CC BY
12КОНСТРУИРОВАНИЕ ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
рии фракталов. Отличие состоит в том, что отображаемое пространство не является метрическим, а диапазон изменения масштаба конечен.
Принцип фрактальности позволяет использовать рекурсию для получения функции F1 преобразования входных универсальных параметров ФФ в выходные (2):
, ч Г A0{k,n,i) npns = (
\f{k,j,A(k,n-\,\),A(k,n-\,2),...,A[k,n-\,m(n-\)1^ npns>( (2)
где s - код структуры блока (0 - простой, 1 - составной); j - номер вида соединения из множества S элементов каждого узла; п - количество уровней иерархии; m(n) - количество блоков на каждом уровне иерархии, начиная с нижнего; i - порядковый номер блока на рассматриваемом уровне иерархии; к - номер эксплуатационной характеристики; А = fk(i,n,j) -значение k-й эксплуатационной характеристики i-ro блока уровня иерархии n j -го вида соединения элементов декомпозиции блока.
Для ФФ на основе ЖС j = const.
Созданная концептуальная модель преобразователей информации для формализованного описания явлений и процессов различной физической природы позволила разработать эффективную структуру базы данных, алгоритмы для машинного синтеза новых технических решений и расчета их выходных параметров, а также модели конкретных преобразователей.
Библиографический список
1. Шикульская, О. М. Фрактальное моделирование упругих элементов микроэлектронных преобразователей с учетом распределенных параметров : монография / О. М. Шикульская ; Астраханский государственный технический университет. - Астрахань : Изд-во АГТУ, 2006. - 128 с.
2. Шикульская. О. М. Функциональное моделирование датчиков на основе фрактальной концепции / Шикульская О. М. // Надежность и качество : труды Международного симпозиума : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова - Пенза : Информационно-издательский центр ПГУ, 2007.-Т. 1-С. 381-382.
УДК 681.586’326.001.057
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ТЕНЗОЭФФЕКТА
О. М. Шикульская, О. С. Константинова
Использование теории энерго-информационных моделей цепей позволяет автоматизировать синтез новых технических решений. Для расширения области автоматически синтезируемых технических устройств и упрощения алгоритма синтеза предложено использовать при синтезе, кроме элементарных звеньев, универсальные составные структурные единицы синтеза. Для измерения различных механических величин часто используется тензоэффект. Разработаны модели полупроводниковых чувствительных элементов на основе тензоэффекта, которые позволяют использовать их при автоматизированном синтезе физического принципа действия на этапе концептуального проектирования.
Ключевые слова: теория энерго-информационных моделей цепей, тензоэффект, тен-зорезистор, физико-технический эффект, параметр, величина.
ПРИКАСПИЙСКИЙ ЖУРНАЛ: управление и высокие технологии № 1 (5) 2009
Keywords: the theory of energy-information models of circuits, tensoresistive effect, resis-tive-strain sensor, physicotechnical effect, parameter, value.
Процессы первичного восприятия и переработки информации в преобразователях, несмотря на использование самых различных явлений, требуют для своего описания единой обобщенной модели. Такую задачу решает теория энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ) и аппарат параметрических структурных схем (ПСС), которые позволяют рассматривать явления различной физической природы с помощью уравнений, инвариантных к самой физической природе.
ЭИМЦ [1] представляют собой совокупность аналитических зависимостей между величинами (переменными во времени) и параметрами (относительно постоянными во времени) в идеализированной цепи определенной физической природы, аналогичные совокупностям зависимостей между величинами и параметрами в цепях другой физической природы.
Действие любого преобразователя основано на взаимодействии цепей различной физической природы, что позволяет формализовать описание принципа действия преобразователя в виде параметрической структурной схемы (ПСС). Каждое элементарное звено такой схемы соответствует одному преобразованию и отражает параметр, или физико-технический эффект (ФТЭ). Параметр характеризует элементарную зависимость между величинами одной физической природы, ФТЭ - зависимость величины одной физической природы от величины другой физической природы или параметра от любой величины.
Совокупность таких звеньев, соединенных между собой в определенном порядке, образует параметрическую структурную схему.
Использование теории ЭИМЦ цепей позволяет автоматизировать синтез новых технических решений. Для расширения области автоматически синтезируемых технических устройств и упрощения алгоритма синтеза предложено использовать при синтезе, кроме элементарных звеньев, универсальные составные структурные единицы синтеза [2, 5, 6].
Для измерения различных механических величин часто используется тензоэффект, заключающийся в изменении электрического сопротивления деформируемого элемента. Тензорезисто-ры могут изготавливаться как из металла, так и из полупроводников. Зависимость величины изменения электрического сопротивления от деформации носит линейный характер [4].
Для полупроводниковых тензорезисторов, эксплуатируемых при постоянной температуре 25 °С, эта зависимость квадратичная [3].
8 - деформация тензорезистора;
р0 - электрическое сопротивление не деформированного элемента;
(у р(|) - первый (основной) коэффициент тензочувствительности;
(у р(. / - второй (дополнительный) коэффициент тензочувствительности.
Разработанная энерго-информационная модель тензоэффекта из полупроводникового материала представлена параметрической структурной схемой (рис. 1) и описывающим ее уравнением (4).
