ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Заявляемый в качестве полезной модели преобразователь механических величин относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован в разработке устройств для измерения давлений, механических напряжений, ускорений и других механических величин.
Известен пъезооптический измерительный преобразователь, содержащий дифференциальную поляризационно-оптическую систему, состоящую из источника света и расположенных последовательно по ходу световых лучей поляризаторов, упругого элемента, фазосдвигающих пластинок, анализаторов и фотоприемников. В упругом элементе с противоположных сторон по ходу световых лучей выполнены глухие соосные отверстия (а.с. №1154564).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является преобразователь механических величин, который содержит источник света и установленные по ходу луча поляризатор, сегнетоэластический чувствительный элемент, выполненный в виде монодомена одного ориентационного состояния из кристалла ванадата висмута, при этом оптическое излучение направлено вдоль оси второго порядка, которая перпендикулярна заданному направлению действия усилия, которое направлено под углом 45° к главной кристаллографической оси, лежащей в плоскости симметрии (а.с. №1091036).
Недостатком известных устройств является невозможность расширения пределов измерения без увеличения габаритов упругого элемента, а так же небольшая чувствительность.
Задачей полезной модели является увеличение чувствительности.
Техническим результатом является расширение диапазона измерения при упрощении конструкции.
Достигается это за счет того, что преобразователь механических величин содержит оптически связанные источник света, чувствительный элемент и фотоприемник.
4
5
Чувствительный элемент выполнен в виде фотоприемника из монокристалла кремния, компенсированного марганцем, n-типа проводимости с кристаллографическим направлением [100] с удельным сопротивлением 5×10-5×10 Ом*см.
На фиг. 1 представлен общий вид преобразователя механических величин.
На фиг. 2 - график зависимости отношения фототока нагруженного чувствительного элемента к не нагруженному от его удельного сопротивления для различных кристаллографических направлений.
Преобразователь механических величин состоит из герметичного корпуса 1 с тремя электрическими выводами, в котором установлены оптически связанные чувствительный элемент, выполненный в виде фотоприемника 2 и источник света, например, светодиод 3.
Фотоприемник 2 из монокристаллического кремния прикрепляется с одной стороны через диэлектрическую подложку 4 к корпусу 1, а с другой стороны через вторую диэлектрическую подложку 5 - к штоку 6. Для улучшения теплообмена диэлектрические подложки 4 и 5 изготовляются из окиси бериллия. Светодиод 3 размещается рядом с фотоприемником 2. Один контакт светодиода 3 соединен с выводом A. Второй контакт светодиода 3, вместе с первым контактом фотоприемника 2, соединен с выводом B. Второй контакт фотоприемника 2 соединен с выводом C.
Заявляемый в качестве полезной модели преобразователь механических величин работает следующим образом.
Металлический корпус 1 помещается в жидкий азот. К электрическим выводам A, B и C подключаются источники напряжения. В цепь кристалла подключается прибор, регистрирующий электрический ток. Светодиод 3 постоянно освещает фотоприемник 2. В результате механического воздействия на фотоприемник 2 через шток 6 возрастает ток в цепи, по которому судят о величине воздействия.
-4
Чувствительный элемент - фотоприемник 2 изготавливается из монокристалла кремния, перекомпенсированного марганцем, на основе исходного материала марки КДБ-10 (ТУ-48-4-295-74). Диффузия марганца в кристалл проводится из газовой фазы в кварцевых ампулах, откачанных до вакуума P=10 мм рт.ст., при температуре 1100-1150°C в течение двух часов.
Монокристалл фотоприемника 2 имел размеры 5×1×0,5 мм с большим ребром, направленным вдоль кристаллографической оси [100].
Сжатие кристалла осуществляется при условии ,
где I - направление тока,
X - механическое напряжение.
4
5
4
12
4
5
Ф
Т
Выбор компенсированных образцов с удельным сопротивлением при комнатной температуре ρ=5×10-5×10 0м*см обусловлен тем, что фоточувствительность данных кристаллов в температурном интервале 70-150 К имеет максимальное значение, и кратность фототока находится в пределах I=10-10. За пределами 5×10-5×10 кратность фототока I существенно уменьшается, что уменьшает чувствительность преобразователя.
8
На фиг. 2 приведены зависимости отношений фототока при сжатии кристалла с X=8×10 Па к фототоку без сжатия X=0 от удельного сопротивления для различных кристаллографических направлений:
кривая 1 - для направления [100],
кривая 2 -  для направления  [110],
кривая 3  - для направления [111].
Из графиков видно, что чувствительность кристаллов, ориентированных по кристаллографическому направлению [100], значительно выше остальных направлений.
Таким образом, заявляемый в качестве полезной модели преобразователь механических величин позволяет на 35-50% повысить чувствительность и расширить диапазон измерений.