных шумов, т.е. отношения сигнал/шум. Коэффициент шума: Это можно сделать, если охарактеризовать каждую составную часть системы коэффициентом шума, который называется показателем шума F. Он определяется отношение сигнал/шум на входе

Поскольку F по аналогии с отношением сигнал/шум представляет собой отношение мощностей, то он в общем случае выражается в децибелах (дБ), т.е.

Когда отношение сигнал/шум на входе и выходе приводятся в децибелах, коэффициент шума (в децибелах) можно вычислить в виде. Когда известны коэффициенты шума каждой составной части в отдельности, можно вычислить общее для нее отношение сигнал/шум путем первоначального вычисления общего коэффициента шума.

Тензометрические полупроводниковые чувствительные элементы. Схемы включения тензорезисторов.

Элемент, преобразующий физическую величину в электрический сигнал, принято называть чувствительным элементом. К наиболее употребительным в настоящее время и перспективным следует отнести следующие типы чувствительных элементов датчиков: полупроводниковый пьезорезистивный, терморезисторный, емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический, механотронный, химотронный, ультразвуковой, фотоэлектрический, гальваномагнитный, оптический, струнный. Основные типы и характеристики тензометрических полупроводниковых чувствительных элементов, высокая чувствительность полупроводниковых тензометрических чувствительных элементов (тензорезисторов), превышающая на два порядка чувствительность проволочных тензодатчи- ков, вызвала большой к ним интерес во всех развитых странах мира. Независимо от типа тензорезисторов, его материал должен удовлетворять следующим основным требованиям: 1.чувствительность тензорезистора, выраженная относительным изменением сопротивления, должна быть наибольшей; 2.общее сопротивление тензорезистора должно быть по возможности большим, с тем, чтобы нежелательное влияние сопротивлений в измерительном контуре и их изменений было наименьшим (провода от аппаратуры, контакты и т. д.); 3.температурный коэффициент сопротивления (ТКС) должен быть наименьшим; 4.в контактах тензорезистора должен отсутствовать термоэлектрический эффект; 5.материал тензорезистора должен обладать в возможно более широком диапазоне линейной зависимостью между относительной деформацией и изменением сопротивления.

Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов (ПТ) в основном определяется изменением их удельного сопротивления под действием механического напряжения. В наиболее простом случае механическое напряжение, компоненты электрического поля и пло<

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: