Датчик внутренних касательных напряжений

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК ВНУТРЕННИХ КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ(71) Заявитель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(72) Автор Лесковец Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(56) ФОМИЦА Л.Н. Полупроводниковые преобразователи для измерения механических напряжений. - Мн. Высшая школа, 1983. - С. 74-75.950021 , 1997.1476130 1, 1989.726445, 1980.1428952 1, 1988.4936149, 1990.(57) Датчик внутренних касательных напряжений, включающий корпус, выполненный в виде двух жестких частей, и размещенный в его внутренней полости полупроводниковый измеритель с электрическими контактами и токовыводами, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде шара из двух жестких полушарий, установленных с возможностью скольжения по поверхностям контакта, а измеритель выполнен в виде монокристаллического стержня круглого сечения, жестко закрепленного концами в корпусе, причем в средней части стержня выполнены четыре плоские выемки, плоскости которых попарно 11432 1 2008.12.30 взаимно перпендикулярны, а на поверхностях выемок выполнены диффузионные преобразователи из кремния -типа или германия - или -типа, каждый из которых содержит две пары взаимно перпендикулярных электроконтактов, размещенных в направлении главных осей монокристаллического стержня или под углом 45 к одной из них. Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения внутренних касательных механических напряжений в грунтах, бетонах, полимербетонах и других композиционных материалах, а также на контактах разнородных сред. Известен датчик внутренних касательных напряжений 1, содержащий корпус из двух штампованных половинок в форме тарелок, соединенных упругой массой, к которым жестко прикреплены полупроводниковые измерители (совмещенные упруго-чувствительные элементы) с боковыми контактами, к которым присоединены выводы. Недостатком этого устройства является ненадежность соединения, через которое передаются касательные напряжения от корпуса на жесткие полупроводниковые измерители. Из-за влияния контактных напряжений в местах соединения с корпусом в измерителях будет картина напряженного состояния, не соответствующая напряжениям в среде. В такой конструкции на измеритель будут влиять и другие компоненты нормальных напряжений за счет сжатия в поперечном направлении корпуса. Эти недостатки приведут к нестабильности показаний датчика и невозможности точных измерений нормальных и касательных компонент механических напряжений. Задачей изобретения является повышение чувствительности и точности измерений,получение возможности измерения двух компонент касательных напряжений одним датчиком. Поставленная задача решается тем, что в датчике внутренних касательных напряжений, включающем корпус, выполненный в виде двух жестких частей, и размещенный в его внутренней полости полупроводниковый измеритель с электрическими контактами и токовыводами, в отличие от прототипа, корпус выполнен в виде шара из двух жестких полушарий, установленных с возможностью скольжения по поверхностям контакта, а измеритель выполнен в виде монокристаллического стержня круглого сечения, жестко закрепленного концами в корпусе, причем в средней части стержня выполнены четыре плоские выемки, плоскости которых попарно взаимно перпендикулярны, а на поверхностях выемок выполнены диффузионные преобразователи из кремния р-типа или германия-или р-типа, каждый из которых содержит две пары взаимно перпендикулярных электроконтактов, размещенных в направлении главных осей монокристаллического стержня или под углом 45 к одной из них. На фиг. 1 изображен продольный, а на фиг. 2 - поперечный разрезы датчика, на фиг. 3 конструкция измерителя и преобразователей, на фиг. 4 кристаллографическая ориентация преобразователей датчика, а на фиг. 5 изображена схема включения преобразователей в измерительную цепь. Датчик внутренних касательных напряжений имеет корпус в виде шара, состоящего из двух жестких полушарий 1. Корпус можно выполнить из коррозионно-стойкого в измеряемой среде материала с модулями упругости и сдвига, превышающими модули среды,например, стекла, керамики, металла. Совместно в обоих полушариях 1 выполнена внутренняя полость 2. Полушария имеют возможность скольжения по поверхностям контакта 3. На поверхностях контакта 3 может находиться тонкий слой смазки или не препятствующего перемещению полушарий герметика. В полости 2 размещен полупроводниковый измеритель 4, включающий упругий элемент и преобразователи. Полушария 1 являются элементами ввода механических напряжений, действующих в среде, в измеритель 4. Измеритель 4 выполнен в виде стержня круглого сечения из монокристаллического кремния 2 11432 1 2008.12.30 или германия. В средней части стержня выполнены две плоские выемки 5, плоскости которых перпендикулярны направлению , и две плоские выемки 6 с плоскостями, перпендикулярными направлению . Преобразователи 7 выполнены в виде монокристаллической пленочной диффузионной структуры на плоской поверхности выемок. Плоские поверхности имеют минимальные размеры и по направлениям ,и . Кристаллографическая ориентация полупроводниковых преобразователей по направлениям ,иможет соответствовать направлениям главных осей или любому из возможных вариантов при повороте вокруг одной из главных осей на угол 45(см. фиг. 4 и табл.).