способ измерения пространственного распределения физического поля

Классы МПК:G01D21/02 измерение двух или более переменных величин средствами, не отнесенными к другим подклассам 
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева
Приоритеты:
подача заявки:
1993-09-10
публикация патента:

Использование: в измерительной технике, при измерении пространственного распределения физических полей, которые вызывают изменение обратного тока p-n перехода (полей температуры, механического напряжения, магнитного поля и т.д.). Сущность изобретения: способ основан на измерении распределения локальной плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента, выполненного в виде протяженной трехслойной полупроводниковой p-n-p+ (или n-p-n+) структуры длиной L. Подключают к концам p (или n)-слоя источник постоянного электрического напряжения E, а между концами p (или n) и p+ (или n+)-слоя источник электрического напряжения U. Изменяя напряжение U в пределах Oспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100Uспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100E, измеряют зависимость тока I(U) от напряжения U, по которой определяют распределение локальной плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента. По распределению j(x) и по предварительно найденной экспериментальной или теоретически известной зависимости локальной плотности обратного тока j = F(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100) от величины измеряемого физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 определяют пространственное распределение физического поля j(x) вдоль чувствительного элемента. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

Формула изобретения

1. Способ измерения пространственного распределения физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного тока насыщения p-n-перехода) в интервале координат 0 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 x способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 L по величине обратного тока насыщения p-n-перехода, заключающийся в помещении чувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p- (или n-p-n)-структуры протяженностью L в исследуемое физическое поле, отличающийся тем, что к двум концам p(или n)- слоя p-n-p+ (или n-p-n+) структуры подают постоянное напряжение Е, а между одним из концов p (или n)-слоя и слоем p+ (или n+) подают напряжение U, изменяя которое в диапазоне 0 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 U способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 E с шагом способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т, где способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т- температурный потенциал, измеряют зависимость тока I(U), протекающего через внешний электрический вывод от p+-слоя, от напряжения U, вычисляют разность токов способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U) = I(U+способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2) - I(U-способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2), определяют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = Kспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U)/способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L, где координата х пропорциональна U и определяется выражением x UL/E; К экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L = способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100UL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100) определяют искомое пространственное распределение способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) физического поля воль чувствительного элемента.

2. Способ измерения пространственного распределения физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного тока насыщения p-n-перехода) в интервале координат 0 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 x способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 L по величине обратного тока насыщения p-n-перехода, заключающийся в помещении чувствительного элемента на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p (или n-p-n)-структуры протяженностью L в исследуемое физическое поле, отличающийся тем, что к двум концам p(или n)-слоя p-n-p+ (или n-p-n+)структуры подают постоянное напряжение Е, а между одним из концов p (или n)-слоя и слоем p+ (или n+) подают суммарное напряжение Uспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 = U+Umsinспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100t, где Umспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т, способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т- температурный потенциал, а частоту способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 гармонического сигнала выбирают из условия

wнспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 1/LRC,

где способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100н- верхняя частота спектра электрического сигнала U;

R погонное сопротивление p-слоя;

С входная емкость между p- и p+-слоями,

и, изменяя напряжение U в диапазоне 0 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 U способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 E, измеряют зависимость амплитуды переменного тока Im(U), протекающего через внешний электрический вывод от p+-слоя, от напряжения U, вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = 2KIm(U)/способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L, где координата х пропорциональна U и определяется выражением x UL/E, где К экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L = 2UmL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100) определяют искомое пространственное распределением способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) физического поля вдоль чувствительного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении пространственного распределения физических полей, которые вызывают изменение обратного тока p-n перехода (например, полей температуры, механического напряжения, магнитного поля и т.д.).

Известны способы измерения пространственного распределения физических полей, основанные на сканировании измеряемого физического поля одним дискретным датчиком (патент США N 4875782 G 01 K 7/04 1990), либо применением множества дискретных датчиков (Польша N 267058 G 01 K 1989). Недостатком этих способов является необходимость применения механических сканирующих устройств или множества чувствительных элементов.

