大学物理学设计性实验讲义.docx

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大学物理学设计性实验讲义

实验1.压力传感器基本特性的研究

一、实验目的

1.了解金属箔式应变片的应变效应和性能;

2.测量应变传感器的压力特性.

二、实验要求

1.测量应变式传感器的压力特性，计算其灵敏度;

2.测量应变式传感器的输出电压与工作电压的关系.

三、实验仪器

YJ-YLY-1压力传感器特性及应用综合实验仪、实验装置、标准砝码等

实验装置如图1所示

四、实验原理

1金属导体的电阻随其所受机械形变（伸长或缩短）的大小而发生变化，其原因是导体的电阻与材料的电阻率以及它的几何尺寸（长度和截面）有关.由于导体在承受机械形变过程中，其电阻率、长度和截面积都要发生变化，从而导致其电阻发生变化，因此电阻应变片能将机械构件上应力的变化转换为电阻的变化.电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：

△R／R=Kε

（1）

式中△R／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=△L／L为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化，电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态.

2应变式压力传感器的结构如图2所示

电阻应变片一般由敏感栅、基底、粘合剂、引线、盖片等组成.应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示，如“3×10mm2，350Ω”.

敏感栅由直径约0.01mm--0.05mm高电阻系数的细丝弯曲成栅状，它实际上是一个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分.敏感栅用粘合剂将其固定在基片上.基底应保证将构件上的应变准确地传送到敏感栅上去，故基底必须做得很薄（一般为0.03mm--0.06mm），使它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起；另外，它还应有良好的绝缘性、抗潮性和耐热性.基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等.引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，一般由0.1mm--0.2mm低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两端输出端相焊接，盖片起保护作用.

在测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的形变，从而使电阻随之发生变化.通过测量电阻值的变化可反映出外力作用的大小.

压力传感器是将四片电阻分别粘贴在弹性平行梁的上下两表面适当的位置，梁的一端固定，另一端自由用于加载荷外力F.弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受拉，电阻片R1和R3亦受拉伸作用电阻增大；梁的下表面受压，R2和R4电阻减小.这样，外力的作用通过梁的形变而使四个电阻值发生变化，这就是压力传感器.应变片R1=R2=R3=R4.

3．压力传感器的压力特性

应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化.为了显示和记录应变的大小，还需把电阻的变化再转化为电压或电流的变化.最常用的测量电路为电桥电路.由应变片组成的全桥测量电路如图3所示，当应变片受到压力作用时，引起弹性体的变形，使得粘贴在弹性体上的电阻应受片R1--R4的阻值发生变化，电桥将产生输出，其输出电压正比于所受到的压力.

为了消除电桥电路的非线性误差，通常采用非平衡电桥进行测量.

4．用标准砝码测量应变式传感器的压力特性，计算其灵敏度.

（1）按顺序增加砝码的数量（每次增加20g），测传感器的输出ΔU；

（2）再逐一减砝码，记下输出电压；

（3）用逐差法求出传感器的灵敏度s

s＝ΔU／Δm（mV/g）

（4）测量传感器电源电压E与电桥输出电压ΔU的关系，作E－ΔU关系曲线.

五、使用方法

1.压力传感器的压力特性的测量：

（1）将100g传感器输出电缆线接入实验仪电缆座II，测量选择置于内测20mV（或200mV）.接通电源，调节工作电压为2V,按顺序增加砝码的数量（每次增加10g）至100g，分别测传感器的输出电压.

（2）按顺序减去砝码的数量（每次减去10g）至0g，分别测传感器的输出电压.

（3）用逐差法处理数据，求灵敏度s.

2.压力传感器的电压特性的测量：

保持传感器的压力不变（如50g），改变工作电压分别为3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V测量传感器电源电压E与电桥输出电压ΔU的关系，作E－ΔU关系曲线.

六、实验数据

表1压力传感器的压力特性

m（g）

100

加ΔU（mV）

减ΔU（mV）

表2压力传感器的电压特性

E（V）

ΔU（mV）

实验2.固体密度的液体密度的测量

一、实验目的

1.测量应变的压力特性;

2.利用压力传感器测量固体和液体的密度.

二、实验要求

1.测量应变式传感器的压力特性，计算其灵敏度;

2.测量固体和液体的密度.

三、实验仪器

YJ-YLY-1压力传感器特性及应用综合实验仪、实验装置、标准砝码等

实验装置如图1所示

四、实验原理

1．压力传感器

2．压力传感器的压力特性

应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化.为了显示和记录应变的大小，还需把电阻的变化再转化为电压或电流的变化.最常用的测量电路为电桥电路.由应变片组成的全桥测量电路如图2所示，当应变片受到压力作用时，引起弹性体的变形，使得粘贴在弹性体上的电阻应受片R1--R4的阻值发生变化，电桥将产生输出，其输出电压正比于所受到的压力.即

（1）

式中F为所承受的拉力，

为相应的电压改变量，系数S为压力传感器的灵敏度.