варианта 1 2 3 4 Кристаллографическая ориентация по направлению Для соединения с цепями питания и измерения преобразователи имеют выводы 8. Выводы 8 проходят в желобе 9, выполненном между полушариями 1, который заливается податливым герметиком. Измеритель жестко закреплен концами в полушариях анкерной заделкой 10, скрепляя, таким образом, между собой полушария 1. Во всем диапазоне воздействия напряжений среды на датчик не должно наблюдаться податливости этого соединения. Заделку можно выполнить с использованием пайки, например, стеклоприпоем С 51-1, или горячей посадки с натягом. Глубина заделки измерителя 4 в полушария 1 определяется прочностью на сдвиг применяемого соединения. Каждый преобразователь 7 имеет две пары 11 и 12 взаимно перпендикулярных электроконтактов. Пары электроконтактов 11 в преобразователях, параллельные направлению оси стержня , подключены к источнику питания 13. Перпендикулярные им пары электроконтактов 12 составляют измерительную цепь и подключены к вольтметрам 14 с высоким входным сопротивлением. Соединение электроконтактов 11 и 12 с источниками питания и вольтметрами выполнено с помощью выводов 8. Источники питания 13 должны иметь стабилизированное значение выходного напряжения. Измеритель 4 может быть выполнен из монокристаллического кремния -типа, а диффузионные преобразователи 7 на нем - -типа. Возможно также изготовление стержня из германия -типа, а диффузионных преобразователей на нем - типа, или стержня из германия -типа, а диффузионных преобразователей на нем -типа. При вышеприведенных кристаллографических ориентациях плоскостей расположения преобразователей и электроконтактов все варианты преобразователей, приведенные в таблице, обладают высокой чувствительностью к касательным механическим напряжениям,так как эти ориентации характеризуются максимальными значениями сдвиговых коэффициентов пьезосопротивления 44 2. Упругим элементом датчика напряжений, работающим на продольное сжатие и сдвиг, является монокристаллический стержень измерителя 4. Каждый диффузионный преобразователь 7 в отдельности выполняет функцию мнимого интегрирования измеряемой величины и имеет надежное соединение с упругим элементом. Размещаются они в средней части стержня для исключения влияния контактных напряжений от мест анкерного соединения измерителя с полушариями. Выполнение стержня измерителя 4 с круглым сечением призвано обеспечить одинаковую сдвиговую жесткость в плоскости сдвига полушарий 1. Измеритель имеет симметричную геометрическую форму, создающую в среде для измеряемых компонент касательных напряжений одинаковые упругие обратные реакции. В результате этого измеряемые компоненты касательных напряжений будут искажаться на одну и ту же вели 3 11432 1 2008.12.30 чину, учитываемую при градуировке. Симметричная форма датчика обеспечивает в среде отсутствие эффекта ориентации. Это повышает точность измерений. При выборе конструктивных размеров полушарий 1, измерителя 4 и заделки 10 необходимо исходить из того, что их общая сдвиговая жесткость должна превышать жесткость замещаемого объема среды во всем диапазоне его деформирования. Жесткая шаровидная конструкция датчика обеспечивает в среде концентрацию напряжений и отсутствие зон разгрузки для напряжений, действующих в среде. В заявляемой конструкции можно изменять жесткость датчика, обеспечивая оптимальное соотношение жесткость - чувствительность. Это необходимо при измерениях разных по величине значений касательных напряжений в средах с разными значениями диаграмм напряжение - деформация. Жесткость датчика касательных напряжений можно изменять путем изменения соотношения диаметра стержня измерителя к диаметру датчика, а также изменением глубины анкерной заделки 10 измерителя в полушария 1. Заявляемый датчик измеряет две компоненты внутренних касательных механических напряжений. На каждую из компонент касательных напряжений реагируют свои преобразователи. На компоненту, действующую в направлении, - преобразователи на выемках 6, а на компоненту, действующую в направлении, - преобразователи на выемках 5. Для повышения достоверности результатов измерений путем повышения интегрирующей способности преобразователей он должен иметь по два преобразователя 7 на каждую измеряемую компоненту касательных напряжений, сигналы которых должны быть просуммированы. Они должны быть выполнены на параллельных поверхностях выемок 6 вдоль оси измерителя (фиг. 1 и фиг. 2), другие по поверхностям выемок 5. На фиг. 2 показано размещение всех преобразователей, на фиг. 3 и фиг. 5 условно показано по одному преобразователю на каждую компоненту и по одной выемке. Процесс суммирования выходных электрических напряжений можно осуществить путем параллельного соединения всех контактов по одинаковым направлениям между собой, отдельно по каждому из преобразователей, расположенных в двух выемках 5. Аналогично могут соединяться электроконтакты