壓力感測器實驗
一、實驗目的
1. 了解應變壓力感測器的組成、結構及工作引數。
2. 了解非電量的轉換及測量方法——電橋法。
3. 掌握非平衡電橋的測量技術。
4. 掌握應變壓力感測器靈敏度及物體重量的測量。
5. 了解多個應變壓力感測器的線性組成、調整與定標。
二、實驗原理
壓力感測器是把一種非電量轉換成電訊號的感測器。彈性體在壓力(重量)作用下產生形變(應變)，導致(按電橋方式聯接)貼上於彈性體中的應變片，產生電阻變化的過程。
壓力感測器的主要指標是它的最大載重(壓力)、靈敏度、輸出輸入電阻值、工作電壓(激勵電壓)(vin)、輸出電壓(vout)範圍。
壓力感測器是由特殊工藝材料製成的彈性體、電阻應變片、溫度補償電路組成；並採用非平衡電橋方式聯接，最後密封在彈性體中。
彈性體：
一般由合金材料冶煉製成，加工成s型、長條形、圓柱型等。為了產生一定彈性，挖空或部分挖空其內部。
電阻應變片：
金屬導體的電阻r與其電阻率ρ、長度l、截面a的大小有關。
1）導體在承受機械形變過程中，電阻率、長度、截面都要發生變化，從而導致其電阻變化。
（2）這樣就把所承愛的應力轉變成應變，進而轉換成電阻的變化。因此電阻應變片能將彈性體上應力的變化轉換為電阻的變化。
電阻應變片的結構：電阻應變片一般由基底片、敏感柵、引線及履蓋片用粘合劑粘合而成。
電阻應變片的結構如圖1所示：
敏感柵：是感應彈性應變的敏感部分。敏感柵由直徑約0.
01～0.05公釐高電阻係數的細絲彎曲成柵狀，它實際上是乙個電阻元件，是電阻應變片感受構件應變的敏感部分．敏感柵用粘合劑固定在基底片上。b×l稱為應變片的使用面積（應變片工作寬度，應變片標距（工作基長）l），應變片的規格一般以使用面積和電阻值來表示，如3×10平方公釐，350歐姆。
基底片：基底將構件上的應變準確地傳遞到敏感柵上去．因此基底必須做得很薄，一般為0.03～0.
06公釐，使它能與試件及敏感柵牢固地粘結在一起，另外它還具有良好的絕緣性、抗潮性和耐熱性．基底材料有紙、膠膜和玻璃纖維布等。
引出線的作用是將敏感柵電阻元件與測量電路相連線，一般由0.1-0.2公釐低阻鍍錫鋼絲製成，並與敏感柵兩輸出端相焊接，覆蓋片起保護作用．
粘合劑：將應變片用粘合劑牢固地貼上在被測試件的表面上，隨著試件受力形變應變片的敏感柵也獲得同樣的形變，從而使其電阻隨之發生變化，通過測量電阻值的變化可反映出外力作用的大小．
壓力感測器：是將四片電阻片分別貼上在彈性平行粱a的上下兩表面適當的位置，如圖2所示．r1、r2、r3、r4是四片電阻片，粱的一端固定，另一端自由用於加載荷（如外力f）。
彈性梁受載荷作用而彎曲，梁的上表面受拉，電阻片r1、r3亦受拉伸作用電阻增大，梁的下表面受壓，r2、r4電阻減小。這樣外力的作用通過梁的形變而使四個電阻值發生變化，這就是壓力感測器。
應變片可以把應變的變化轉換為電阻的變化，為了顯示和記錄應變的大小，還需把電阻的變化再轉換為電壓或電流的變化。最常用的測量電路為電橋電路。
三、實驗儀器
四、預習要求
1. 了解壓力感測器的組成、結構及工作引數
2. 了解電橋的相關知識
3. 作**釋全等臂電橋、半等臂電橋的含義？
4. 本實驗中，測定單臂電橋平衡時或近似平衡時，兩電阻箱的阻值r。取多少？
5. 什麼是電阻箱的額定功率？金屬電阻引數為100歐姆（正負5%，1/8瓦），說明什麼？
五、實驗內容
實驗（1）
1．測定單臂輸入時電橋的電壓輸出特性
（1）（1）按實驗電路接好測量電路。其中r1和r2在實驗板上為固定電阻，rx1和rx2用電阻箱，調節供電電源電壓e0=6.00伏。
（2）r1=r2=1m，即k=1；再調節rx1= rx2=10k，即使uab=0。但由於電阻箱存在一定誤差，以及接觸電阻等因素的影響，此時電橋未必能平衡，即uab0；為此需要微調電壓表，使uab=0。
（3）使rx1每次增大200，用電壓表測出電橋相應的輸出電壓uab，直到rx1增大1.200k。
2．測定雙臂輸入時電橋的電壓輸出特性
（1）調節，使電橋平衡。
（2）使rx1每次增大200，而rx2相應每次減少200，測出電橋的相應輸出電壓。直到rx1、rx2的最大改變量為1.2000k。
實驗（2）
1．儀器連線
儀器的連線如圖8所示，電源電壓接壓力感測特性測試儀的電源輸出端，為感測器提供工作電源，感測器輸出端接壓力感測器特性測試儀的訊號輸入端，從而對不平衡電橋（即壓力感測器）的輸出電壓進行放大、測量和顯示。
2．儀器調節
先將儀器電源開啟，預熱十五分鐘以上，調節電源電壓為10.0伏。再旋轉調零旋鈕，使壓力電壓顯示值為0.000伏。
3．測量
（1）按順序增加砝碼的數量（每次增加1千克，共9次），記錄每次載入時的輸出電壓值u0。
（2）再按相反次序將砝碼逐一取下，記錄輸出電壓值u0。
（3）用逐差法求出感測器的靈敏度s。
（伏/千克13）
4．用壓力感測器測量任意物體的重量