Известен способ измерения физических полей (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного насыщения тока p-n перехода), основанный на зависимости обратного тока насыщения p-n перехода от величины воздействующего физического поля (Викулин И. М. Стафеев В.и. Физика полупроводников приборов. 2-е изд. перераб. и доп.-М. Радио и связь, 1990, с. 204). Этот способ заключается в следующем. Помещают чувствительный элемент на основе двухслойной p-n или трехслойной p-n-p (или n-p-n) структур в исследуемую точку физического поля и по априорно известной зависимости обратного тока насыщения p-n перехода от величины физического поля определяют значение измеряемого физического поля в точке размещения чувствительного элемента например: 1) температурного поля: Викулин И. М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. 2-е изд. перераб. и доп. М. Радио и связь, 1990. с. 204, 206; 2) механического напряжения: Викулин И.М. Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики. М. Сов. радио, 1975. с. 20,28; 3) магнитное поле: Викулин И.М. Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики. М. Сов.радио, 1975, с. 75,85.

Данный способ не позволяет измерять пространственное распределение физического поля одним неподвижным датчиком. Названным способом возможно измерение пространственного распределения физического поля только применением множества датчиков, либо механически перемещаемого в физическом поле одного датчика, что усложняет реализацию данного способа.

Техническая задача, решаемая при создании изобретения, заключается в определении пространственного распределения физического поля с помощью одного протяженного (одномерного) полупроводникового чувствительного элемента.

Эта задача решается тем, что в способе измерения пространственного распределения физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного тока насыщения p-n перехода) в интервале координат Oспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100x способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L по величине обратного тока насыщения p-n перехода, который состоит в том, что помещают чувствительный элемент на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p (или n-p-n) структуры протяженностью L в исследуемое физическое поле, к двум концам p (или n) слоя p-n-p+) структуры подают постоянное напряжение E а между одним из концов p (или n)-слоя и слоем p+ (или n+) подают напряжение U, изменяя которое в диапазоне Oспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100Uспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100E с шагом способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т где способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т температурный потенциал, измеряют зависимость тока I(U), протекающего через внешний электрический вывод от p+-слоя, от напряжения U, вычисляют разность токов способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U)=I(U+способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2)-I(U-способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2), определяют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x)=K способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U)/способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L, где координата x пропорциональна U и определяется выражением x=UL/E, K -экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L= способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100UL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100) определяют искомое пространственное распределение способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) (x) физического поля вдоль чувствительного элемента.

Эта задача решается также тем, что в способе измерения пространственного распределения физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) (полей температуры, механического напряжения, магнитного и других полей, способных вызывать изменение обратного тока насыщения p-n перехода) в интервале координат Oспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100xспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L по величине обратного тока насыщения p-n перехода, который состоит в том, что помещают чувствительный элемент на основе полупроводниковой трехслойной p-n-p (или n-p-n) структуры протяженностью L в исследуемое физическое поле, к двум концам p (или n) слоя p-n-p+ (или n-p-n+) структуры подают постоянное напряжение E, а между одним из концов p (или n)-слоя и слоем p+ (или n+) подают суммарное напряжение Uспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100= U+Umsinспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100t, где Umспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т, способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т - температурный потенциал, а частоту способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 гармонического сигнала выбирают из условия wнспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 1/(LR C) где способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100н верхняя частота спектра электрического сигнала U, R - погонное сопротивление p-слоя, C входная емкость между p и p+ слоями, и, изменяя напряжение U в диапазоне Oспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100Uспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100E, измеряют зависимость амплитуды переменного тока Im(U), протекающего через внешний электрический вывод от p+-слоя, от напряжения U, вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль длины чувствительного элемента по соотношению j(x) = 2K Im(U)/способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L, где координата x пропорциональна U и определяется выражением x=UL/E, K-экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L = 2UmL/E, затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100) определяют искомое пространственное распределение способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) физического поля вдоль чувствительного элемента.

На фиг.1 представлена измерительная схема реализующая способ и возможное пространственное распределение физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) вдоль чувствительного элемента, которое необходимо измерить.

На фиг. 2а приведена эквивалентная электрическая схема чувствительного элемента; на фиг.2б эквивалентная электрическая схема элементарного участка чувствительного элемента длиной dx.

На фиг.3 изображен график функции S(x):

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

при L= 1, способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т=0,025, E = 1000 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т, c=1 Кривая 1 соответствует xB 0,3 L, а кривая 2 соответствует xB=0,8 L.

На фиг. 4 представлена измерительная схема реализующая способ с применением переменного сигнала.

На фиг.5 представлен один из вариантов устройства реализующего способ с применением переменного сигнала.

