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        硅壓阻力敏傳感器滯后效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

        2020-02-22 12:21:45郭楠楠李衛(wèi)東
        科技風(fēng) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:滯后效應(yīng)

        郭楠楠 李衛(wèi)東

        摘 要:本文通過實(shí)驗(yàn)的方法,用增減砝碼的方式對(duì)DH-SLD-1固體與液體密度綜合測(cè)量儀中硅壓式力敏傳感器滯后效應(yīng)進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):硅壓阻力敏傳感器所測(cè)量物理量滯后效應(yīng)不明顯,實(shí)驗(yàn)中可以不通過增減砝碼來規(guī)避滯后效應(yīng)所帶來的影響[1]。所得結(jié)論將為今后利用硅壓式力敏傳感器進(jìn)行相關(guān)物理量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)提供一定的參考。

        關(guān)鍵詞:硅壓阻;力敏傳感器;滯后效應(yīng)

        硅壓阻力敏傳感器是主要ΔRR=Kε是利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng),將外力的變化轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的變化反映出來,在提高測(cè)量的準(zhǔn)確性的同時(shí),還實(shí)現(xiàn)了非電學(xué)量的電學(xué)測(cè)量[2]。為保證實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性,有必要對(duì)硅壓阻力敏傳感器的機(jī)械效應(yīng)進(jìn)行研究。

        1 實(shí)驗(yàn)原理

        硅壓式力敏傳感器是由基體直接承受被測(cè)壓力,通過波紋膜片,將被測(cè)應(yīng)力傳遞到芯片,位于硅彈性膜上的芯片檢測(cè)被測(cè)應(yīng)力[3]。當(dāng)金屬導(dǎo)體在承受機(jī)械形變的過程中,外力作用于硅彈性膜片上,彈性梁發(fā)生彎曲,梁的上表面受拉,使得彈性機(jī)械的電阻隨著電阻率、長度和橫截面積的改變而改變。此時(shí)應(yīng)變片將所受外力的變化用電阻的變化對(duì)外表現(xiàn)出來,即電阻的應(yīng)變效應(yīng),描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為:

        ΔRR=Kε(1)

        式中ΔR/R為電阻絲電阻相對(duì)變化,K為應(yīng)變靈敏系數(shù),ε=ΔL/L為電阻絲長度相對(duì)變化,通過金屬箔式應(yīng)變片轉(zhuǎn)換被測(cè)部位受力狀態(tài)的改變。

        當(dāng)彈性機(jī)械的電阻應(yīng)變片R1-R4的阻值發(fā)生變化時(shí),通過惠斯通電橋產(chǎn)生電壓輸出,其輸出的電壓正比于所受外力。即:

        ΔU=BF(2)

        式中F為外界拉力,ΔU為對(duì)應(yīng)的電壓改變量,B為硅壓式力敏傳感器的靈敏度。在此過程中,金屬箔式應(yīng)變片將所受外力的改變轉(zhuǎn)化為電阻的改變,惠斯通電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)為電壓的改變,從而將非電學(xué)量的轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的測(cè)量[4]。由于彈性機(jī)械在受到外力作用之后,使得彈性機(jī)械的形變必然落后于應(yīng)力的變化,此時(shí),彈性材料對(duì)外力的響應(yīng)就會(huì)造成滯后效應(yīng),這將可能對(duì)儀器測(cè)量結(jié)果造成影響,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差。

        2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

        2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)中的硅壓式力敏傳感器為DH-SLD-1固體與液體密度綜合測(cè)量儀[5]。

        2.2 實(shí)驗(yàn)方法

        將硅壓式力敏傳感器輸出插座與實(shí)驗(yàn)儀面板上“傳感器”插座相連,測(cè)量選擇“內(nèi)接”;將砝碼盤掛在傳感器掛鉤上,接通電源,預(yù)熱5分鐘,待穩(wěn)定后,通過“調(diào)零旋鈕”對(duì)mV表進(jìn)行調(diào)零。取輸入電壓為1V,在砝碼盤中按順序增加砝碼的數(shù)量(每次增加10g)至100g,記錄mV表對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓,然后按順序減去砝碼的數(shù)量(每次減去10g)至0g,再次記錄mV表對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓;最后改變輸入電壓分別為2V、3V、4V、5V、6V。重復(fù)上述操作,并記錄數(shù)據(jù)。

        3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理

        實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

        在直角坐標(biāo)系中選取橫坐標(biāo)為砝碼質(zhì)量m,縱坐標(biāo)為加、減砝碼時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓ΔU,則如下面6幅圖所示。

        由圖可以得出結(jié)論:當(dāng)輸入電壓U分別為1V、2V、3V、4V、5V、6V時(shí),所加砝碼質(zhì)量m在0-100g內(nèi)增大時(shí),輸出電壓會(huì)隨之增大,用最小二乘法作直線擬合,得到對(duì)應(yīng)輸入電壓下靈敏度B和相關(guān)系數(shù)r如表2所示:

        當(dāng)輸入電壓一定時(shí),輸出電壓與所受外力成正比,當(dāng)輸入電壓一定時(shí),通過加減砝碼操作測(cè)量所得硅壓式力敏傳感器的靈敏度基本一樣,即滯后效應(yīng)不顯著;且隨著工作電壓的增大,硅壓式力敏傳感器的靈敏度越高。

        4 結(jié)論

        因此,在利用DH-SLD-1固體與液體密度綜合測(cè)量儀硅壓式力敏傳感器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí),滯后效應(yīng)不顯著,沒有必要通過加減砝碼來規(guī)避滯后現(xiàn)象。輸入電壓選取6V時(shí),儀器靈敏度最高。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張大志.力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].東北大學(xué)出版社,2018.1.

        [2]楊述武,趙立竹,等.普通物理實(shí)驗(yàn)[M].高等教育出版社,2007.12.

        [3]王雪燕,侯娟.淺談傳感器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器使用中存在的問題[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2017,30(01):57-59.

        [4]朱瑜,柯其威.提高壓力傳感器測(cè)量物體密度精確度的方法[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2016,35(12):34-39.

        [5]陳瑩梅.硅壓阻式力敏傳感器在測(cè)量物體密度實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].物理通報(bào),2006(05):42-44.

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