09 电子1班 张明祯 力敏传感器测液体密度.doc

燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：力敏传感器测液体密度 学院（系） 理学院 年级专业： 09级电子信息科学与技术1班 学 号： 090108040027 学生姓名： 张明祯 指导教师： 杜会静 王锁明 教师职称： 讲师 实验师 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 理学院 基层教学单位：电子信息科学与技术系 学 号090108040027学生姓名张明祯专业（班级）09电子信息科学与技术1班设计题目力敏传感器测液体密度设计技术参数 设计参数： 数字电压表的精度在0.1； 电子天平的精度在0.0001； 游标卡尺的精度在0.02； 浮子体积及其液体密度保留在小数点后4位。设计要求 了解硅压阻式力敏传感器的工作原理； 掌握用力敏传感器测液体密度的方法； 分析并讨论误差产生的原因。工作量共十五个工作日工作计划2011/6/30-2011/7/06 实验选题2011/7/07-2011/7/08 实验操作2011/7/08-2011/7/09 实验论文2011/7/10-2011/7/14 论文检查和修饰参考资料1.高华娜 王志宙 普通物理实验 力学部分；2.刘泓 乔亚力 大学物理实验 2009.02 ；3.里天 王秀琴 等 常用物理手册 昆明云南人民出版社 1982；4.周菊林 力敏传感器的实验探究 2008.04 。指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日 燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩： 指导教师： 年 月 日答辩小组评语：成绩： 组长： 年 月 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字：年 月 日 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书力 敏 传 感 器 测 液 体 密 度理学院09级电子（1）班张明祯摘要：力敏传感器在物理实验中已经得到广泛的应用，它的方便、快捷、准确已得到普遍认可。在液体密度测量这一传统实验中，我们利用硅压阻式力敏传感器利用半导体压阻效应进行测量，改进了传统的实验方法，实现了非电力电测，提高了实验的精度。关键字：力敏传感器，液体密度，浮子Pressure sensitive transfer of liquid density sensorZhang MingzhenAbstract: Force sensor in the physics experiment has been widely used, it is convenient, fast, accurate and has been generally recognized. In the measurement of liquid density of the traditional experiments, we use silicon piezoresistive force sensor utilizing a semiconductor piezoresistive effect measurement, improves the traditional experimental method, realize non electric power measurement, improve the test precision.1.引言 液体的密度测量是物理实验的一个基本实验，传统的测量方法是用普通的物理天平，采用流体静力称衡法和比重瓶法进行测量。现在力敏传感器在物理实验中已经得到广泛的应用，它的方便、快捷、准确已得到普遍认可。在液体密度测量这一传统实验中，我们利用力敏传感器进行测量，改进了传统的实验方法，实现了非电力电测，提高了实验的精度。2.实验器材 力敏传感器，数字电压表,支架,升降台，烧杯，浮子，食盐，自来水，物理天平，电子天平。3.实验原理 密度是液体的基本属性之一，在科研生产中常常通过液体密度的测定而做出成分、纯度等的鉴定。首先测出浮子的质量和体积，再将浮子浸没在液体中,称出它的可视重力，若不计空气阻力，则浮子所受的液体浮力为 (1)根据阿基米德定律，物体所受的浮力为 (2)其中为待测液体的密度，为浮子排开液体的体积，也就是浮子的体积。联立(1)(2)两式可得 (3)硅压阻式力敏传感器又称半导体应变计，它利用半导体压阻效应，采用半导体的集成电路工艺和微细加工技术，使应变部分与感应膜部分形成一体，并将输出信号放大电路、信号处理电路等集成在同一块芯片上制成。因此，具有输出信号大、频率响应快、电路处理方便、可靠性高、体积小、重量轻等优点，可用于压力、拉力、扭矩、位移、角速度和加速度等物理量的测量和控制，也可用于血压、颅压、心音、脉搏等生理生化指标的测量和控制系统中。硅压阻式力敏传感器由弹性梁（金属薄片）和贴在梁上的传感器芯片组 图1 传感器原理成，如图1所示(1为传感器芯片，2为金属梁，3为挂钩)其中芯片是四个硅扩散电阻集成的一个非平衡电桥。当外界压力作用于金属梁上时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出输出电压与所加外力成正比。即 (4)上式中，为外力的大小，为硅压阻式力敏传感器的灵敏度， 为传感器输出电压的大小。最后联立(3)(4)可得待测液体的密度 (5)4.实验内容和步骤4.1用游标卡尺测量浮子的内经、外径、内高、外高，用电子天平称出浮子的质量，分别取六组数据。4.2 接通数字电压表及直流电源组合仪电源，将仪器预热15分钟。