Устройство по фиг.2 содержит: полупроводниковый чувствительный элемент с p-n-p+ структурой, источник 2 постоянного напряжения E=const, регулируемый источник 3 напряжения U, вольтметр постоянного напряжения 4, микроамперметр постоянного тока 5. Устройство по фиг.4 содержит: полупроводниковый чувствительный элемент 1 с p-n-p+ структурой, источник 2 постоянного напряжения E= const, регулируемый источник 3 напряжения U, вольтметр постоянного напряжения 4, источник гармонического сигнала Us(t)5, микроамперметр переменного тока 6. Устройство по фиг.5 содержит: полупроводниковый чувствительный элемент 1 с p-n-p+ структурой, источник 2 постоянного напряжения E, генератор гармонического сигнала Us(t) 7, генератор пилообразного напряжения U 8, сумматор 9, усилитель 10, детектор 11, функциональный преобразователь 12, регистратор 13, токосъемный резистор Ro, разделительный конденсатор Сp.

Способ измерения заключается в следующем. Пространственное распределение физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 вдоль полупроводникового чувствительного элемента длиной L, где x расстояние от начала чувствительного элемента, вследствие зависимости локальных обратных токов насыщения p-n перехода от данного физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 вызывает соответствующее пространственное распределение локальных плотностей обратных токов насыщения j(x) (j(x1), j(x2), j(x3).) вдоль чувствительного элемента. Например: 1) зависимость обратных токов насыщения p-n перехода от температуры T определяется выражением

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

где Eg потенциальный барьер p-n перехода, k постоянная Больцмана, A- коэффициент пропорциональности (Викулин И.М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. 2-е изд. перераб. и доп. М. Радио и связь, 1990, с.33, 204);

2) зависимость обратных токов насыщения p-n перехода от механического напряжения F определяется выражением:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

где C коэффициент пропорциональности, способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100p эффективная подвижность электронов, ni концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике (Викулин И.М. Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики. М. Сов.радио, 1975 с. 21);

3) зависимость обратных токов насыщения p-n перехода от магнитной индукции B определяется выражением:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

где g элементарный заряд, способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100рэ время жизни носителей заряда, nn подвижность носителей в n слое, S площадь перехода (Викулин И.М, Стафеев В.И. Полупроводниковые датчики, М. Сов.радио, 1975, с.75).

Таким образом, по найденному пространственному распределению локальной плотности тока j(x) вдоль чувствительного элемента и известной зависимости плотности тока насыщения j от величины воздействующего физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(т.е. j = F(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100)) можно определить пространственное распределение физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x)) вдоль чувствительного элемента.

Рассмотрим чувствительный элемент, изображенный на фиг.1. Количество основных носителей заряда в p-слое меньше, чем в обогащенном p+-слое, значит погонное сопротивление R-p-слоя значительно больше погонного сопротивления R+-p+-слоя, т. е. R>R+. Следовательно, в эквивалентной электрической схеме чувствительного элемента погонным сопротивлением p+-слоя можно пренебречь. Эквивалентная электрическая схема чувствительного элемента представлена на фиг. 2а, а эквивалентная электрическая схема элементарного участка чувствительного элемента длиной dx изображена на фиг.2б. Он состоит из двух сопротивлений R/2 и двух встречно включенных диодов D1, D2.

Найдем зависимость локальной плотности тока jl(x) произвольного участка dx чувствительного элемента (фиг.2б) от воздействующего на него напряжения U(x). Для этого выразим jl(x) через плотности обратных токов насыщения j01(x) и j02(x) диодов D1, D2 (Викулин И.М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. 2-е изд. перераб. и доп. М. Радио и связь, 1990. с.12):

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

где способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т=kT/q температурный потенциал, U1(x) и U2(х) падение напряжения на диодах D1 и D2 соответственно. Появление знака минус (-) в показателе экспоненты в соответствии (2), для данной полярности напряжения U(x) (фиг.2б), обусловлено обратным включением диода D2. Напряжение U(x) равно сумме напряжений U1(x) и U2(x): U(x)= U1(x)+ U2(x).

Выразим напряжения U1(x) и U2(x) через плотности обратных токов насыщения j01(x) и j02(x):

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Подставив (4) и (5) в (3), найдем зависимость локальной плотности тока jl(x) от напряжения U(x):

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

гдe j(x)= j01(x) плотность обратного тока насыщения диода D1, c= j01(x)/j02(x)- const, для всех элементарных участков dx, так как на оба перехода p-n-p+ структуры действует одно и тоже измеряемое поле способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) При идентичности диодов D1, D2 c=1, так как j01(x)=j02(x).

Рассмотрим включение чувствительного элемента по схеме фиг.1.

