用传感器测空气相对压力系数

[大学物理实验]
[BME8 鲍小凡]
[学号：2008013215]
可视为零，压差△ p = pc ，差压传感器的输出电压记为Um 。然后停机械泵，从接头 H 上拔去塑料管 G，使 D 口也通大气。此时，△ p0 = 0，数字表的读数即为U0 。由（5）式可求得： kp = 二、测量若干组(������������ , ������������ )值 按图 6-3 接线，缓慢转动三通活塞使 C 口与 A 泡相通。调节恒流源 J，使室温下铜丝电阻上的电压小 于且接近 14mV。实验中恒流源不准再调。记下室温下的铜丝电压值Ut 和差压传感器的输出电压值Up 。然 后加热，铜丝电压每增加约。0.5mV 记一次(Ut , Up )值，最后记下水沸腾时的电压值，记为(Utb , Upb )。 三、实验前后用大气压强计各测一次大气压，同时记下室温值。 【注意事项】 （1）加热时要将磁力加热搅拌器的电源开关及加热开关同时接通，并调节孔温旋钮至所需温度。搅 拌器的旋转速度要适当，不可过快。 （2）实验时如需换水，要先将加热器的电源断开，“热得快”不能干烧。再用虹吸的方法将杯内的水吸 出。或将玻璃系统拿下放在备用的塑料杯上，再将玻璃杯内的水直接倒入实验室准备的塑料桶内，以便回 收再利用。注意搅拌器别倒掉。 （3）差压传感器和玻璃制品易损坏，操作时要小心。转动三通活塞时一定要缓慢，另一只手一定要 扶住活塞外壳。 （4）停泵后应立即将塑料管 G 从接头 H 上拔下，让机械泵抽气口通大气。否则，机械泵油会流出泵 体进入真空系统，造成污损。 （5）实验完毕，将加热器的调速旋钮和温控旋钮旋至最小位置，并将电源开关及加热开关打开。
[大学物理实验]
[BME8 鲍小凡]
[学号：2008013215]
用传感器测空气相对压力系数 实验报告
【实验目的】 1. 加深对理想气体状态方程和查理定律的理解。 2. 初步了解铜电阻温度传感器和硅压阻式差压传感器的工作原理并掌握其使用方法。 3. 学习用作图法和计算机作直线拟合法处理实验数据。 【实验原理】 一、理想气体的查理定律 理想气体的查理定律理想气体状态方程在定容条件下简化为查理定律，所以 p0 T p0 T0 + t p= = = p0 1 + α p t (1) T0 T0 式中，t 为气体的摄氏温度，T0 = 273.15K, p0 和 p 分别为气体在温度为 0℃和 t℃时的气体压强;αp 为 相对压力系数， 定义为αp = p
[大学物理实验]
[BME8 鲍小凡]
[学号：2008013215]
式中U0 为压差为零时的输出电压，系数k p 一般为一常数。若传感器的接口 D（参考压力腔）通大气， 接口 C （正压力腔）通被测介质，则： p = pc + Up − U0 kp (6)
式中pc 为大气压强。该压阻式差压传感器可用于非腐蚀性气体和液体的压力或压差的测量。测量范围 为0Pa~105 Pa，综合精度为 0.3%。扩散型压力传感器具有体积小、灵敏度高、稳定性好等优点。十字形四 端应变片与传统的四电阻电桥（在硅膜片上的特定方位上用扩散法形成四个电阻并连成一桥路）式应变片 相比，可靠性和一致性更好。 【实验仪器】 差压传感器，数字电压表，机械泵，恒流源，大气压强计，磁力加热搅拌器。 【实验步骤】 一、压差传感器的定标 按一定的计量标准确定计量器件或其指示部分所表示的量值称为定标。本实验中就是指准确测定差压 传感器的常数U0 和k p 。定标时选用准确度更高的四位半数字电压表来测量 Up 。定标装置如图 6-4 所示。
U p U0 kp
/ kPa
102.18 105.17 108.09 110.93 113.80 116.67 119.51 122.37 129.19
实验室计算机拟合数据结果： P=a+bt，a=0.9609786，b=0.003342，r=0.99995 修正过程： p0 1 + αp t ，所以αp = a = 0.9609786 = 3.478 × 10−3 K −1 。 δH = − 18.2 − 1.9 × 10−5 Ht = − 18.2 − 1.9 × 10−5 × 772 × 21.3 = −2.683 H1=H1+δ H1=770.416mm，H2=H2+δ H2=770.228mm P 修正 1=1.0267*10-5Pa，P 修正 2=1.0265*10-5Pa，P 修正=1.0266*10-5Pa αP + δαP = 3.478 × 10−3 + 1.18 × 10−4 K −1
b 0.003342
[大学物理实验]
[BME8 鲍小凡]
[学号：2008013215]
【计算机0 130.00 125.00 120.00 P/kPa 115.00 110.00 105.00 100.00 95.00 90.00 0.00 20.00 40.00 60.00 t/℃ 80.00 100.00 120.00
