郭楠楠　李衛(wèi)東

摘 要：本文通過實驗的方法，用增減砝碼的方式對DH-SLD-1固體與液體密度綜合測量儀中硅壓式力敏傳感器滯后效應進行研究，實驗發(fā)現：硅壓阻力敏傳感器所測量物理量滯后效應不明顯，實驗中可以不通過增減砝碼來規(guī)避滯后效應所帶來的影響[1]。所得結論將為今后利用硅壓式力敏傳感器進行相關物理量的測量實驗提供一定的參考。

關鍵詞：硅壓阻;力敏傳感器;滯后效應

硅壓阻力敏傳感器是主要ΔRR=Kε是利用半導體壓阻效應，將外力的變化轉化為電學量的變化反映出來，在提高測量的準確性的同時，還實現了非電學量的電學測量[2]。為保證實驗測量的準確性，有必要對硅壓阻力敏傳感器的機械效應進行研究。

1 實驗原理

硅壓式力敏傳感器是由基體直接承受被測壓力，通過波紋膜片，將被測應力傳遞到芯片，位于硅彈性膜上的芯片檢測被測應力[3]。當金屬導體在承受機械形變的過程中，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，使得彈性機械的電阻隨著電阻率、長度和橫截面積的改變而改變。此時應變片將所受外力的變化用電阻的變化對外表現出來，即電阻的應變效應，描述電阻應變效應的關系式為：

ΔRR=Kε（1）

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

當彈性機械的電阻應變片R1-R4的阻值發(fā)生變化時，通過惠斯通電橋產生電壓輸出，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為對應的電壓改變量，B為硅壓式力敏傳感器的靈敏度。在此過程中，金屬箔式應變片將所受外力的改變轉化為電阻的改變，惠斯通電橋將電阻變化轉為電壓的改變，從而將非電學量的轉化為電學量的測量[4]。由于彈性機械在受到外力作用之后，使得彈性機械的形變必然落后于應力的變化，此時，彈性材料對外力的響應就會造成滯后效應，這將可能對儀器測量結果造成影響，使實驗結果出現誤差。

2 實驗裝置與方法

2.1 實驗裝置

實驗中的硅壓式力敏傳感器為DH-SLD-1固體與液體密度綜合測量儀[5]。

2.2 實驗方法

將硅壓式力敏傳感器輸出插座與實驗儀面板上“傳感器”插座相連，測量選擇“內接”;將砝碼盤掛在傳感器掛鉤上，接通電源，預熱5分鐘，待穩(wěn)定后，通過“調零旋鈕”對mV表進行調零。取輸入電壓為1V，在砝碼盤中按順序增加砝碼的數量（每次增加10g）至100g，記錄mV表對應的傳感器輸出電壓，然后按順序減去砝碼的數量（每次減去10g）至0g，再次記錄mV表對應的傳感器輸出電壓;最后改變輸入電壓分別為2V、3V、4V、5V、6V。重復上述操作，并記錄數據。

3 實驗數據記錄及數據處理

實驗數據見表1。

在直角坐標系中選取橫坐標為砝碼質量m，縱坐標為加、減砝碼時所對應的輸出電壓ΔU，則如下面6幅圖所示。

由圖可以得出結論：當輸入電壓U分別為1V、2V、3V、4V、5V、6V時，所加砝碼質量m在0-100g內增大時，輸出電壓會隨之增大，用最小二乘法作直線擬合，得到對應輸入電壓下靈敏度B和相關系數r如表2所示：

當輸入電壓一定時，輸出電壓與所受外力成正比，當輸入電壓一定時，通過加減砝碼操作測量所得硅壓式力敏傳感器的靈敏度基本一樣，即滯后效應不顯著;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 結論

因此，在利用DH-SLD-1固體與液體密度綜合測量儀硅壓式力敏傳感器進行物理實驗數據測量時，滯后效應不顯著，沒有必要通過加減砝碼來規(guī)避滯后現象。輸入電壓選取6V時，儀器靈敏度最高。

參考文獻：

[1]張大志.力學基礎實驗[M].東北大學出版社，2018.1.

[2]楊述武，趙立竹，等.普通物理實驗[M].高等教育出版社，2007.12.

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

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

[5]陳瑩梅.硅壓阻式力敏傳感器在測量物體密度實驗中的應用[J].物理通報，2006（05）：42-44.