Полный ток 1, протекающий через внешний электрический вывод от p+-слоя, является суммой локальных токов всех элементарных участков dx по длине чувствительного элемента.

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

К концам p0-слоя приложено напряжение E=const, а общее сопротивление p-слоя Rспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100= LR. Следовательно, ток IE, протекающий в цепи источника E,

I = E/Rспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100= E/LR. (8)

При условии IE>>1 вдоль чувствительного элемента, устанавливается линейное распределение потенциала

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Условие IE>>1 легко обеспечивается соответствующим выбором значений E и R, а также из-за малости обратных токов p-n перехода (порядка десятков микроампер).

При указанной полярности напряжений E и U (фиг.1), левый конец p-слоя (электрический вывод "а") находится под положительным потенциалом, а правый конец p-слоя (электрический вывод "с") под отрицательным. Следовательно, вдоль p-слоя устанавливается некоторое распределение потенциала U(x) и имеется некоторая точка B с координатой xB, потенциал в которой равен нулю (т. е.U(x)B=0).

Координату xB точки нулевого потенциала B, для заданного напряжения U, найдем из (9), решив уравнение U(xB) 0 относительно x:

xB UL/E.

Как видно из (10), координата xB прямо пропорциональна напряжению U.

Ток I(U), протекающий через внешний вывод от p+-слоя, при заданном напряжении U найдем из (7):

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Пусть напряжение U изменится на величину способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U Тогда координата xB, определяемая по соотношению (10), сместится на величину способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

а новое значение тока I(U+способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U) определяется выражением:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Приращение тока способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U) вызванное изменением напряжения U на способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U будет:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Представим выражение jl(x,U+способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U) рядом Тейлора:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

В линейном приближении выражение (15) примет вид

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Подставив соотношение (16) в (14) получим:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Подставив соотношение (6) с учетом соотношения (10) в выражение (17) получим:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Из соотношения (10) следует способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 тогда выражение (18) примет вид:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Представим способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I в виде:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Рассмотрим функцию S(x), входящую в подынтегральное выражение (20).

Графики функции S(x), при способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т= 0,025 B, E=1000 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100г L 1, c=1 представлен на фиг.3. Кривая 1 соответствует xB 0,3L, а кривая 2 соответствует xB 0,9L. Как видно из фиг.3 максимум функции S(x) находится в точке с координатой x xB: Smax 1/(c + 1)2 0,25.

Внутри интервала (xв-способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100l/2)<x<(x+способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100l/2) при Eспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т функцию S(x) можно полагать постоянной и равной Smax, а вне этого интервала функцию S(x) равной нулю. Тогда функцию S(x) можно представить в виде:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

где способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100l имеет смысл разрешающей способности.

Соотношение (20) с учетом (22) примет вид:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Разрешив выражение (23) относительно плотности обратного тока насыщения j(xB) и заменив (из соотношения (12)) способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U на способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100LE/L получим:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

где способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Следовательно, координата произвольной точки xB, в которой необходимо найти j(xB), определяется напряжением U. При изменении напряжения U в диапазоне 0 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 U способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 E координата xB меняется в интервале 0 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 xB способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L. Преобразуем соотношение (24) к следующему виду:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

где x (U/E)L, способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности, а способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L = (способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/E)L.

Для упрощения, выкладки при определении j(x) производились для правосторонних разностей способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U) = I(U+способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U)-I(U). Подобные же выкладки можно сделать и для центральных разностей способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U) = I(U+способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2)-I(U-способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2) (Корн Г. Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. 5-е изд. М. Наука 1984, с. 668). Но применение центральных разностей способно обеспечить более точное определение j(x), а значит и более точное определение пространственного распределения физического поля способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x).

Таким образом, способ измерения заключается в следующем (фиг.1):

устанавливают чувствительный элемент в исследуемое физическое поле способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x)

подключают источники напряжения согласно фиг.1;

задают значение U от 0 до E с шагом способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т(U1, U2, U3...), и измеряют зависимость тока I(U) (I(U1), I(U2), I(U3).), протекающего через внешний электрический вывод p+-слоя, от напряжения U;

находят зависимость разности токов способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U) от U

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U)= I(U+способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2)-I(U-способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2); (26)

вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента:

j(x) = Kспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(U)/способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L, (27)

где способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L = (способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/E)L, x=(U/E)L,

K экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности.

