Файл: Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами.pdf

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ

Первое издание книги вызвало столь большой интерес, что за довольно короткое время было распродано. Поэтому авторы по предложению редакторов серии «Измерительная техника» и из­ дательства «Verlag Technik» решили в сжатые сроки подготовить второе издание книги. Во втором ее издании с учетом последних достижений был переработан раздел 7.5 и внесен ряд поправок и дополнений в остальные разделы.

Авторы выражают признательность дипл. физ. Г. Эггерту за переработку разд. 7.5 и дипл. инж. П. Полингу за его редак­ ционную обработку.

Вольфганг Эрлер Людвиг Вальтер

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

С 1965 г. на опытном заводе вибрационной техники и аку­ стики в г. Дрездене, влившемся в 1969 г. в объединенное народ­ ное предприятие «VEB RFT MeBelektronik Dresden», произво­ дятся полупроводниковые тензометрические измерительные преобразователи. От первых попыток применения нового чувстви­ тельного элемента для электрических измерений неэлектриче­ ских величин вскоре был осуществлен переход к его широкому практическому использованию. Хотя техника полупроводниковых преобразователей продолжает развиваться, она уже шагнула настолько далеко вперед, что настало время обобщить достиг­ нутые результаты.

В данной книге наряду с изложением основ тензометрической техники с применением мостов постоянного напряжения, по­ дробным анализом погрешностей измерения, явлений нелиней­ ности и дрейфа рассматриваются также различные области применения тензометрических измерительных преобразователей, излагаются математические и физические основы полупроводни­ ковых тензорезисторов, описываются их характеристики и дает­ ся обзор различных типов приборов этого типа, изготавливаемых промышленностью. В разделах «Полупроводниковые измеритель­ ные преобразователи», «Вторичные электронные измерительные приборы» и «Измерительные системы и промежуточные преоб­ разователи» не только приводятся примеры использования ука­ занных приборов, но и подробно рассматривается новая, ориги­ нальная и высокоэффективная измерительная система, которая сопоставляется с имевшимися ранее системами.

Книга предназначена для инженера-практика, занимающе­ гося измерениями. Она поможет ему выбирать наиболее целе­ сообразные способы измерений и комбинации измерительных средств в заводской лаборатории и облегчит отыскание си­ стемных решений задач, возникающих в сфере производственной измерительной техники и автоматизации. Для этих целей как нельзя лучше подходит именно «измерительная система с полу­ проводниковыми преобразователями» с ее унифицированными для всех устройств элементами преобразования механических величин в электрические.

Авторы стремились изложить материал в доступной форме, давая вместе с тем, где это необходимо, достаточно строгое и полное изложение теоретических основ. При написании этой книги авторы ставили себе прежде всего цель быстро ознако­ мить читателя с новыми результатами, методами и устройствами. В связи с этим им пришлось кое-где пожертвовать полнотой изложения.

Для обеспечения необходимой оперативности и в то же время достаточно глубокого изложения отдельных разделов к работе над книгой был привлечен коллектив авторов. В написании от­

дипл. инж. С. Глязер, дипл. физ. В. Грундман и дипл. инж.

ний были нам любезно предоставлены инженером Ниттнером. Его фундаментальные работы в области полупроводниковых тензорезисторов легли в основу создания «системы измерения с полупроводниковыми тензорезисторами».

Авторы выражают благодарность всем сотрудникам за их активный вклад в написание книги, а руководству предприятия «VEB RFT Mefielektronik» в Дрездене за интерес, проявленный к данной работе, и за разрешение опубликовать многочисленные принадлежащие предприятию материалы. Авторы благодарят также проф., д-ра т. н. Э. Г. Вошни и проф., д-ра т. н. А. Ленка за ряд ценных советов и выражают признательность сотрудни­ кам издательства, обеспечившим выпуск книги в столь сжатые сроки.