3．用标准砝码测量应变式传感器的压力特性，计算其灵敏度.

（1）按顺序增加砝码的数量（每次增加20g），测传感器的输出Δu；

（2）再逐一减砝码，记下输出电压；

（3）用逐差法求出传感器的灵敏度S

S＝ΔU／Δm（mV/g）

4.固体密度的测量

物体的密度ρ为其质量m与体积V之比，即

（2）

用流体静力法称法测量固体密度，如图3所示，用硅力敏传感器式测力计分别测出其在空气中的重量mg及浸没在水中的视重m1g.由阿基米德原理可知，其所受的浮力等于其所排开的液体的重量，即

（3）

式中V为物体所排开同体积液体的体积，

为水的密度，g为重力加速度.

显然，由

（1）式可得用硅力敏传感器制成的测力计称量质量为m物体的重量时，输出的电压U1为

（4）

当称量待测固体浸没在水中时，该物体的视重为m1g，其输出电压U2为

（5）

在（4）式和（5）式中，S为压力传感器的灵敏度.由

（2）、（3）、（4）和（5）式得待测固体的密度为

（6）

5.液体密度的测量

用密度均匀的固体浮子浸没于待测液体中，如图3所示.由（3）式可得浮子所受的浮力为

（7）

式中mg为浮子在空气中的重量，m3g为浮子浸没在待测液体中的视重，ρx为待测液体的密度，V为浮子所排开同体积液体的体积.

同理，由

（1）式可得用半导体测力计称量浮子浸没在待测液体中的视重m3g时，输出的电压U3为

（8）

查表可准确得到对应温度的水的密度ρ0，由（3）式可得固体浮子的体积为

（9）

由（7）式和（8）式和（9）式可得

（10）

可见.用压力传感器采用静力称衡法，可以对固体、液体和密度进行测量.而且实现了非电学的物理量微拉力测量转换为电压的测量.

五、使用方法

1.压力传感器的压力特性的测量：

（1）将100g传感器输出电缆线接入实验仪电缆座II，测量选择置于内测20mV（或200mV）.接通电源，调节工作电压为5V,按顺序增加砝码的数量（每次增加10g）至100g，分别测传感器的输出电压.

（2）按顺序减去砝码的数量（每次减去10g）至0g，分别测传感器的输出电压.

（3）用逐差法处理数据，求灵敏度S.

2.固体密度的测量

分别测出待测物体在空气中及浸没在水中数字电压表的计数U1及U2.用温度计测量水的温度，查表得水的密度ρ0，利用公式（6）计算出固体的密度.

3.液体密度的测量

分别测出浮子在空气中、浸没在水中以及浸没在待测液体中数字电压表的读数U1、U2及U3，并测出待测液体的温度，查表得该温度时水的密度，再利用公式（10）计算出液体的密度.

六、实验数据

表1压力传感器的压力特性

m（g）

100

加ΔU（mV）

减ΔU（mV）

表2固体的密度测量

U1（mV）

U2（mV）

表3液体的密度测量

m（g）

U1（mV）

U2（mV）

U3（mV）

实验3.液体表面张力系数的测量

一、实验目的

1、用砝码对力敏传感器进行定标,计算该传感器的灵敏度,学习传感器的定标方法.

2、观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象,并用物理学基本概念和定律进行分析和研究,加深对物理规律的认识.

3、测量纯水（或其它液体）的表面张力系数.

二、实验仪器

YJ-YLY-1压力传感器特性及应用综合实验仪、实验装置、标准砝码等

实验装置如图1所示.

三、实验原理

1．力敏传感器

金属导体的电阻随其所受机械形变（伸长或缩短）的大小而发生变化，其原因是导体的电阻与材料的电阻率以及它的几何尺寸（长度和截面）有关.由于导体在承受机械形变过程中，其电阻率、长度和截面积都要发生变化，从而导致其电阻发生变化，因此电阻应变片能将机械构件上应力的变化转换为电阻的变化.

电阻应变片一般由敏感栅、基底、粘合剂、引线、盖片等组成.应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示.

膜和玻璃纤维布等.引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，一般由0.1mm--0.2mm低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两端输出端相焊接，盖片起保护作用.

压力传感器是将四片电阻分别粘贴在弹性平行梁的上下两表面适当的位置，梁的一端固定，另一端自由用于加载荷外力F.弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受拉，电阻片R1和R3亦受拉伸作用电阻增大；梁的下表面受压，R2和R4电阻减小.这样，外力的作用通过梁的形变而使四个电阻值发生变化，这就是压力传感器.