Затем по найденному распределению j(x) и по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j=F(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100) определяют искомое пространственное распределение способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) физического поля вдоль чувствительного элемента

Рассмотрим включение чувствительного элемента по схеме фиг.4. От способа по фиг.1 способ по фиг.4 отличается тем, что между p и p+-слоями чувствительного элемента подают суммарное напряжение способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100, равное сумме напряжения U с гармоническим сигналом малой амплитуды Us(t)=Umsin(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100,t)(Umспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т). Через внешний контакт p+-слоя протекает ток способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

I(Uспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100)=I(U+Umsin(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100t))= I(U)+Im(U)sin(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100t). (28)

Решим уравнение (28) относительно Im(U)sin(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100t):

Im(U)sin(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100t) = I(U+Umsin(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100t))-I(U). (29)

Из соотношения (29) найдем амплитуду Im(U), для этого рассмотрим выражение (29) при sin(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100t) = способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 1 и получим соответственно:

Im(U) I(U + Um) I(U),

-Im(U) I(U Um) I(U).

Вычтем из соотношения (30) соотношение (31):

2Im(U) I(U + Um) I(U Um).

Сравним выражение (32) с выражением (26), откуда следует, что:

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100I(U)= 2 Im(U), способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2=Um.

Тогда соотношение (26) для распределения плотности тока насыщения j(x) примет вид: (33)

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

где

способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100

Частоту способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 гармонического сигнала следует выбирать из условий wнспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100в где частота способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100в= 1/(RLC) -определяется влиянием входной емкости C между р и p+-слоями, в частота способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100н влиянием на измерения спектральных составляющих напряжений U.

Таким образом, способ измерения заключается в следующем (фиг. 4):

устанавливают чувствительный элемент в исследуемое физическое поле способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x):

подключают источники напряжения согласно фиг. 4, причем частота способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 гармонического сигнала способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 выбирается из условия способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100н<способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100< 1/(RLC) а амплитуда Umспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т;

изменяя напряжение U от O и E измеряют зависимость амплитуды тока Im(U), протекающему через электрический вывод p+-слоя, от напряжения U;

вычисляют распределение плотности обратного тока насыщения j(x) вдоль чувствительного элемента:

j(x)=2Kспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100Im(U)/способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L, (34)

где способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100L = (2Um/E)L, x= (U/E)L, К-экспериментально определяемый коэффициент пропорциональности.

Затем по найденному распределению j(x) и предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости плотности обратного тока насыщения от величины измеряемого физического поля j = F(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100) определяют искомое пространственное распределение способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100(x) физического поля вдоль чувствительного элемента.

Температурный потенциал способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т= kT/q, в частном случае, при измерении температурного поля T(x), также является функцией координаты x вдоль чувствительного элемента способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т(x) = kT(x)/q. При измерении других физических полей, при T(x) T const, температурный потенциал способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т вдоль чувствительного элемента одинаковый, т. е. способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т(x) = способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т-const Влияние способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т, при измерении температурного поля T(x) учитывается при экспериментальном нахождении коэффициента K.

Способ по фиг. 1 реализуется применительно к нахождению температурного поля T(x) следующим образом. Предварительно находят зависимость плотности обратного тока насыщения j(T) от температуры.

Один из вариантов нахождения j(T) состоит в следующем. Подключают к чувствительному элементу источник напряжения U и измерительные приборы согласно фиг. 1 (источник напряжения E-отключен). Помещают чувствительный элемент в однородное (не зависящее от x температурное поле T(x) T, изменяя температуру которого (T T1, T T2, T T3.), измеряют зависимость тока I(T) от температуры, по которой определяют зависимость плотности обратного тока насыщения j(T) от температуры (J(T) I(T)/L).

Устанавливают термочувствительный элемент 1 в исследуемое температурное поле T(x). Подают к концам р-слоя чувствительного элемента 1 (фиг.1) с источника 2 постоянное напряжение E. С регулируемого источника 3 напряжения U подают на вольтметр 4 и через микроамперметр постоянного тока 5 на термочувствительный элемент 1 (электрический вывод "a" и "b"). Изменяют напряжение U от O до E с шагом способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2 т.е. U = Ui= (способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U/2)способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100i где i -порядковый номер измерения (0способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 iспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 2E/способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U) которое контролируют при помощи вольтметра 4. И измеряют микроамперметром 5 ток I(Uj), где Ui, I(Ui) показания вольтметра 4 и микроамперметра 5 в i-м измерении. Затем находят разность токов способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100i(U)=I(Ui+1)-I(Ui-1) По найденной разности токов способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100i(U) по соотношению (27) определяют распределение j(x) вдоль чувствительного элемента, причем координата x определяется из выражения x (U/E)L. Затем по предварительно найденной зависимости j F(T) определяют искомое пространственное распределение T(x).

