Методи та засоби вимірювань механічних зусиль

                                                              Зміст

1. Введення
2. Методи та засоби вимірювання механічних зусиль :
3. Розрахунки:
• вимірювання ВАХ p-n структур ;
• вимірювання профілю розподілу концентрації домішок по  товщині   шару напівпровідника вольт-фарадним методом.
4. Висновок
5. Література
6. Додаток

 

                                                Введення

 

Із механічних величин, які вимірюються  найчастше, основними є механічні  зусилля, які поділяються на зосереджені, зокрема спрямовані лінійно (механічні  сили) та обертові (крутні моменти), а  також розподілені зовнішні зусилля (тиск) та внутрішні розподілені  зусилля, що виникають в тілі досліджуваного об'єкта (механічні напруження).

Діапазон вимірюваних механічних засиль дуже великий. Так, під час наукових досліджень доводиться вимірювати сили, починаючи від 10̄ ̄⁵... 10 ̄⁶ (i навіть менше), а під час промислових вимірювань - до 10⁹ Н. Внутрішні напруження в деталях різних конструкцій лежать в межах до 2000 МПа. Оскільки вимірювання внутрішніх напружень необхідне насамперед для дослідження міцнісних властивостей, то вимірювання механічних напружень, менших від 10 МПа, трапляються рідко. Діапазон вимірювань тиску знаходиться в границях від 0 до майже 10¹º...10^¹¹ Па, a пopiг чутливості сучасних манометрів досягае 10 ̄ ² Па. Верхня границя вимірювань крутних моментів сягає 10⁹ Нм.

Методи вимірювань різних видів  механічних зусиль мають багато спільного. Ix можна поділити на чотири групи, що базуються на вимірюванні:

1. деформації досліджуваного об'екта або деформації пружного елемента, які виникають під дією вимірюваного зусилля;
2. параметрів або властивостей перетворювачів (електричний чи магнітний oпip, частота власних коливань, виникнення електричного заряду тощо), що зменшюються під дією досліджуваних зусиль;
3. безпосередньо властивостей досліджуваного об'єкта чи середовища (наприклад, швидкості розповсюдження звуку, теплопровідності газу, електричної провідності, магнітної проникності тощо), які залежать від зусиль, що діють на них;
4. зусиль методом зрівноважувального перетворення, при якому вимірюване зусилля зрівноважується компенсуючим зусиллям.

Перша група методів найширше застосовується для визначення механічних напружень вимірюванням деформації поверхні досліджуваного об'єкта, а також у приладах для вимірювання сил, крутних моментів та тиску, що попередньо перетворюються в деформацію первинного пружного перетворювального елемента.

Друга група методів використовується у засобах вимірювань, основаних на застосуванні п'єзоелектричиих та магнітопружних перетворювачів, безпосередньою вхідною величиною яких є досліджуване зусилля.

На залежності властивостей чи параметрів досліджуваного об'єкта від зусиль, що діютъ на них, основані, наприклад, ультразвуковий, магнітопружній, термопружний та інші методи вимірювань механічних напружень.

Метод зрівноважувального перетворення використовується для побудови точних засобів вимірювань сил, крутних моментів, тиску.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                2.  Методи та засоби вимірювання механічних зусиль

                    Вимірювання механічних напружень

Найпоширинішим способом визначення механічних напружень є вмірювання деформації поверхнi досліджуваного об'єкта. Діапазон вимірюваних деформацій дуже широкий - від часток мікрометра в металах та твердих пластмасах до десятків сантиметрів у зразках еластичних матеріалів з великим видовженням.

Найпростішим та найпоширенішим методом вимірювань деформації є так званий тензометричний метод, в якому як первинні перетворювачі деформації використовують тензорезистори. Металеві тензорезистори застосовують під час виміювань відносних деформацій від 0,002 до 1...2 %, напівпровідникові - до 0,1...0,2 %, навісні металеві - до 10 %, а еластичні (гнучкі кавчукові трубки, заповнені електролітом) - до 30...50 %. Тензорезистори практично безінерційш i використовуються для вимірювань, зокрема, змінних деформацій в діапазоні частот до 100 кГц.