（1）將乙個未知重量的物體放置於載入平台上，測出電壓，同一物體測量三次求出平均值。
（2）物體的重量
14）（3）共測三個未知重量的物體，樣品由實驗室提供或學生自己提供被測物體。
5．測量感測器電源電壓e與電橋輸出電壓u0的關係，保持載入砝碼的質量為1千克。
（1）改變hc-ipf壓力感測特性測試儀的電源電壓，使其由2.0伏變至10.0伏，每隔1.0伏記錄乙個輸出電壓值u0。
（2）作e-u0關係曲線，分析是否為線性關係。
6．測出本實驗系統的最小分辨重量。
用實驗室提供的砝碼1克至9克，由1克載入，每加1克記錄感測器輸出電壓值u0。
分析測量結果，給出實驗系統所能測出的最小重量以及能分辨的最小重量。
六、實驗操作中的重點、難點、注意事項
操作中的重點、難點：非平衡電橋
注意事項：
1．仔細檢查電路有否接錯，否則會燒壞電阻箱、壓力感測特性測試儀。檢查後方可通電。
2．根據電源電壓的大小、電阻大小，估算流經電阻箱的電流，是否超過其額定電流。
3．實驗完畢，關閉電源。才能離開。清理導線、整理清潔實驗桌面、桌凳。
4. 本次實驗做完後，申報儀器狀態，經老師檢查簽字後方可離開。
七、思考題
1．分析給出本系統的最小分辨重量。
2．分析此種壓力感測器是否線性感測元件？
3．設計由四個壓力感測器組成的汽車稱原理連線圖，如何調整稱平面各處稱重的一致性。
4．寫出此種壓力感測器的主要引數及其含義是什麼。
霍爾效應及霍爾元件基本引數的測量
一、實驗原理
靜止的載流導體位於磁場中(三個條件，靜止、通電導體、磁場)，當電流i的方向與磁場的方向有一定夾角時，在垂直於電流和磁場方向的載流導體的兩側面之間會產生電動勢，電流方向與磁場方向垂直時，產生的電動勢最大，這一現象稱為霍爾效應。霍爾效應的本質是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起偏轉，當帶電粒子被約束在固體材料中，這種偏轉就導致在垂直於電流和磁場的方向產生正、負電荷的聚集，從而在材料中形成附加的橫向電場。
霍爾效應一般極為微弱，但在高純度的半導體中比較明顯，因為半導體材料的載流子遷移率很高，電阻率也比較大。實用中為提高霍爾元件的靈敏度，將元件製成很薄、很小的矩形。過去霍爾元件的尺寸都在公釐數量級，新的製作工藝(真空鍍膜)已使霍爾元件的尺寸更小，僅為微公尺數量級。
所以實驗中要嚴格按要求施加工作電流，注意安全，保護儀器。
霍爾效應已在科學實驗和工程技術中得到廣泛應用。霍爾感測器主要用在以下幾個方面：測量磁場強度；測量交直流電路電流強度和電功率；轉換訊號，如將直流電流轉換成交流電流；對各種非電量的物理量進行測量並輸出電訊號供自動檢測、控制和資訊處理，實現生產過程的自動化。
無論工科或理科學生，了解這一極富實用性的實驗，對將來的工作和學習都有幫助。
二、實驗儀器
實驗儀器由兩部分組成，實驗儀和測試儀。實驗儀包括乙個用來產生勻強磁場的電磁鐵，乙個置於電磁鐵縫隙中的霍爾感測器，其位置可調節，左右兩個開關分別控制霍爾感測器工作電流is和電磁鐵線圈激勵電流im的方向，中間開關向上閉合用以測量霍爾感測器輸出的霍爾電壓vh，向下閉合用以測量霍爾感測器上的電壓降v0。儀器上標有該霍爾感測器的靈敏度kh，注意要將單位mv/(ma*kgs)換算成國際單位制。
測試儀是實驗電源和測量儀表，兩個恆流源分別輸出霍爾感測器工作電流is和電磁鐵線圈激勵電流im，調節is和im，可實現實驗條件的控制和改變，兩者共用乙個電流錶讀數，注意測量霍爾感測器工作電流時讀數最大值是1.999毫安，測量電磁鐵線圈激勵電流時讀數最大值是1.999安培，左邊電壓表用來測量霍爾電壓vh和v0，讀數單位是毫伏。
三、實驗內容、方法、實驗報告要求
由於產生霍爾效應的同時還伴隨著多種副效應，使得測量過程包含著系統誤差，為減小或消除系統誤差，採用對稱測量法，然後求各次測量的平均值，要正確應用公式(va-vb+vc-vd)/4≈vh，需正確定義is、im的方向。
1、測繪電磁鐵氣隙中磁感應強度b沿x方向的分布曲線，作b—x圖。用表4.7.
5記錄資料，用公式(20)計算各點磁感應強度b的值，調節im為0.8a，is為1.0ma，電磁鐵氣隙邊長(x方向)為50mm；
2、測繪vh—im關係曲線，用表4.7.3記錄資料，調節is為1.0ma，霍爾元件置於電磁鐵氣隙中心；
3、 測繪vh—is關係曲線，用表4.7.1記錄資料，，調節im為1.
0a，調節is從0.1~1.0ma(間隔0.
1ma)，霍爾元件置於電磁鐵氣隙中心，根據中心點的磁感應強度b應用公式(9)計算霍爾元件材料的霍爾係數rh；
4、測量霍爾元件的電導率、載流子遷移率，用表4.7.2記錄資料，調節is從0.2~1.0ma(間隔0.1ma)，繪製is—v0曲線；
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