在传感器梁端头小挂钩中，挂上砝码盘，调节电子组合仪上的补偿电压旋钮，使数字电压表显示为零。4.3 在砝码盘上分别加至0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等质量的砝码，记录在相应砝码力作用下，数字电压表的读数值，用最小二乘法作直线拟合，求出传感器的灵敏度K。4.4 在普通天平上称取300g自来水（先称出烧杯的质量，然后在称出水和烧杯的质量和，最后作差即可）。4.5 在电子天平上称取5.0000g食盐，溶解在水中。4.6 如图2所示组装实验仪器（其中1为立柱，2为传感器，3为浮子，4为烧杯，5为升降台，6为数字电压表）。从挂钩上取下浮子，调节电子组合仪上的电压补偿旋钮，使电压表显示在-175.0左右，读出电压表显示数据U1，然后把浮子再挂在传感器梁端头的挂钩上，此时再读出数字电压表的显示数据U2，再取下挂钩上的浮子，调节电压补偿 图2 实验结构旋钮，使数字电压表显示在-165.0左右，再重复以上操作，直到读出六组数为止。4.7 重复操作(5)(6)，直到食盐的质量加到35.0000g为止。5.实验的数据的记录与处理5.1 数据记录表1 测量浮子的体积与质量次数外径内经外高内高质量表2 传感器的定标次数123456质量0.51.01.52.02.53.0数字电表14.530.645.961.777.391.0表3 测量液体的密度质量比1234561：601-174.9-163.4-154.5-144.2-134.8-125.12107.8119.0128.2139.2149.5157.0282.7282.4282.7283.4283.3282.11：301-175.2-165.1-154.9-144.0-134.9-125.02101.3112.8123.6134.4141.9153.2276.5277.9278.5278.4276.8278.21：201-175.4-164.6-155.2-144.3-134.9-124.6296.3108.0117.2127.9138.2149.0271.7272.6272.4272.2273.1273.61：151-174.6-164.9-154.8-144.9-134.8-124.3291.9101.9111.8122.6133.0143.4266.5266.8266.6267.5267.8267.71：121-174.9-165.1-154.7-145.2-133.2-123.9286.496.3107.4112.9128.7138.2261.3261.4262.1262.1261.9262.11：101-174.6-164.7-155.1-144.7-134.7-125.1281.691.7101.6111.9122.0130.9256.2256.4256.7256.6256.7256.07：601-174.5-164.8-155.0-144.8-135.0-124.7275.786.195.8106.6116.5126.2250.9251.5251.4250.8250.9250.25.2 数据处理5.2.1 根据表1可知浮子的质量平均值 其中的类不确定度 (6)类不确定度 (7)浮子质量的不确定度 = (8)浮子的质量=5.2.2 根据表1的数据可求得浮子的平均体积 (9)体积的类不确定度 = (10)体积的类不确定度 = (11)体积的不确定度 = = (12)浮子的体积为5.2.3 用最小二乘法作直线拟合，并计算硅压阻式力敏传感器的灵敏度。设砝码的重力为，数字电压表的读数为，传感器的灵敏度为，又因为数字电压表的灵敏度是一个定值，则可得:，再根据最小二乘法可知，传感器的灵敏度和如下式所示： 又 表 2 的 数 据 可 求 得 图3 传感器定标故，所拟合的直线如右图中1所示，其中2是用描点法作出的直线。5.2.4 根据表3可知：在300g质量的水中加入不同质量的食盐时，数字电压表读数的变化量的平均值及其它的不确定度如表4所示。表4 数字电压表读数变化量的平均值及其不确定度 物理量质量比读数变化量（）不确定度A（）B（）（）1：60282.80.210.0000580.211：30277.70.350.0000580.351：20272.60.270.0000580.271：1527.20.240.0000580.241：12261.80.150.0000580.151：10256.40.120.0000580.127：60251.00.190.0000580.19则由公式可知，当食盐与自来水的比值为1：60即食盐的质量为5.0000g时， 食盐水的密度= =的不确定度由不确定度的传递公式可得 此时食盐水的密度同理即可求得，食盐与自来水的比值为其他值时的食盐水密度，结果如下表所示。表5 质量比与密度的关系质量比1：601：301：201：151：121：107：600.98570.99531.00511.01531.02551.03581.04600.00450.00230.00210.00190.00240.00340.0029则根据表5的数据可以得到，溶质与溶剂的质量比和溶液密度之间的关系图如图4所示。6实验误差分析0.000.04图4 溶质与溶剂的质量比和溶液密度的关系图0.080.120.991.021.05Densityg/cm3Mass ratio 首先，由于实验仪器的问题而存在一定的系统误差，这是无法避免的；其次就是随机误差了。因为力敏传感器很灵敏，所以在读数字电压表时候要确保浮子是静止不动的。故，由于眼睛分辨率的限制，每次在读数字电压表的显示值时，浮子不是绝对静止的，这就使得读出的值与实际值之间存在一定的误差；还有就是实验仪器精确度的限制，在测量浮子的体积与质量时，测量值与实际值之间也有误差。不过，在作本实验时，没有测量条件的突发性变化，没有读错、记错数据的现象，因此，此实验中没