Для вимірювання деформації чи величин, попередньо перетворених у деформацію пружного перетворювального елемента, тензорезистор наклеюють на досліджувану деталь. Для температур до 200°С застосовують бакеліто-фенольні клеї (БФ), бакелітовий лак, а для вищих температур - жаростійкі кремнійорганічні цементи та цементи на основі рідкого скла.

Особливicтю приклеюваних тензорезисторів є те, що вони не можуть бута переклеені з об'екта на об'ект. Тому дійсна функція перетворення робочого тензорезистора не може бути визначена, а для її оцінки знаходять функцію перетворення аналогічного, так званого градуювального тензорезистора з цієї партії. А оскільки властивості окремих тензорезисторів із певної їх партії, а також умови їх приклеювання загалом дещо piзнi, то відзначається деяка неоднозначність дійсної та номіальної фуикції перетворення. Досвід свідчить, що похибка від неідентичності функції перетворення при акуратному приклеюванні тензорезисторів з достатньо однорідної партнії не перевищує 1,5 %. Вихідним інформативним параметром теизорезисторів є зміна їx опору i тому здебільшого вимірювальними колами тензорезистивних перетворювачів є мостові вимірювальні кола. Тензорезистор може бути увімкненим в одне з плеч моста, в два плеча або мостове коло може бути складене повністю iз тензорезисторів.

Оскільки відносна зміна опору тензорезисторів дуже мала (е_r<1%), то суттєвий вплив на результат вимірювань може мати температура довклля. Отже, необхідно передбачити температурну компенсацію. Зокрема, якщо використовують мостове коло з одним робочим тензорезистором (рис.1,а), то для температурної компенсації необхщний інший неробочий тензорезистор R_TK = R₀, аналогічний робочому Rt, який був би в однакових температурних умовах з робочим. Тоді зміна oпорів двох ідентичних (робочого та компенсаційного) тензорезисторів, зумовлена зміною температури довкілля при незмінному значенні вимірюваної деформації, не викликає зміни вихідної напруги. Дійсно, якщо, наприклад ԑR = 0 та R₂ = R​₃ = R

                     

тут RT0 - oпip тензорезистора при температурі 0°C; ԑt, - температурний коефіцієнт опору тензорезистора.

Якщо таке мостове коло при відсутності  вимірюваної деформації буде в рівновазі, тобто R₁R₃= R₂RTK  ,то внаслідок дії вимірювальної деформаціїi відповідно зміни опору робочого тензорезистора на ∆R_T рівновага порушується, а вихідна напруга за умови, що внутрішній oпip джерела живлення нехтівно малий, буде дорівнювати

                         

де ԑR= ∆RT / RT0 відносна зміна опору тензорезистора;

R_T = RT0 ( 1+ԑк) - функція перетворення робочого тензорезистора.

Для симетричного моста, коли RTK = RT0, a R₂ = R​₃, матимемо

                                  

Як видно з останнього виразу, функція перетворення такого мостового кола, тобто залежність U_eux від ∆R чи ԑR нелінійна. Однак при невеликих змінах R_T (у металевих тензорезисторах ці зміни не перевищують 1 %), коли ԑR < 0,01, можна вважати

    Оскільки  відношення відносної зміни опору  ԑR = ∆R_т/ RT0) до відносної деформації ԑl =∆l/l характеризується коефцієнтом відносної тензочутливості k, то залежність вихідної напруги від вимірювальної деформації запишеться як

                         

 

                                      

 

 

 

 

 

 

                 

                     Рис.1. Схеми увімкнення тензорезисторів у мостові кола

      

       Якщо первинними перетворювачами сили (тиску) в деформацію є консольні (мембранні) перетворювальні елементи, то як робочі можна використати два ідентичні тензорезистори, наклеєні з протилежних стоpiн чутливого елемента так, що один сприймає деформацію розтягу, а інший деформацію стиску, то можливе диференціальне їx увімкнення в мостове коло (рис.1,б). У цьому випадку температурна похибка також виключаеться, а чутливість мостового кола збільшується вдвічі.

Дві пари диференціальних тензорезисторів, які утворюють повний тензометричний міст, забезпечують найкращу корекцію температурних похибок i в чотири рази збілььшують чутливість.