Определение пространственного распределения механического напряжения, магнитного поля и других полей, способных вызывать изменение обратного тока p-n перехода (Викулин И.М. Стафеев В.И. Физика полупроводникового приборов - 2-е изд. перераб. и доп. М. Радио и связь, 1990. с. 212-213,222) устройством по фиг.1 аналогично но описанному, но необходимо применять датчик, чувствительный к данному виду физических воздействий, определить коэффициент пропорциональности K и зависимость плотности обратного тока насыщения j(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100) от величины измеряемого физического поля.

Устройство по фиг. 5 реализует способ применительно к нахождению температурного поля T(x) следующим образом. Предварительно находят коэффициент пропорциональности K и зависимость плотности обратного тока насыщения j(T) от температуры (аналогично изложенному выше), и заносят их в функциональный преобразователь 12.

Устанавливают термочувствительный элемент 1 в исследуемое температурное поле T(x). Подают к концам p-слоя чувствительного элемента 1 фиг.5 (электрический вывод "a" и "c") с источника 2 постоянное напряжение E. На сумматор 9 подают с генератора 8 периодическое пилообразное напряжение U(t)(Oспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100U(t)способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100E) и с генератора 7 гармоническое напряжение Us(t) = Umsin(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100t) где Umспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100т. С выхода сумматора 9 напряжение Uспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100= U(t)+Us(t) подают между p и p+-слоем термочувствительного элемента 1 (электрический вывод "a" и "b"). Токосъемного резистора R0 напряжение способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 через усилитель 10 поступает на амплитудный детектор 11. С выхода детектора 11 напряжение способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 пропорциональное плотности обратного тока насыщения j(x), в точке x, подается не вход функционального преобразователя 12, с выхода которого напряжение Uспособ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100 пропорциональное температуре T(x), подается на регистратор 13. На которое также напряжение U(t), пропорциональное координате x вдоль чувствительного элемента.

Определение пространственного распределения механического напряжения, магнитного поля и других полей, способных вызывать изменение обратного тока p-n перехода, устройством по фиг. 5 аналогично описанному. Но необходимо применить датчик, чувствительный к данному виду физических воздействий, и определить зависимость плотности обратного тока насыщения j(способ измерения пространственного распределения   физического поля, патент № 2082100) от величины измеряемого физического поля и коэффициент пропорциональности K, которые заносят в функциональный преобразователь 12.

Опытный образец (макет) термочувствительного элемента 1 представляет собой дискретную модель из двадцати последовательно соединенных элементарных ячеек, выполненных на диодах типа КД104А и резисторах типа C2-29B с номиналом 100 (+ 0,25%) Ом. Диоды подобраны по обратному току насыщения с погрешностью не более 1%

Измерительная база 200 м.

В качестве блоков по фиг. 1 были взяты следующие стандартные приборы: источник 2 постоянного напряжения E-TEC-20, регулируемый источник 3 напряжения U-Г6-27, вольтметр постоянного напряжения 4-В7-16, микроамперметр постоянного тока 5-В7-21.

В качестве блоков по фиг.5 были взяты следующие стандартные приборы: источник 2 постоянного напряжения E-TEC-20, генератор гармонического сигнала Us 7-Г3-118, генератор пилообразного напряжения 8-Г6-27, регистратор 13 - осциллограф C1-68. Усилитель 10, амплитудный детектор 11, функциональный преобразователь 12 выполнены на основе интегральных операционных усилителей типа К140УД17, К140УД6.

Класс G01D21/02 измерение двух или более переменных величин средствами, не отнесенными к другим подклассам 

управляемый электронным способом асинхронный электродвигатель и устройство для проверки и регулировки блоков регулирования напряжения -  патент 2464698 (20.10.2012)
устройство для передачи измеренных величин -  патент 2439501 (10.01.2012)
устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве -  патент 2316732 (10.02.2008)
способ выявления на местности зон экологических аномалий -  патент 2296322 (27.03.2007)
устройство для измерения переменных скалярных величин, распределенных в пространстве -  патент 2232977 (20.07.2004)
способ измерения сверхмалой высоты полета самолета, преимущественно гидросамолета, над водной поверхностью и параметров морского волнения -  патент 2183010 (27.05.2002)
способ комплексирования измерений -  патент 2035697 (20.05.1995)
Наверх