扩散硅压阻式压力传感器的压力测量试验

1、实验一扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。二、实验仪器压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+5V、± 15V。三、实验原理在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器如下图所示：在单晶硅膜片表面形成 4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。扩散硅压力传感器的工作原理：在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i,当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用

2、时，在垂直 电流方向将会产生电场变化E =AP i，该电场的变化引起电位变化，则在端可得到被与电流垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo。U。=d E =d 0P i(11-1)式中d为元件两端距离。实验接线图如图11-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-;当P1>P2时，输出为正；P1<P2时，输出为负。图11-1扩散硅压力传感器原理图四、实验内容与步骤1.接入+5V、± 15V直流稳压电源，模块输出端Vo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。4. 调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的

3、输入端Ui短路，然后调 节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。5. 气室1、2的两个活塞退回到刻度"17”的小孔后，使两个气室的压力相对大气压均为0,气压计指在“零”刻度处，将 MPX10的输出接到差动放大器的输入端Ui,调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。6. 保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力到0.01MPa,每隔0.005Mpa记下模块输出 Uo2的电压值。直到 P1的压力达到 0.095Mpa;填入下表1。7. 保持正压力输入 P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，从0.01MPa 每隔0.005Mpa记下模块输

4、出 Uo2的电压值。直到 P2的压力达到 0.095Mpa ;填入下表 2。8. 保持负压力输入 P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入 P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出 Uo2的电压值。直到 P1的压力为0.005Mpa ;填入下表 3。9. 保持负压力输入 P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa 记下模块输出 Uo2的电压值。直到 P2的压力为0.005Mpa；填入下表。10. 实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。五、实验数据记录与分析1、保持负压力输入 P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力P1(kP)0.010.0150.020

5、0.0250.0300.0350.0400.0450.050Uo2( V)1.6082.283.023.544.224.895.456.076.63P1(kP)0.0550.0600.0650.0700.0750.0800.0850.0900.095Uo2(V)7.057.798.218.739.259.6210.0310.5811.04（表1）用matlab绘制P1-Uo2曲线图如下图所示P1-Uo2线图J0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085

6、0.09 0.095 0.1P1/kP2 01 14 2wv/2 o U2、保持正压力输入 P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力P2(kP)0.010.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050Uo2( V)10.149.769.328.828.367.857.416.796.23P2(kP)0.0550.0600.0650.0700.0750.0800.0850.0900.095Uo2( V)5.725.084.593.853.262.561.681.120.32(表2)用matlab绘制P2-Uo2曲线图如下图所示减/P2-Uo曲线JK-

7、9 00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.095 -6 -8 -2 -OV/2 o UP2/ kP3、保持负压力输入 P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力P1(kP)0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.050Uo2( V)-0.67-1.33-1.95-2.57-3.13-3.67-3.95-4.51-5.13P1(kP)0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.00

8、5Uo2( V)-5.57-6.01-6.27-6.70-7.18-7.52-7.90-8.22-8.55(表3)用matlab绘制P1-Uo2曲线图如下图所示减/JP1-Uo曲线图Jjrp,-110-1-2-3V -4 2 oU -5-6-7-8-900.0050.010.0150.020.0250.03 0.0350.040.0450.05 0.0550.060.0650.070.075 0.080.0850.09P1/kP4、保持负压力输入 P1压力0Mpa不变，减小正压力输入 P2的压力P2(kP)0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.05

9、0Uo2( V)-8.05-7.71-7.30-6.92-6.50-6.11-5.70-5.34-4.89P2(kP)0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.005Uo2( V)-4.39-3.92-3.42-2.86-2.30-1.65-1.07-0.400.29（表4）用matlab绘制的P2-Uo2曲线图如下图所示减/P2-Uo2ffi线V/2O Uk.yO-12 -6 -8 -0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/

10、 kP5、灵敏度及非线性误差计算线性拟合直线的斜率即为所求的灵敏度，故对上面的曲线图依次进行线性拟合，如下图所示（红色为拟合直线），并由此算出其灵敏度和非线性误差。灵敏度L= U/ P=拟合直线斜率非线性误差a f= m/yF.s x 100%（ m为输出值与拟合直线的最大偏差，Vf s为满量程输出平均值）（1）P1-Uo2以合直线ri1IIIi厂,iiii-data1线性O186 vw/2 o U420.0050.010.0150.020.0250.03 0.0350.040.0450.05 0.0550.06 0.0650.070.0750.08 0.0850.090.0950.1P1/k

11、P由图读出 m=0.392y = p1*x + p2 pl = 110.3 p2 = 0.87657 故 灵敏度 S= L= U/ P=p1=110.3v/kp非线性误差 8 f =(0.392/11.4) X 100 % =3.5%(2)P2-Uo2曲线图i*data1线性ii1J1i110.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.090.0950.1气压P2/kPy = p1*x + p2 p1 = -115.24 p2 = 11.765 由图读出 m=0.65 故 灵敏度 L

12、= U/ P=p1=-115.24 v/kp非线性误差 8 f =(0.65/10.72) X 100% =6.1%(3)减小P1-Uo2曲线图 data1 线性i1i _J411十1LT0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P1/kPy = p1*x + p2 p1 = 91.498 p2 = -9.3923 由图读出 m=0.45故 灵敏度 L = U/ P =p1=91.498v/kp非线性误差 a f=(0.45/8.87) X 100% =5.1%-90(4)data1 线性III1I111If减小P2-Uo2曲线-6-70.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.090.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.045P2/ kPO-1-23 4 5 - - - V/2OUy = p1*x + p2 pl