Якщо використовується блок iз чотирьох ідентичних тензорезисторів, наклеених на поверхність досліджуваного об'екта так, що тензорезистори R_Т1 та R _Т3 (рис.1,а) сприймають поздовжню деформацію, a R _Т2 та R _Т4 - поперечну, то при ix увімкненні в мостове коло (рис.2,6) температурна похибка також буде компенсуватись, а вихідна напруга

 

      

Враховуючи, що для металевих тензорезисторів ԑR не перевищує 0,01, а коефіцієнт Пуассона μ = 0,24.. .0,4, матимемо

                                   

                                             

 

Для напівпровідникових тензорезисторів, для яких ԑR досягає сотень, а його значення є нелійною функцією температури, залежність набувае дуже складного характеру.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 Рис.2. Вимірювальне коло з чотирма тензорезисторами

 

       Практично застосовуються  складніші схеми тензометричних  мостів, де, кpiм основних (робочих) тензорезисторів, увімкнені також ре- гулювальний резистор для встановлення початкового значення діапа- зону вимірювань (найчастіше нульового значення вихідної напруги), температурозалежний резистор для компенсації зміни чутливості схеми від зміни температири довкілля, резистор для регулювання i встановлення номінальної чутливості. Термозалежний резистор повинен мати добрий тепловий контакт з досліджуваним об'ектом (чи перетворювальним пружним елементом), на якому наклеєні робочі тензорезиетори. Для цього від приклеюеться до досліджуваного об'екта (пружного елемента) за допомогою електроізоляційного клею з доброю теплопровідністю.

Kpiм незрівноважених мостових кіл, у тензометрії можуть бути використані i зpiвноважені мостові кола. До переваг останнніх слід віднести незалежність показів від зміни напруги джерела живлення, відсутність похибки від нелінійності функції' перетворення, що відзначається в незрізноважених мостових колах. Недоліком зрівноважених мостових кіл є низька швидкодія при ручному зpiвнoвaжyвaннi чи складність вимірювального засобу при автоматичному зрівноважуванні.

Визначення механічних напружень  всередині тілa досліджуваного об'екта за результатами вимірювань відносних деформацій на його поверхні розраховують на підставі основних співвідношень між механічними напруженнями та деформацією згідно з законом Гука, які загалом можуть бути записані як:

                                     

                                     

                                             

де Е - модуль пружностц  μ- коефцієнт Пуассона; е_х, е_у та е_z - головні повздовжні деформації, що виникають у відповідній точці пружного ізотропного матеріалу в границях пружних деформацій при однорідному об'емно-напруженому стані в напрямі відповідних осей; σ_х, σ_у, σ_z: - відповідні головні напруження.

Для плосконапруженого стану, коли, наприклад, σ_z = 0, наведенi вище рівняння набирають вигляд:

                             

звідси

                              

а при лінійно напруженому стані

                                      

                                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                3. Розрахунки

3.1.Вимірювання вольт-вольт-амперних характеристик      P-N структур        та обробка результатів вимірів

  Вимірювальна установка

    На рис.12 приведена вимірювальна схема для зняття вольт-амперної характеристики діода, яка реалізована в установці ЩХМ2.050.097, що і використовується в даній роботі .   

 

 

 

Рис.12. Схема для виміру ВАХ напівпровідникового діода

 

Перемикач В встановлюють в положення 1. При цьому напруга від джерела постійного струму прикладається до діода Д в прямому (провідному) напрямі. По вольтметру V резистором R1 встановлюють невелику напругу близько 0,1 В і по міліамперметру mА вимірюють струм. Потім збільшують напругу і знову вимірюють струм. Виконавши 5-10 вимірювань, будують по точкам пряму гілку вольт-амперної характеристики діода. Зворотну гілку вольт-амперних характеристики будують так само, знімаючи свідчення з приладів при положенні 2 перемикача В, коли напруга від джерела прикладається до діода у зворотному напрямі. Резистор R2 служить для обмеження струму в ланцюзі у разі пробою діода при знятті зворотної гілки вольт-амперної характеристики.

Порядок проведення роботи

    1. Підключити вимірювальну установку до мережі і дати їй прогрітися не менше 10 хвилин.

2. Підключити випробовуваний напівпровідниковий  діод (запропонований викладачем) до  вимірювальної установки.

    3. Установити перемикач В у положення 1 (пряме включення діода), а стрілку