李艷琴

(大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧大連 116622)

使用硅壓力敏傳感器自制物體密度測量儀

李艷琴

(大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧大連 116622)

使用硅壓力敏傳感器自制了物體密度測量儀,分別對304不銹鋼、石蠟和醫(yī)藥酒精的密度進(jìn)行了測量,取得了較好的結(jié)果.力敏傳感器的數(shù)顯特點使學(xué)生能方便快捷地進(jìn)行操作,減少了天平測量的繁瑣過程,剔除了由于砝碼長期使用磨損和污染帶來的誤差.硅壓力敏傳感器的引進(jìn)改變了傳統(tǒng)實驗的思路,把一個簡單的密度測量實驗變成了一個力、電的綜合實驗,使傳統(tǒng)的實驗更具有新鮮感和吸引力,為物理實驗的教學(xué)改革提供了一種新思路.

密度;硅壓力敏傳感器

1 前言

密度是物體的基本屬性之一,學(xué)生必須要掌握各種物體密度的測量方法,因此在大學(xué)物理實驗中開設(shè)了物體密度的測量實驗.對于一些形狀規(guī)則的均勻固體,可以采用直接法得到固體的質(zhì)量和體積從而計算其密度;而對于一些不規(guī)則的均勻固體和液體的密度測量,需要借助一些儀器使用特定的方法進(jìn)行測量,由于其中包含了豐富的物理思想和訓(xùn)練內(nèi)容,被保留在大學(xué)物理實驗中.傳統(tǒng)的測量方法是使用物理天平,采用液體靜力稱衡法測量固體在不同狀態(tài)下的質(zhì)量,計算其密度.但是,由于物理天平操作繁瑣,測量精確度不夠,并且不能滿足學(xué)生日益增長的知識需要,已逐漸被淘汰.近年來,硅壓力敏傳感器在液體表面張力系數(shù)的測量中已經(jīng)被應(yīng)用[1],且取得了較好的效果,因此作者在長期從事物理實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上,使用硅壓力敏傳感器自制了物體密度測量儀,實現(xiàn)了非電學(xué)量的電學(xué)測量,提高了測量的精度和效率.

2 實驗儀器

2.1 硅壓力敏傳感器介紹

硅壓力敏傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器[2].單晶硅材料在受到力的作用后,電阻率發(fā)生變化,通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出,一般輸出的是電壓信號.硅壓力敏傳感器可以用于壓力、拉力和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ钠渌锢砹康臏y量,實現(xiàn)了非電學(xué)量的電學(xué)測量,提高了測量的精度和效率.

硅壓力敏傳感器主要由四部分構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,其中傳感器芯片由四個硅擴(kuò)散電阻集成一個非平衡電橋,如圖2所示.當(dāng)有拉力作用于彈性梁上時,電橋失去平衡,此時將有電壓信號輸出,此信號經(jīng)過放大電路和信號處理系統(tǒng)后,輸出電壓的大小恰好與拉力成正比,即

圖1 硅壓力敏傳感器結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 芯片電路圖

式中,U為經(jīng)過處理后的輸出電壓;F為硅壓力敏傳感器所受拉力;B為硅壓力敏傳感器的靈敏度.

使用0.5g法碼片對硅壓力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo),定標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示,定標(biāo)曲線如圖3所示,可見拉力和電壓值是線性關(guān)系,計算出硅壓力敏傳感器的靈敏度B=3.327V/N.

圖3 定標(biāo)曲線

表1 硅壓力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)

2.2 自制物體密度測量儀

物體密度測量儀結(jié)構(gòu)如圖4所示,該儀器主要由硅壓力敏傳感器、升降裝置和顯示器三部分構(gòu)成.將硅壓力敏傳感器連接到升降裝置,通過升降調(diào)節(jié)按鈕控制硅壓力敏傳感器距離載物臺的高度,方便樣品在空氣中和水中測量.

3 物體密度的測量原理

3.1 固體密度的測量

根據(jù)物體密度定義式,要計算物體密度必須要知道物體的質(zhì)量和體積.對于不規(guī)則的均勻固體關(guān)鍵是得到體積,根據(jù)阿基米德定律使用了液體靜力稱衡法[3]間接求得不規(guī)則均勻固體的體積.在測量過程中要借助于一種液體,通常為了方便,借助于水來進(jìn)行測量.

當(dāng)ρA＞ρ水時,把固體A先掛在硅壓力敏傳感器上,此時電壓值讀數(shù)為U1,即

式中,F1為掛鉤拉力.

按下升降調(diào)節(jié)按鈕,使固體A完全浸沒在水中,此時電壓值讀數(shù)為U2,對固體A受力分析可得水的浮力 fA=mAg-F2,即

由式(2)和式(3)可得

當(dāng)ρB＜ρ水時,可以借助于一種密度更小的液體重復(fù)以上步驟即可得到固體B的密度,但尋得此種液體困難,因此為了得到固體B的體積,我們借助任何密度大于水的固體即可.測量過程如圖5所示.