应变片R1＝R2＝R3＝R4.由应变片组成的全桥测量电路，当应变片受到压力作用时，引起弹性体的形变，使得粘贴在弹性体上的电阻应受片R1--R4的阻值发生变化，电桥将产生输出，其输出电压正比于所受到的压力.

2．压力传感器的压力特性

应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化.为了显示和记录应变的大小，还需把电阻的变化再转化为电压或电流的变化.最常用的测量电路为电桥电路.

为了消除电桥电路的非线性误差，通常采用非平衡电桥进行测量.

3．用标准砝码测量应变式传感器的压力特性，计算其灵敏度.

（1）按顺序增加砝码的数量（每次增加500mg），测传感器的输出电压Ui；

（2）再逐一减砝码，记下输出电压；

（3）用逐差法求出传感器的灵敏度K

K＝ΔU／Δm（mV/g）

（1）

4.液体表面张力系数的测量

图2

将一表面洁净的U形金属片框竖直地浸入液体中，令其底面保持水平，然后轻轻提起.由于表面张力的作用，金属片框四周将带起一部分液膜，液面呈弯曲形状，如图2所示.这时，金属片框在竖直方向受力为

（1）向上的拉力F；

（2）金属框所受的表面张力

，

为液体表面与金属框的接触角，考虑

很小，

，

；（3）金属框所沾附液膜的质量为

为金属框的长度,

为液膜拉脱前的高度,d为金属片的厚度.当金属框脱离液体诸力平衡条件为：

（2）

（3）

四、使用步骤

1、将10g传感器输出电缆线接入实验仪电缆座II，测量选择置于内测20mV（或200mV）.接通电源，调节工作电压为5V,开机预热15分钟.

2、清洗器皿和金属框.

3、在器皿内放入被测液体并安放在升降台上.

4、将砝码盘挂在力敏传感器的钩上.

5、待整机已预热15分钟后，可对力敏传感器定标，安放砝码时应尽量轻.

6、换金属框前应先测定金属框的厚度和框的内空长度，然后挂上金属框，在测定液体表面张力系数过程中，可观察到液体产生的浮力与张力的情况与现象，以顺时针转动千分尺时,液体液面上升，当金属框均浸入液体中时，改为逆时针转动千分尺，这时液面往下降，使金属线框上边刚好与液面重合（为便于观察，实验时可用白纸作背景，从下往斜上观察），记下此时升降装置千分尺的读数h1，继续逆时针转动千分尺使液面往下降，观察金属框从液体中拉起时的物理过程和现象；特别应注意记录金属框中液膜刚好拉破瞬间数字电压表读数值为U1，同时停止转动千分尺，记录液膜拉破后数字电压表读数为U2.然后记下千分尺的读数h2

五、实验数据

1.力敏传感器定标

力敏传感器上分别加各种质量砝码，测出相应的电压输出值,实验结果见表1

表1力敏传感器定标

物体质量m/g

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

输出电压U/mV

经最小二乘法（或逐差法）得仪器的灵敏度K=mV/N.

2、用温度计测量待测液体的温度t

3、水的表面张力系数的测量

用游标卡尺测量金属框内空长度：

=mm,用千分尺测金属框厚度

d=mm，调节升降装置千分尺，记录液膜在刚好拉破时数字电压表读数U1，拉破后数字电压表的读数U2，结果见表2.

表2纯水的表面张力系数测量（水的温度t=℃）

测量

次数

h1/mm

h2/mm

/×10

/mV

/×10

/N/m

在此温度下水的表面张力系数为N/m.经查表，在t=25℃时水的表面张力系数为71.96mN/m，百分误差为%.

六.使用注意事项

1、金属框须严格处理干净.可用NaOH溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并凉干.

2、金属框须调节平衡.

3、仪器开机需预热15分钟.

4、在旋转千分尺时，尽量使液体的波动要小.

5、工作室须避风.

6、在测量过程中应防止灰尘和油污及其它杂质污染.特别注意不能用手直接接触金属框及被测液体.

7、力敏传感器使用时用力不应大于0.098N.过大的拉力容易损坏力敏传感器.

8、实验结束须将金属框用清洁纸擦干，用清洁纸包好待用.

实验4.电子秤的设计与制作

在日常生活和生产中，电子秤已经得到了广泛的应用，电子秤是通过压力传感器,把被测量物体的质量转换成电信号输出,通过放大器放大后,由二次仪表直接显示出来.

一.设计研究要求

1.研究、测量应变式传感器的压力特性，计算其灵敏度;

2.根据应变式传感器的压力特性设计、制作一个电子秤，该电子秤应达到如下的技术指标:

量程:

0—199.9g.

精度:

在量程范围内,额定误差小于最大量程的0.5%

灵敏度:

0.1g

显示:

电压输出0—199.9mV

要求确定整体设计方案,说明测量的原理,给出各组成部分的性能测试数据,证明能达到以上技术指标,写出设计研究总结报告.

