清華大學物理實驗A1用傳感器測空氣相對壓力系數實驗報告

1、用傳感器測空氣相對壓力系數實驗物理實驗報告清華大學用傳感器測空氣相對壓力系數實驗物理實驗完整報告班級姓名學號結稿日期： 用傳感器測空氣相對壓力系數實驗報告一、 實驗目的(1)加深理解理想氣體狀態(tài)方程和查理定律；(2)了解銅電阻溫度傳感器和硅壓阻式差壓傳感器的工作原理，掌握其使用方法；(3) 學習用最小二乘法和計算機作直線擬合法處理實驗數據的方法。二、實驗原理(1) 理想氣體的查理定律：在定容條件下，理想氣體狀態(tài)方程可簡化成查理定律：（1）進而得到計算公式：（2）其中，t為氣體的攝氏溫度。p和p0分別為氣體在溫度為t和0時的氣體壓強。為相對壓力系數；對于理想氣體，相對壓力系數滿足： 。由于實際氣

2、體（比如空氣）的相對壓力系數與理想氣體的相差很小，故可近似看作理想氣體。(2) 銅電阻溫度傳感器：在-50100范圍內，銅絲的電阻值R與溫度t有良好的線性關系：（3）其中R0為0時的電阻值，稱為電阻溫度系數。本實驗中使用的銅絲的，當銅絲電阻中通過恒定的電流I時，銅絲電阻兩端的電壓與溫度t有如下關系：（4）其中。如果測出了純水沸點時銅絲電阻的電壓，并查出沸點溫度，那么就可以求得所對應溫度：（5）(3) 壓阻效應：壓阻效應指的是擴散硅壓阻式差壓傳感器半導體材料因受力而產生應變時，由于載流子的濃度和遷移率的變化導致電阻率發(fā)生變化的現象。如圖1所示，當應力作用在傳感器膜片上時，如果將一恒定電壓E加在M

3、和N兩端上，在切應力作用下，從A和B兩端會輸出一個與壓差線性關系的電壓即（6）式中為壓差為零時的輸出電壓，系數為一常數。如果傳感器接口D通大氣，接口C通被測介質，設為大氣壓強，則：（7）Figure 1十字形四端應變片(4) 系統(tǒng)誤差修正：1. 測量系統(tǒng)的誤差修正：由于玻璃泡因熱脹冷縮而容積發(fā)生變化，同時，與玻璃泡相連的連接管等處氣體溫度不均勻，所以實驗中存在著比較明顯的系統(tǒng)誤差。在20左右，以下經驗公式可用于對的測量值進行修正：（8）式中v為玻璃泡至C口的細管部分的體積，V是玻璃泡的體積。三、 實驗儀器實驗中被測介質為封在玻璃泡內的空氣，玻璃泡浸沒在容器內的純凈水中，通過加熱器控制水溫。壓差

4、傳感器的接口D通大氣，接口C經過玻璃細管和真空三通活塞與玻璃泡相連。壓差傳感器接恒壓源，銅絲電阻接恒流源（四端接法）。量程為200mV的4位半數字電壓表測量銅絲電阻上電壓和壓差傳感器的輸出電壓。大氣壓用電子氣壓計讀出。實驗所用裝置示意圖如下：Figure 2實驗裝置示意圖四、 實驗步驟(1) 差壓傳感器的定標：定標即確定差壓傳感器的常數和。先緩慢轉動三通活塞，使壓差傳感器的C口與B管相通而與玻璃泡斷開，此時C管通大氣。將塑料管接在接頭上使D口與機械泵相連。將電壓表接在差壓傳感器的輸出端上。啟動機械泵，從D口抽氣。待真空表指針偏轉到760mm刻度附近不動時，此時D口氣壓可視為零，壓差，壓差傳感器