圖5 固體B在水中測量的受力分析圖

把固體B掛在硅壓力敏傳感器上,此時電壓值讀數(shù)為U3,即

如圖5(a)所示,把重物C和固體B捆在一起浸沒在水中,間接得到二者共同的體積.此時電壓值讀數(shù)為U4,把二者作為整體受力分析得水的浮力(式中 F4為掛鉤拉力),即

如圖5(b)所示,把重物 C浸沒在水中,固體B在空氣中,間接得到重物C的體積.此時電壓值讀數(shù)為U5,把二者作為整體受力分析得水的浮力 f5=即

由式(5)、式(6)和式(7)可得

試想如果在測量過程中重物C用固體A代替,則 U5=U2+U3,式(8)可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

使用物體密度測試儀數(shù)顯的電壓值即可根據(jù)式(4)和式(8)計算出固體的密度,使得測量過程方便快捷;并且實驗過程中一定要引導(dǎo)學(xué)生思考,測量的主要目的是得到固體的體積,在測量過程中重物C用固體A代替,則可使用式(9)計算固體B的密度,省去了簡單的重復(fù)測量,留給學(xué)生更多的思考時間.

3.2 液體密度的測量

對于液體的密度借助于密度均勻的小吊錘,根據(jù)排開液體的體積相同,采用比較法進(jìn)行測量.分別將小吊錘浸沒于空氣、水和待測液體中,可得

由式(10)、式(11)和式(12)可得

4 實驗數(shù)據(jù)

使用物體密度測量儀分別測量了304白鋼在空氣中和20℃水中的電壓值U1和U2;在測量石蠟數(shù)據(jù)時以304白鋼為重物,測量在空氣中石蠟的電壓值U3,石蠟和304白鋼一起浸沒在水中的電壓值U4;借用小吊錘測量了其在空氣、水和分析純正丁醇(天津市大茂化學(xué)試劑廠)中的電壓值U6、U7和U8;測量數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 304白鋼、石蠟和分析純正丁醇測量數(shù)據(jù)表

查表知水在20℃時的密度為0.9982g/cm3,把表2的數(shù)據(jù)分別代入式(4)、式(9)和式(13),可計算得304白鋼、石蠟和分析純正丁醇的密度值分別為 8.185g/cm3、0.865g/cm3、0.817g/cm3.查表知304白鋼密度的標(biāo)準(zhǔn)值為7.929g/cm3,測量百分誤差為3.2%;分析純正丁醇密度的標(biāo)準(zhǔn)值范圍為0.808～0.811g/cm3,與最大值相比,測量百分誤差為0.7%.石蠟半精煉而成的,密度與生產(chǎn)廠家和具體的牌號有直接關(guān)系,范圍在0.8～0.9g/cm3之間,由于實驗中使用的石蠟無法確定其相關(guān)因素,無法進(jìn)行比較,但可以看到使用物體密度測量儀得到的密度在范圍之內(nèi).

5 結(jié)論

使用高精度的硅壓力敏傳感器自制了物體密度測量儀,在實驗過程中力敏傳感器的數(shù)顯特點,使得學(xué)生能方便快捷地進(jìn)行操作,省去了使用天平測量時添加和減少砝碼帶來的麻煩,并且去除了由于砝碼長期使用磨損和污染帶來的誤差.非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量進(jìn)行測量,其意義不僅僅是使得學(xué)生操作簡單,更重要的是激勵學(xué)生進(jìn)行深入思考,拓寬學(xué)生的思路,表面上看,硅壓力敏傳感器代替物理天平只是儀器的更新,但實質(zhì)上硅壓力敏傳感器的引進(jìn)改變了傳統(tǒng)實驗的思路,把一個簡單的密度測量實驗變成了一個力、電的綜合實驗,使傳統(tǒng)的實驗更具有新鮮感和吸引力,與現(xiàn)代高新技術(shù)接軌,有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神,符合培養(yǎng)新型人才的要求,為物理實驗的教學(xué)改革提供了一種新思路.

[1] 姜琳.用力敏傳感器測量乙醇水溶液的表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系[J].物理實驗,2004,24(8):28～30

[2] 趙艷平,丁建寧,楊繼昌等.硅壓力傳感器芯片設(shè)計分析與優(yōu)化設(shè)計[J].MENS器件與技術(shù),2006,(9):438～441

[3] 李學(xué)慧.大學(xué)物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2005.45～46

DENSITY MEASURING APPARATUS BASED ON SI-RESISTANCE-STRAIN FORCE SENSOR

Li Yanqin
(College of Physical Science and Technology,Dalian University,Dalian,Liaoning 116622)

The density measuring apparatus has been made by myself,based on Si-resistancestrain force sensor.Using this apparatus we have measured the densities of the 304 stainless steel,paraffin and medical alcohol.Some good results were obtained and the experimental errors were less.The function of digital display made the students observe the experimental phenomena intuitively and operate very fast.The complicated process of balance measurement was reduced.It had been removed the error of scales for abrasion and pollution.Introduction of the Si-resistance-strain force sensor has changed the idea of traditional experiment and made the traditional experiment into a comprehensive experiment composed of force and electric.Traditional experiments have become more attractive and exciting.And this work provided a new thought for the educational reform of physical experiment.

density;Si-resistance-strain force sensor

2010-04-29)