преобразователей по выемкам 6. Возможно также применение известных решений с последовательным суммированием выходных электрических напряжений и применением отдельных источников питания для каждого преобразователя. Оба метода суммирования полезны для уменьшения погрешностей датчика. Датчик работает следующим образом. Измерительная среда, которой может быть грунт, цементный раствор, бетон и другие подобные материалы, должна позволять в пластичном состоянии установить датчик. Перед проведением измерений датчик предварительно градуируют по методике, например, 1 с. 98-100, используя модель среды, в которой предполагается проводить измерение напряжений. Определяют градуировочную характеристику датчика - зависимость выходного электрического напряжения от величины прикладываемых касательных механических напряжений, затем из этой среды датчик извлекают. При проведении измерений датчик помещают в среду, которую нагружают. В среде датчик является упругим включением с более высокими значениями модуля упругости и модуля сдвига по сравнению с материалом среды. На корпусе датчика происходит концентрация механических напряжений. Жесткие полушария 1 являются анкерами в среде. Это обеспечивает надежную передачу измеряемых касательных компонент тензора напряжений от среды на полушария. На измеритель 4 напряжения от полушарий передаются через анкерную заделку 10 концов стержня измерителя в полушариях 1. На измеритель воздействуют две компоненты напряжения сдвига, действующие в плоскости сдвига полушарий, и нормальная компонента напряжений, действующая вдоль оси измерителя. В измерителе и соответственно в преобразователях 7, расположенных на поверхностях выемок 5 и 6, появляются компоненты механических напряжения сдвига по направлениями, а по направлениюнормальная компонента. Возможность свободного переме 4 11432 1 2008.12.30 щения жестких полушарий 1 существует только по поверхностям контакта 3 в направлении их сдвига, которому препятствует измеритель 4, жестко закрепленный концами в корпусе. Другие компоненты тензора напряжений замыкаются на корпус датчика и вместе с измеряемыми частично передаются на измеритель через анкернуюзаделку 10. Внутренняя полость 2 в корпусе имеет минимальные размеры, допускающие свободные деформации измерителя в направлении действия измеряемых касательных напряжений и размещение в ней выводов. К электроконтактам преобразователей в направлении(фиг. 3) подается стабилизированное напряжение питания. Диффузионные полупроводниковые преобразователи, выполненные в выемках, реагируют на появление касательных напряжений в измерителе изменением значений выходных напряжений. Выходным сигналом преобразователей является величина электрических напряжений, измеряемая вольтметром. Она пропорциональна величинам касательных механических напряжений, действующих в измерителе в направлении сдвига, совпадающем с направлением измерительных электроконтактов. Нормальная компонента механических напряжений, действующая вдоль осиоказывает взаимное влияние на касательные компоненты, действующие в направлениии. В заявляемой конструкции применен другой метод по сравнению с прототипом устранения влияния нормальной компоненты тензора напряжений на измеряемые касательные компоненты, обеспечивающий сохранение высокой чувствительности полупроводниковых преобразователей. Суть его заключается в том, что величина электрического потенциала от источника питания 13 в преобразователях вдоль направлениястабилизирована внешним стабилизатором, и нормальные продольные механические напряжения в измерителе не изменяют значение потенциала на измерительных электроконтактах преобразователей. Действие касательных напряжений приводит к изменению величины электрического потенциала на электроконтактах 12. Электроконтакты 11 и 12 измерителя соединены с выводами 8, которые проходят в желобе 9 корпуса датчика. С выводов от электроконтактов 12 выходной сигнал от преобразователей 7 фиг. 5 поступает на измерительный прибор 14, например, цифровой вольтметр В 7-27. О величине касательных механических напряжений судят, сравнивая величину электрических напряжений, измеряемых вольтметром, со значением соответствующих им величин механических напряжений на градуировочной характеристике. Заявляемое решение отличается от известных малыми габаритами, высокой технологичностью изготовления. Выполненные на измерителе диффузионные преобразователи имеют контролируемую совершенную кристаллическую структуру и позволяют создать надежное, не подверженное ползучести, соединение упругого элемента и преобразователя. Это позволяет создать миниатюрные высокотехнологичные датчики механических напряжений и решить новые задачи теории прочности материалов. Источники информации 1. Фомица Л.Н. Полупроводниковые преобразователи для измерения механических напряжений. - Мн. Вышэйшая школа, 1983. - С. 74, рис. 3.16 (прототип). 2. Терстон Р.Н. Применение полупроводниковых преобразователей для измерения деформаций, ускорений, смещений. Физическая акустика Сб. ст. / Под ред. У. Мэзона. - М. Мир, 1967. - Т. 1. - Ч. Б. - С. 187-209. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.