二.原理和方法提示

1．压力传感器

应变式压力传感器的结构如图1所示，主要由双孔平衡梁和粘贴在梁上的电阻应变片R1—R4组成，电阻应变片一般由敏感栅、基底、粘合剂、引线、盖片等组成.应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示，如“3×10mm2，350Ω”.

3．压力传感器的压力特性

4．传感器电源电压E与电桥输出电压ΔU的关系

改变传感器工作电压E，其输出电压正ΔU比于工作电压E.

5、电子秤的设计

由于应变式压力传感器输出的电压仅为毫伏量级,如果后级采用数字电压表作为显示仪表.则应把荷重传感器输出的毫伏信号放大到相应的电压信号输出.整套装置的组成框图如图3所示

三.实验设计内容

1、总体方案设计

要设计一台电子秤,首先要根据对测量所提出的精度和灵敏度的要求.对各组成部分的主要性能参数提出合理的要求,这一步属于总体方案设计阶段.在总体设计中,首先要分析这套测试装置中哪一部分是主要的关键部分,它的性能参数将对其他部分起关健的决定性的作用.就本课题而言.应变式压力传感器是关键部分,它的特性指标将对放大电路及显示仪表的选择起决定性的作用.因此,首先要研究和测量荷重传感器的特性指标,在实际问题中.哪一部分是关键并不是唯一的和一成不变的.需要根据所要解决的实际问题的具体要求和条件而定.

总体设计中，在决定荷重传感器的特性参数后，再定出其它部分的设计参数和指标.

2．压力传感器的参数测试和性能研究

用某种方法测量该传感器内部各桥臂的电阻值.要求不打开传感器.用电学测量方法就能知道各桥臂应变片的阻值及连接方法.这是第一个设计内容.实验中提供万用表、数字电压表.（电缆插头1、3为电源，2、4为输出）

测定荷重传感器的其它性能.

压力传感器灵敏度及线性

即在某一定的供桥电压下，单位荷载变化所引起的输出电压变化，用Sp表示：

Sp=△V0/△P

实验中，不但要求出Sp值，还要求利用两个变量的统计计算法求输出电压V0和荷重P之间的相关系数，即线性度.

压力传感器电压灵敏度

即在额定荷载下，供桥电压变化所引起的输出变化，用Sv表示，则

Sv=△V0/△V桥

同样，也要研究其线性，求其相关系数.实验仪器有数字电压表、稳压电源、砝码若干.

3．决定其他部分的设计参数

根据压力传感器的量程和电子秤的称重范围，在充分利用传感器量程的前提下，设计计算放大器的放大倍数和传感器的工作电压.

设计放大电路，并进行调试和安装测定.可在指导老师的指导下熟悉有关的放大线路.并进行线路的测定和调试.由于荷重传感器输出的信号是很小的.一般为毫伏的量级.根据设计的要求.要在0—100.0g的称量范围内,直接以电压值显示.所以需要放大系统将该信号进行放大再输入显示系统显示物体的重量.本设计中采用运算放大器实现，运算放大电路除可自行安装调试外，也可直接采用实验室提供的放大倍数可调的实验模板，模板使用和调试方法参见附录.

4.整机测定和调试

把传感器、放大器和显示装置（采用适当量程和精度的数字电压表）连成一体，进行模拟测试，求物体重量变化与输出电压示值的关系，验证各项指标是否达到要求.

5.总结，写出研究测试报告.

附录：

基本使用方法：

应变式压力传感器基本特性的测量

1.压力传感器的压力特性的测量：

（2）按顺序减去砝码的数量（每次减去10g）至0g，分别测传感器的输出电压.

（3）用逐差法处理数据，求灵敏度Sp.

2.压力传感器的电压特性的测量：

保持传感器的压力不变（如50g），改变工作电压分别为3V、4V、5V、6V、7V、8V，9V测量传感器电源电压E与电桥输出电压ΔU的关系，作E－ΔU关系曲线,求灵敏度Sv.

3.应变式压力传感器实验模板如图4所示，R1—R4应变式压力传感器的四个应变电阻，由R1—R4等电阻组成的电压为V01,Rw1为零点调节.由R7—R13、IC1等组成的差动放大器放大倍数由Rw2调节，输出的电压为V02.

使用、调试方法：

1）、用电缆线连接实验仪电缆I插座和实验模板，并将100g传感器电缆线接入实验模板，用导线短路放大器输入端，放大器的输出端与实验仪测量输入相连，实验仪测量选择置200mV外测档，打开实验仪电源开关，调节放大器调零旋钮使放大器输出电压为0.0mV,去掉短路线用连接线将放大器的输入端与非平衡电桥的输出端相连，放大器的输出端与实验仪

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