где ()Мл = е - деформация тензорезистора;
1Э - электрический ток;
11э - электрическое напряжение;
Яэ0 - начальное сопротивление тензорезистора;
Я - сопротивление тензорезистора при текущей деформации;
~ -С\(Ро)е + С2(Ро)е2 К
(1)
где - относительное изменение сопротивления тензорезистора;
R
КОНСТРУИРОВАНИЕ ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
АЯ : - изменение сопротивления тензорезистора в результате деформации:
КіЗмліізі = (298/Т) Сі(ро) - первый (основной) коэффициент тензочувствительности; К%ЕййгКдиа1= (298/Т)С2(ро) - второй (дополнительный) коэффициент тензочувствительности; К<5млк = 1 - дополнительный коэффициент, введенный для получения в энерго-информационной модели квадратичной зависимости.
Оип Ош.
к,
к<
к,
ОмпКіЗ
(Ьо АР а
Иэ
Рис. 1. ГТСС полупроводникового тензорезистора при постоянной температуре X = 25 °С
Воздействие температуры на изменение электрического сопротивления деформируемого тензорезистора складывается из трех составляющих.
• изменение коэффициентов Сх(р0) и ( ;(р К
• изменение начального электрического сопротивления недеформируемого тензорезистора,
• разницы температурных линейных коэффициентов расширения тензорезистора и контролируемой детали.
Рассмотрим случай, когда контролируемая поверхность и тензорезистор выполнены из одинакового материала, что свойственно для полупроводниковых датчиков, которые являются монолитными. В этом случае температурные линейные коэффициенты расширения тензорезистора и контролируемой поверхности равны.
Учет изменения температуры в тензоэффекте описывается уравнениями (3-6).
7^=с1ггр0;е+с2ггр0;е2
где М„, - сопротивление ненапряженного тензодатчика при температуре X.
298
Су(р0)Е = —С1(р0)Е
С2г(РоМ2=[Щ С2(Ро)£2
%=Яо 25[1 + (3(Г-298)]
Температурный коэффициент сопротивления для этих материалов лежит в пределах (1.1 : 1.35)• 10 3 \/ С.
Таким образом, влияние температуры на работу полупроводниковых тензодатчиков сказывается как в изменении начального сопротивления ненапряженного датчика, так и в изменении коэффициентов С] и С2 в уравнении (1), т.е. в изменении коэффициента тензочувствительности .
(3)
(4)
(5)
(6)
ПРИКАСПИЙСКИЙ ЖУРНАЛ: управление и высокие технологии № 1 (5) 2009
Тензоэффект с учетом влияния температуры также был смоделирован. Его ПСС представлена на рис. 2.
и*
KUtQ,
Q:
MUt
Ut
к.
■UtK
Ei
■UtK
QmhS
Kq„
iRr-l
1 Jim К
----^о««Еэ2
Ut
ф
KutR
Ut
25
Б^т
■UtE
K,
■UtK
EutK
EutK
Ut
Ut
®-э0 25 Д]
Кэ
Рис. 2. ПСС полупроводникового тензорезистора с учетом влияния температуры
Элементы ПСС. Величины: є - деформация; Qrat = деформация под воздействием
температуры; Ut - температура; Ut 25 = 298 °К = 25 °С - температура, соответствующая нормальным условиям эксплуатации; 1э - электрический ток; U-, - электрическое напряжение.
Параметры: R щ сопротивление тензорезистора при отсутствии деформации и температуре 25 °С; Rgo - сопротивление тензорезистора при отсутствии деформации; R3 - сопротивление тензорезистора под воздействием деформации с учетом влияния температуры: AR3 - изменение сопротивления тензорезистора в результате деформации
ФТЭ: Кдуда = 298. Kutjf = 1; Kqmj1k3i = С (р,.) - первый (основной) коэффициент тензо-чувствительности; = Сзфп) - второй (дополнительный) коэффициент тензочувстви-
тельности; Жгшгм = TKJIP ~ температурный коэффициент линейного расширения; KutR = р - температурный коэффициент сопротивления ((1.1 -*■1.35)-10 51/ С).
Разработанные модели позволяют использовать их при автоматизированном синтезе физического принципа действия на этапе концептуального проектирования.
Библиографический список
1. Зарипов, М. Ф Энерго-информационный метод анализа и синтеза чувствительных элементов систем управления / М. Ф. Зарипов, И. Ю. Петрова // Датчики и системы. - 1999. — JVs 5
2. Зарипова, В. М. Модели и комплексы программ для синтеза датчиков с поддержкой многопользовательской работы в сети : дис. ... канд. техн. наук / В. М. Зарипова. - Астрахань, 2006. - 145 с.
3. Ильинская, Л. С. Полупроводниковые тензодатчики / Л. С. Ильинская, А. Н. Подмарь-ков // Библиотека по автоматике. - М. - Л. : Изд-во «Энергия», 1966. - Вып. 189. - 149 с.
4. Клокова, Н. П. Тензорезисторы: теория, методика расчета, разработки / Н. П. Клокова. - М. : Машиностроение, 1990. - 224 с.
5. Шикульская, О. М. Блочный анализ и синтез новых технических решений на основе энерго-информационного метода / О. М. Шикульская // Известия вузов. Поволжский регион. - 2006. - № 6. - С. 287-292. - (Сер. Техн. науки).
6. Шикульская, О. М. Концепция блочного синтеза новых технических решений / О. М. Шикульская // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. - 2006. - Прил. 7. - С. 30-32. - (Сер. Техн. науки).