表 1：环境参数测定（未修正值） pc2=103000Pa pc=102900Pa Um=41.03mV
v V
t1=20.4℃ tb=100.37℃ kp=3.977*10-4mV/Pa
t2=22.2℃
t b = 100.37℃ ；仪器常数： = 0.02 ； 传感器常数：U0 = 0.08mV ；k p = 3.977*10-4mV/Pa 。 表 2： Ut/mV 101.73 105.20 108.60 111.99 115.41 118.83 122.25 125.70 Utb 134.08 tb100.37
*手绘 P-t 图线后附。 【思考题解答】 1、压差传感器定标时，若先测 U0 后测 kP，应如何操作？若传感器的 D 口有漏气，对定标结果有何影响？ 答： （1）应该先缓慢转动三通活塞（一只手扶住活塞外部） ，使压差传感器的 C 口与 B 管相通而与 A 泡断 开，这时 C 通大气。然后讲 D 口与机械泵相连，从 D 口抽气，电压表读数达到最大值并稳定时记录值，即 为 Um，后停机械泵，从接头 H 上拔去塑料管 G，使 D 口也通大气，此时，数字表的读数即为 U0。则： Um − U0 kp = pc （2）若 D 口漏气，则用机械泵抽气之后 P<Pc，则 Um 小于实际值，kP 偏小。 2、对水加热时，为什么要控制好热平衡？升温过快有什么问题？ 答：热平衡后电压表示数稳定不变，读数才能准确，如果不控制热平衡则装置内可能有局部温差，导致读 数不准确。如果升温过快，热量来不及均匀扩散，聚集在局部，导致读出的 Ut 和 UP 不准确，并且升温过 快还会导致 Ut 和 UP 不断变化，不易记录数据。 3、转动三通活塞应注意什么？ 答：由于压差传感器和玻璃制品易于损坏，所以转动三通活塞时要缓慢，另一只手一定要扶住活塞外壳。 4、用大气压强计测大气压强的步骤是怎样的？ 答：首先调节底部旋钮，使水银杯内的水银面刚好和象牙针尖接触。然后使视线与游标零线（游标端位） 水平，再调节游标旋钮，使游标下移至游标零线与水银凸面相切，读出气压值。 5、为什么铜电阻温度传感器采用四端解法可以减少引线电阻对测量的影响？ 答：采用四端解法时，电流端的引线电阻和接触电阻折合到电流源回路的其他串联电阻中，不会影响到铜 电阻上的电流，电压端的引线电阻和接触电阻由于与电压表（内阻很大很大）相比，电阻较小，所以影响 也相应减小。 6、实验中保持水沸腾时，若数字仪表 UP 单调下降，可能是什么问题？ 答：可能是由于仪器漏气。由于沸腾时 A 泡内气压与大气压差别较大，三通活塞很可能漏气。漏气导致 A 泡内气体量减少，从而导致气压下降，从而导致 UP 单调下降。
U 1 αR
b
−1
+ tb − α
1
R
(4)
三、扩散硅压阻式差压传感器 半导体材料（如单晶硅）因受力而产生应变时，由于载流子的浓度和迁移率的变化而导致电阻率发生 变化的现象称为压阻效应。压阻式差压传感器就是利用压阻效应制成的。本实验中使用的 PPT-1 型扩散硅 压阻式差压传感器的结构示意图如图 6-1 所示。为简单计，剖面图中未画出引线。它的核心是硅膜片，这 种膜片是利用制作集成电路的方法，在单晶硅基片上通过硼的扩散以形成如图 6-2 所示的十字形四端应变 片。 由于硅是各向异性材料，十字形四端应变片应设置在剪切应力最大的位置和剪切压阻系数最大的方向 上。当膜片受应力时，如果将一恒定电压 E 加在 M 和 N 两端上，在剪切应力作用下，从 A 和 B 两端会输 出一个与压差△ p成线性关系的电压Up ，即 Up = U0 + k p △ p (5)
v H (18.2 1.9) 105 Ht
pc1=102980Pa δH=-2.684 U0=0.08mV
p 0.018 5 103 K 1 0.018 5 0.02 103 K 1 1.18 104 K 1 V
先缓慢转动三通活塞（另一只手扶住活塞外部） ，使差压传感器的 C 口与 B 管相通而与 A 泡断开，这 时 C 通大气。将塑料管 G 接在接头 H 上使 D 口与机械泵相连。将四位半数字电压表接在差压传感器的输 出端 3 和 4 上。启动机械泵，从 D 口抽气。待真空表指针偏转到 760mm 刻度附近不动时，此时 D 口气压
U m −U 0 pc
(7)
[大学物理实验]
[BME8 鲍小凡]
[学号：2008013215]
【原始数据记录表格】 1、对大气压强的平均值进行与温度有关的系统误差修正。 2、根据修正后的大气压强值查表，得到水的沸点值t b 。 3、由若干组 (Ut , Up )值用计算器或计算机计算出对应的 (t,p)值，利用（1）式对{t, p}用最小二乘法进行直 线拟合，求出ap 值，同时记下相关系数 r。要求相关系数 r 大于 0.999。 4、在坐标纸上作 p-t 图，并由此图求出ap 值。 5、仪器的 v/V=0.02，由（9）式对ap 值进行修正。 两个数据修正的式子：