Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Розрахунок віброчастотного тензоперетворювача
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2005
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Інші
Група:
МЕ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет “Львівська політехніка”
Лабораторна робота №5
Розрахунок віброчастотного тензоперетворювача
Львів 2005
Мета роботи: Дослідити температурну залежність деформації напівпровідникової струни, завріпленої на пружному елементі; визначити чинники, що впливаюсть на цю деформацію; дослідити шляхи покращення характеристик сенсорів зі струнним тензоперетворювачем шляхом оптимізації величини деформації натягу струни.
Напівпровідникові віброчастотні тензоперетворювачі з чутливим елементом являють собою електромеханічний резонатор у вигляді струни з напівпровідникового монокристала, мають високу чутливість, стабільність, лінійність та відтворюваність характеристики вихідного сигналу. Оскільки початковий стан струни, тобто її деформація принульовому вихідному сигналі, визначає основні вихідні х-ки ВЧТ, в основі лежить відповідний підбір матеріалу струни та підкладки, а також технології утворення вузлів кріплення. Покращення х-к ВЧТ можна досягти шляхом регулювання температурно-залежної та температурно-незалежної складових натягу струни.
ПРИНЦИП РОБОТИ ВЧТ
Принцип роботи ілюструється рис1, де позначено 1-струнний резонатор, виготовлений з ниткоподібного монокристала напівпровідника; 2- вузли кріплення ;3 - струмовиводи; 4 – пружний елемент; 5 – елеутрод, що забезпечує збудження механічних коливань струни. Якщо на електрод 5 подається змінна електрична напруга, то струна 1 починає коливатись з частотою, яка залежить від гуеометрії кристала, викличе зміну частоти його коливань. Внаслідок тензорезистивного ефекту, що виникає в кристалі, його механічні коливання перетворюються в частотний сигнал. Зовнішній механічний вплив викликає деформацію ПЕ, яка передається на НК, змінюючи частоту його механічних коливань і частоту вихідного сигналу.
Ниткоподібний монокристал напівпровідникі виготовлений методом хімічних газотранспортних реакцій, має досконалу кристалічну структуру і високі значення механіч-них і пружних х-к. Їх висока тензочутливість дозволяє отримати великі амплітуди частотного вихідного сигналу ВЧТ. Ці фактори зумовили вибір НК кремнію, германію та їх твердих розчинів для виготовлення чутливих елементів віброчастотних тензоперетворювачів.
Початкову деформацію ε0 струни, жорстко закріпленої на пружному елементі, можна подати у вигляді суми двох складових: не залежної від температури εон і температурно-залежної εот
εо(Т)= εон + εот
При прикладанні змінної напруги електростатична сила взаємодії між струною і збуджуючим електродом викликає динамічну деформацію струни, яка складається з постійної складової натягу εов і гармонічної складової εов~ . Натяг εов в сукупності з деформацією εо(T) визначає резонансну частоту ВЧТ. Стала складова деформації
ε0(Т)= εон + εот(Т) + εов
Якщо товщина струни набагато менша за товщину пружного елемента, ТЗД визначатиметься тільки температурними коефіцієнтами лінійного розширення(ТКЛР) матеріалів напівпровідникової струни, а також технологічним параметром- температурою формування вузлів кріплення струни То.
З метою оптимізації х-к сенсорів зі струнним ВЧТ складено програму і розраховано температурні залежності ТЗД для струн з монокристалічних провідників при їх закріплені на пружних елементах із різних конструкційних матеріалів, використовуючи температурні залежності ТКЛР. Результати розрахунків наведено на рис 2-7. Розрахунки проведено при температурі що відповідає умовам виготовлення вузлів кріплення струни зі склоцементу з відповідними наповнювачами. На рис 5 показано результати розрахунків для температури 1800 С.
Оптимізація х-к ВЧТ шляхом регулювання натягу струни покликана розвязати два завдання:
Оптимізувати початковий натяг струни в збудженому кристалі
Досягнути мінімальної температурної залежності ТЗД в робочому температурному діапазоні ВЧТ
Регулювання температурно-незалежної складової початкової деформації струни можна досягнути застосуванням технологічних засобів при створенні вуздів кріплення кристалу.
Підбір матеріалу для створення вузлів кріплення та вибір режиму термообробки дає можливість регулювати не тільки εон але й εот шляхом зміни температури То.
Таким чином якщо діапазон робочих температур сенсора з ВЧТ є достатньо широким, критичнним є досягнення мінімальної температурної залежності ТЗСД. Добрі результати можна отримати використовуючи струни з ниткоподібних монокристалів твердих розчинів Si-Ge, оскільки, регулюючи склад такого розчину можна плавно керувати його ТКЛР між значеннями α для Si i Ge.
Особливо цікавими є результати наведені на рис 7, для кремнієвої струни, закріпленої на монокристалічному кремнії. Перегрів струни відносно пружного елемента забезпечує дуже незначну слабозалежну від температури деформацію стиску, яка компенсується вже деформацією εов , що виникає при подачі збуджуючої напруги на кристал. Таким чином, умова малого натягу струни виконується без будь-яких додаткових технологічних заходів.
Результати проведених досліджень доводять можливість оптимізації характеристик віброчастотного тензоперетворювача та сенсорів механічних величин на його основі шляхом цілеспрямованого контролю попереднього натягу струни. Таку оптимізацію можна досягти:
Підбором матеріалів напівпровідникової струни і пружного елемента для забезпечення найкращого узгодження їх температурних коефіцієнтів лінійного розширення в діапазоні робочих температур ВЧТ;
Підбором матеріала для кріплення струни на ПЕ, підбором режимів термообробки при створенні вузлів кріплення;
Спеціальними технологічними заходами створення вузлів кріплення струни, в т.ч. закріпленням струни на попередньо деформованому ПЕ;
Використанням пружного елемента і струни з одного матеріалу, коли в умовах перегріву струни забезпечується оптимальний режим її роботи в широкому температурному діапазоні.
Результати досліджень рекомендовано використовувати при проектуванні сенсорів механічних величин з віброчастотним тензоперетворювачем на основі напівпровідникових кристалів.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора