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實(shí)驗(yàn)十一擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器的壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈹U(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器測(cè)量壓力的原理與方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器壓力傳感器模塊、溫度傳感器模塊、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓源+5V、±15V。三、實(shí)驗(yàn)原理在具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體材料上用擴(kuò)散或離子注入法,摩托羅拉公司設(shè)計(jì)出X形硅壓力傳感器如下圖所示:在單晶硅膜片表面形成4個(gè)阻值相等的電阻條。并將它們連接成惠斯通電橋,電橋電源端和輸出端引出,用制造集成電路的方法封裝起來(lái),制成擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器。擴(kuò)散硅壓力傳感器的工作原理:在X形硅壓力傳感器的一個(gè)方向上加偏置電壓形成電流展當(dāng)敏感芯片沒(méi)有外加壓力作用,內(nèi)部電橋處于平衡狀態(tài),當(dāng)有剪切力作用時(shí),在垂直電流方向?qū)?huì)產(chǎn)生電場(chǎng)變化E=Ap-i,該電場(chǎng)的變化引起電位變化,則在端可得到被與電流垂直方向的兩測(cè)壓力引起的輸出電壓Uo。U=d-E=d-Ap-i(11-1)O式中d為元件兩端距離。Uo圖1T電流實(shí)驗(yàn)接線圖如圖11-2所示,MPX10有4個(gè)引出腳,1腳接地、2腳為Uo+、3腳接+5V電源、4腳為Uo-;當(dāng)P1>P2時(shí),輸出為正;Uo圖1T電流四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.接入+5丫、±15丫直流穩(wěn)壓擇20V檔,打開(kāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)總電源。.調(diào)節(jié)Rw2到適當(dāng)位置并保與節(jié)Rw3使直流電壓表200mV檔顯力一.氣室1、2的兩個(gè)活塞退回到刻度"1/"的小孔后,便兩,1、氣至的壓刀和河天氣壓咫為0,氣壓計(jì)指在“零”刻度處,將MPX10的輸出接到差動(dòng)放大器的輸入端Ui,調(diào)節(jié)Rw1使直流電壓表200mv檔顯示為零。.保持負(fù)壓力輸入P2壓力零不變,增大正壓力輸入P1的壓力到0.01MPa,每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P1的壓力達(dá)到0.095Mpa;填入下表1。.保持正壓力輸入P1壓力0.095Mpa不變,增大負(fù)壓力輸入P2的壓力,從0.01MPa每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P2的壓力達(dá)到0.095Mpa;填入下表2。.保持負(fù)壓力輸入P2壓力0.095Mpa不變,減小正壓力輸入P1的壓力,每隔0.005Mpa
記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P1的壓力為0.005Mpa;填入下表3。.保持負(fù)壓力輸入P1壓力0Mpa不變,減小正壓力輸入P2的壓力,每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P2的壓力為0.005Mpa;填入下表。10.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源,整理好實(shí)驗(yàn)設(shè)備。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析1、保持負(fù)壓力輸入P2壓力零不變,增大正壓力輸入P1的壓力P1(kP)0.010.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050Uo2(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繪制P1-Uo2曲線圖如下圖所示P1-UC曲線圖2、保持正壓力輸入P1壓力0.095Mpa不變,增大負(fù)壓力輸入P2的壓力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繪制P2-Uo2曲線圖如下圖所示減減/JP2-U02線003、保持負(fù)壓力輸入P2壓力0.095Mpa不變,減小正壓力輸入P1的壓力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)0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.005Uo2(V)-5.57-6.01-6.27-6.70-7.18-7.52-7.90-8.22-8.55(表3)用matlab繪制P1-Uo2曲線圖如下圖所示0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/kPO7-V/2oU00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P1/kP減0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/kPO7-V/2oU00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P1/kP減/JP1-U曲線圖0-4-5V/2oU-8-9
4、保持負(fù)壓力輸入P1壓力0Mpa不變,減小正壓力輸入P2的壓力P2(kP)0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.050Uo2(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繪制的P2-Uo2曲線圖如下圖所示減小P2-UC曲線V/2oU0.0050.010.0150.02V/2oU0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/kPO5、靈敏度及非線性誤差計(jì)算線性擬合直線的斜率即為所求的靈敏度,故對(duì)上面的曲線圖依次進(jìn)行線性擬合,如下圖所示(紅色為擬合直線),并由此算出其靈敏度和非線性誤差。靈敏度L=AU/AP擬合直線斜率非線性誤差6f=△m/yFSX100%(△m為輸出值與擬合直線的最大偏差,yF.S為滿量程輸出平均值)(1)P1-UC擬合直線0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.090.0950.1P1/kP2(1)P1-UC擬合直線0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.090.0950.1P1/kP2O8642V/2oUy=p1*x+p2pl=110.3p2=0.87657由圖讀出^m=0.392故靈敏度S=L=AU/AP非線性誤差6f=(0.392/11.4)X100%=3.5%P2-Uo2曲線圖0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.055P2-Uo2曲線圖0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.090.095氣壓P2/kPp2=11.765由圖讀出Am=0.650.1208642V/2oUy=p1*x+p2p1=-115.24故靈敏度L=AU/AP-1v1/k5p.24非線性誤差6f=(0.65/10.72)X100%=6.1%減小「1山。2曲線圖0.005減小「1山。2曲線圖0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P1/kPy=p1*x+p2p1=91.498p2=-9.3923由圖讀出Am=0.450-7V/2oU故靈敏度L=AU/AP非線性誤差6f=(0.45/8.87)X100%=5.1%減小P2-Uo曲線0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/kPy=p1*x+p2pl=-96
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