使用硅壓力敏傳感器自制物體密度測量儀

李艷琴

(大連大學物理科學與技術學院,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

(大連大學物理科學與技術學院,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、石蠟和醫藥酒精的密度進行了測量,取得了較好的結果.力敏傳感器的數顯特點使學生能方便快捷地進行操作,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改變了傳統實驗的思路,把一個簡單的密度測量實驗變成了一個力、電的綜合實驗,使傳統的實驗更具有新鮮感和吸引力,為物理實驗的教學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,學生必須要掌握各種物體密度的測量方法,因此在大學物理實驗中開設了物體密度的測量實驗.對于一些形狀規則的均勻固體,可以采用直接法得到固體的質量和體積從而計算其密度;而對于一些不規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行測量,由于其中包含了豐富的物理思想和訓練內容,被保留在大學物理實驗中.傳統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下的質量,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的測量中已經被應用[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的基礎上,使用硅壓力敏傳感器自制了物體密度測量儀,實現了非電學量的電學測量,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和集成電路技術制成的傳感器[2].單晶硅材料在受到力的作用后,電阻率發生變化,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、拉力和可以轉變為力的其他物理量的測量,實現了非電學量的電學測量,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成,其結構簡圖如圖1所示,其中傳感器芯片由四個硅擴散電阻集成一個非平衡電橋,如圖2所示.當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,此信號經過放大電路和信號處理系統后,輸出電壓的大小恰好與拉力成正比,即

圖1 硅壓力敏傳感器結構簡圖

圖2 芯片電路圖

式中,U為經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行定標,定標數據如表1所示,定標曲線如圖3所示,可見拉力和電壓值是線性關系,計算出硅壓力敏傳感器的靈敏度B=3.327V/N.

圖3 定標曲線

表1 硅壓力敏傳感器定標數據

2.2 自制物體密度測量儀

物體密度測量儀結構如圖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成.將硅壓力敏傳感器連接到升降裝置,通過升降調節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

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

當ρA＞ρ水時,把固體A先掛在硅壓力敏傳感器上,此時電壓值讀數為U1,即

式中,F1為掛鉤拉力.

按下升降調節按鈕,使固體A完全浸沒在水中,此時電壓值讀數為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ρB＜ρ水時,可以借助于一種密度更小的液體重復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)可轉變為

使用物體密度測試儀數顯的電壓值即可根據式(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學生思考,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,省去了簡單的重復測量,留給學生更多的思考時間.

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,根據排開液體的體積相同,采用比較法進行測量.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 實驗數據

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;在測量石蠟數據時以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(天津市大茂化學試劑廠)中的電壓值U6、U7和U8;測量數據如表2所示.

表2 304白鋼、石蠟和分析純正丁醇測量數據表

查表知水在20℃時的密度為0.9982g/cm3,把表2的數據分別代入式(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白鋼密度的標準值為7.929g/cm3,測量百分誤差為3.2%;分析純正丁醇密度的標準值范圍為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,密度與生產廠家和具體的牌號有直接關系,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因素,無法進行比較,但可以看到使用物體密度測量儀得到的密度在范圍之內.

5 結論

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顯特點,使得學生能方便快捷地進行操作,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.非電學量轉換成電學量進行測量,其意義不僅僅是使得學生操作簡單,更重要的是激勵學生進行深入思考,拓寬學生的思路,表面上看,硅壓力敏傳感器代替物理天平只是儀器的更新,但實質上硅壓力敏傳感器的引進改變了傳統實驗的思路,把一個簡單的密度測量實驗變成了一個力、電的綜合實驗,使傳統的實驗更具有新鮮感和吸引力,與現代高新技術接軌,有利于培養學生的創新精神,符合培養新型人才的要求,為物理實驗的教學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與濃度的關系[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計分析與優化設計[J].MENS器件與技術,2006,(9):438～441

[3] 李學慧.大學物理實驗[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)