Вольфганг Эрлер Людвиг Вальтер

1. ВВЕДЕНИЕ

Электрические измерения неэлектрических величин заняли настолько прочное место в промышленном производстве и науч­ ных исследованиях, что нет необходимости особо подчеркивать их значение и преимущества. Любому инженеру, занимающе­ муся вопросами измерений, известно, что электрическими мето­ дами можно измерять различные величины, почти не оказывая обратного влияния на измеряемую величину, что полученные при этом электрические сигналы могут быть подвергнуты лю­ бому требуемому усилению, что эти сигналы могут быть пере­ даны на большие расстояния и что электрическими методами можно в кратчайшие сроки производить самые сложные измере­ ния. Но именно широкое распространение электрических мето­ дов измерения неэлектрических величин и разнообразные воз­ можности, которые при этом возникают, выдвинули ряд новых проблем: как разобраться во всем этом многообразии методов и приборов, как оперативно получать необходимую информацию о возможностях тех или иных измерительных средств и как оптимально использовать имеющиеся капиталовложения с таким расчетом, чтобы с тем же набором измерительных средств можно было решать как можно больше измерительных задач?

Эти проблемы постоянно нарастают по объему и требуют решения. Решение их возможно на пути создания универсальных измерительных систем. Такие системы должны быть построены по блочному принципу, причем при решении различных измери­ тельных задач в них должны использоваться по возможности унифицированные измерительные и преобразовательные эле­ менты. Термин «преобразователь» здесь используется в широком смысле, включая также и управляемые коммутирующие эле­ менты.

Весьма общее решение по созданию измерительной системы электрических измерений механических величин дает примене­ ние в качестве первичных измерительных преобразователей по­ лупроводниковых тензорезисторов. Эти элементы ведут себя по­ добно широко известным проволочным или фольговым тензорезисторам (тензосопротивлениям), превосходя их, однако, по своей тензочувствительности (коэффициенту К). Коэффициент К у полупроводниковых тензорезисторов почти на два порядка выше, поэтому в случае продольных деформаций в 0,1%

16 1. Введение

сопротивление меняется примерно на 10%. Следовательно, при основном сопротивлении тензорезистора порядка 100 Ом дости­ гаются абсолютные изменения сопротивления от нескольких до 10 Ом. Столь большие изменения сопротивлений практически устраняют многие трудности, с которыми связано использование проволочных тензорезисторов, например искажения, вызываемые термо-э. д. с. или изменением переходных сопротивлений контак­ тов в подводящих проводах.

Высокий коэффициент К у полупроводниковых тензорезисто­ ров устраняет не только неприятные побочные явления, но от­ крывает по сравнению с проволочными тензорезисторами совер­ шенно новые возможности с весьма обнадеживающими перспек­ тивами. В этой связи следует прежде всего отметить, что отношение изменения сопротивления под действием температуры

кизменению сопротивления под воздействием измеряемой вели­ чины в этом случае даже несколько меньше, чем у проволочного тензорезистора. Вследствие высокой чувствительности для изме­ рений можно применять мостовую схему, питаемую постоянным напряжением, которая во многих случаях может подключаться

киндикаторным или регистрирующим приборам без усилителей. Питание постоянным напряжением отличается чрезвычайной

стабильностью, так что в целом достигается высокая точность измерений и высокая надежность всего устройства. Для изме­ рения крайне малых продольных деформаций достаточно при­ менения усилителя постоянного тока с малым коэффициентом усиления, который легко реализовать средствами современной электроники.

С помощью полупроводниковых тензорезисторов, имеющих форму небольших элементов (толщина порядка нескольких со­ тых миллиметра, ширина порядка нескольких десятых милли­ метра и длина порядка нескольких миллиметров), можно изго­ товить самые разнообразные первичные измерительные преоб­ разователи продольных деформаций, сил, давлений, ускорений, перемещений и т. д., которые все без исключения могут работать по одной и той же простой электронной схеме. Это создает дей­ ствительно хорошую основу для построения измерительной си­ стемы, удовлетворяющей поставленным выше требованиям. Сей­ час эта область бурно развивается, причем полным ходом ве­ дутся исследования по разработке изоляции полупроводниковых тензорезисторов за счет окисления поверхности установки и ра­ боты по изготовлению интегральных элементов с помощью ком­ плектных полупроводниковых мостов. Развитию безусилительной техники способствует наличие стабильных цифровых индикатор­ ных устройств высокой точности. Разрешающая способность чув­ ствительных цифровых вольтметров составляет, например, около J0 мкВ, а стандартный сигнал измерительных преобразовать-