用传感器测空气相对压力系数.doc

_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p=p0TT0=p0T0+tT0=p01+pt(1)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; p为相对压力系数，定义为p=pp0t。对于理想气体，p=1T0=3.6610-3K-1或-1。实际气体（如空气）可近似看作理想气体，其相对压力系数与理想气体的相差甚小。根据查理定律可制作定容气体温度计。定容气体温度计是复现热力学温标的重要仪器，也可用于低温测量。工业中使用的压力式气体温度计也是一种定容气体温度计。精心设计和制作的、准确度和灵敏度都很高的定容气体温度计可用于检定其它类型的温度计。二、铜电阻温度传感器利用金属（如铂、铜）或半导体材料的电阻随温度按一定规律变化的特性而制成的温度计称为电阻温度计。在-50100范围内，铜丝的电阻值R与温度t有良好的线性关系：R=R01+Rt(2)式中，R0为0时的电阻值，R称为电阻温度系数。本实验中使用的铜丝电阻的R=4.26 10-3-1。当铜丝电阻中通以恒定的电流I时，铜丝电阻两端的电压Ut与温度t有如下关系: Ut=UR01+Rt(3)UR0为0时的电压，UR0=IR0。若测出了在纯水沸点时铜丝电阻的电压Ub并查出沸点温度tb，则利用(3)式可求得：t=UtUb1R+tb-1R (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+kpp(5)式中U0为压差为零时的输出电压，系数kp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-U0kp (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0Pa105Pa，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kp。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。 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=Um-U0pc(7)二、测量若干组 (Ut,Up)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。【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tb。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：表1：环境参数测定（未修正值）pc1=102980Papc2=103000Pat1=20.4t2=22.2H=-2.684pc=102900Patb=100.37U0=0.08mVUm=41.03mVkp=3.977*10-4mV/Patb=100.37；仪器常数：vV=0.02；传感器常数：U0=0.08mV；kp=3.977*10-4mV/Pa 。表2：Ut/mVUp/mV101.7319.52-0.11102.18 105.2028.191.08105.17 108.6036.692.24108.09 111.9945.163.37110.93 115.4153.714.51113.80 118.8362.265.65116.67 122.2570.806.78119.51 125.7079.437.92122.37 Utb 134.08tb 100.37Upb 10.63129.19 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：p01+pt，所以p=ba=0.0033420.9609786=3.47810-3K-1。H=-18.2-1.910-5Ht=-18.2-1.910-577221.3=-2.683H1=H1+H1=770.416mm，H2=H2+H2=770.228mmP修正1=1.0267*10-5Pa，P修正2=1.0265*10-5Pa，P修正=1.0266*10-5PaP+P=3.47810-3+1.1810-4K-1【计算机绘制P-t图】*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：kp=Um-U0pc（2）若D口漏气，则用机械泵抽气之后PPc，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