5、的輸出電壓記為，然后停機械泵，從接頭上拔去塑料管，使 D口也通大氣。此時，數字表的讀數即為,則（9）（2) 測量若干組的值：先估計平均分布數據點時的大概值，再緩慢轉動三通活塞使C口與A泡相通。調節(jié)恒流源，使電流約為4mA。記下室溫下的銅絲電壓值和壓差傳感器的輸出電壓值。然后加熱，銅絲電壓每增加且處于熱平衡時記一次的值，最后記下水沸騰時的各電壓值，記為(3) 實驗前后各測一次大氣壓，同時記下室溫值。(4) 實驗注意事項：實驗加熱時需用獨立的加熱電源給水浴中的加熱器供電，可以調節(jié)電流大小以實現加熱或控溫；用磁力攪拌棒來攪拌，注意轉速適中。實驗時如需換水，要先將加熱器電源斷開（“熱得快”不能干燒），

6、再將玻璃系統(tǒng)拿下放在備用的空燒杯上，把水浴杯的水直接倒入實驗室準備的熱水回收桶，以便涼后再次使用。注意攪拌子別倒掉。壓差傳感器和玻璃制品易損壞，操作時要小心。轉動三通活塞時要緩慢，用另一只手扶住活塞外殼。停泵后應該立即將塑料管G從接頭H上拔下，讓機械泵的抽氣口通大氣。否則，機械泵油會流出泵體進入真空系統(tǒng)，造成污染。實驗完畢，將加熱電源的電流旋鈕、攪拌子轉速調節(jié)旋鈕旋至最小位置，關閉各個電源開關。五、數據記錄與處理（1）大氣壓的測量：實驗前實驗后大氣壓測量值1.01321.0127室溫19.0019.90；（2）水的沸點的測量：大氣壓的平均值，通過查表，利用直線內插值法知，在此壓強下，純水的沸點

7、；（3）標定壓差傳感器：（4）由若干組值計算出對應的，擬合直線。計算結果如下：1114.9129.200400010.171.0101294872117.7135.631851720.911.0291038463119.4339.582600621.671.0485910264121.6944.773700922.291.0644884625123.9549.964801232.891.0798730776126.2155.155901533.571.0973089747128.4760.347001834.291.1157705138130.7365.538102144.841.129873

8、0779132.9970.729202445.591.14910384610135.2575.920302746.181.16423205111137.5181.111403056.931.183462821對的值進行直線擬合：，結果如下圖所示：Figure 3被測氣體壓強與溫度的關系圖由上圖可知,計算機擬合結果：故六、誤差分析計算理論值與實驗值的相對偏差可以看出，理論值比測量值略小。經過對于實驗步驟的回顧，我認為誤差的來源可能是因為實驗中對于熱平衡的控制不夠準確，在轉動單刀雙擲開關時，仍然在上升，導致實際測量出的氣體壓強p偏大，而由于，所以測得的比理論值偏大。七、問題討論（1) 若傳感器的D

9、口有漏氣，對定標結果有何影響？答:漏氣會導致偏小，故而測量值偏小，導致偏小，的測量值偏大，的測量值偏大。(2) 對水加熱時為什么要控制熱平衡？升溫過快有什么問題？答:控制好熱平衡是為了在基本平衡的狀態(tài)下讀取。因為理想氣體狀態(tài)方程僅對理想氣體的平衡態(tài)成立，如果升溫過快，A泡內氣體沒有處于準靜態(tài)變化過程中，則不能用理想氣體狀態(tài)方程描述，測出的就會有系統(tǒng)誤差。而且，升溫過快時，在轉動雙擲開關過程中，A泡氣體也在升溫，讀出的值就不是對應氣體的同一個狀態(tài)的了。(3) 為什么銅電阻溫度傳感器采用四端接法可減少引線電阻對測量的影響？答:采用四端接法時，電流端在外，電壓端在內。這樣電流端的引線電阻和接觸電阻便折合到電流源回路的其它串聯電阻中，不影響銅絲電阻上的電流，電壓端的引線電阻和接觸電阻由于與電壓表的大電阻相串聯，影響也減小了。(4) 實驗中保持水沸騰時，假設數字儀表的讀數單調下降，可能是什么問題？答:可能是漏氣。三通活塞各法門雖然都做了密封措施，但是由于沸騰時A泡內氣壓與大氣壓差別較大，漏氣總是不可避免的。漏氣會導致A泡內氣體量減少，進而氣壓下降，單調下降。八、實驗心得（1）. 通過本實驗，我掌握了銅電阻溫度計和硅壓阻式差壓傳感器的使用，初步了