擴散硅壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗

1、實驗十一擴散硅壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗一、實驗目的：了解擴散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理與方法。二、實驗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、±15Va三、實驗原理在具有壓阻效應的半導體材料上用擴散或離子注入法，摩托羅拉公司設(shè)計出X形硅壓 力傳感器如下圖所示：在單晶硅膜片表而形成4個阻值相等的電阻條。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，制成擴散硅壓阻式壓 力傳感器。擴散硅壓力傳感器的工作原理：在X形硅壓力傳感器的一個方向上加偏置電壓形成電 流"當敏感芯片沒有外加壓力作用，內(nèi)部電橋處于平衡狀態(tài)，

2、當有剪切力作用時，在垂直 電流方向?qū)a(chǎn)生電場變化£： = ,該電場的變化引起電位變化，則在端可得到被與電 流垂直方向的兩測壓力引起的輸出電壓Uo。U o = d E = d p i(11-1)式中d為元件兩端距離。實驗接線圖如圖11-2所示，MPX10有4個引出腳，1腳接地、2腳為Uo+、3腳接+5V 電源、4腳為U。-；當P1>P2時，輸出為正；P1<P2時，輸出為負。圖11-1擴散硅壓力傳感器原理圖四、實驗內(nèi)容與步驟1.接入+5V、±15V直流穩(wěn)壓電源，模塊輸出端Vo2接控制臺上數(shù)顯直流電壓表，選 擇20V檔，打開實驗臺總電源。4 .調(diào)節(jié)Rw2到適當位置并

3、保持不動，用導線將差動放大器的輸入端Ui短路，然后調(diào) 節(jié)Rw3使直流電壓表200mV檔顯示為零，取下短路導線。5 .氣室1、2的兩個活塞退回到刻度“17”的小孔后，使兩個氣室的壓力相對大氣壓均 為0,氣壓計指在“零”刻度處，將MPX10的輸出接到差動放大器的輸入端Ui,調(diào)節(jié)Rwl 使直流電壓表200mv檔顯示為零。6 .保持負壓力輸入P2壓力零不變，增大正壓力輸入P1的壓力到0.01 MPa,每隔 0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P1的壓力達到0.095Mpa：填入下表1。7 .保持正壓力輸入P1壓力0.095Mpa不變，增大負壓力輸入P2的壓力，從0.01 MPa 每隔0.0

4、05Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直至U P2的壓力達到0.095Mpa：填入下表2。8 .保持負壓力輸入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。9 .保持負壓力輸入P1壓力OMpa不變，減小正壓力輸入P2的壓力，每隔O.OO5Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直至UP2的壓力為O.OO5Mpa：填入下表。10 .實驗結(jié)束后，關(guān)閉實驗臺電源，整理好實驗設(shè)備。五、實驗數(shù)據(jù)記錄與分析1、保持負壓力輸入P2壓力零不變，增大正壓力輸入P1的壓力Pl(kP)0.010.0150.0200.0

5、250.0300.0350.0400.0450.050Uo2(V)1.6082.283.023.544.224.895.456.076.63Pl(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Pl-Uo2曲線圖如下圖所示P1Uo2曲線圖1/0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.0

6、9 0.095 0.1Pl/kP2、保持正壓力輸入P1壓力O.O95Mpa不變，增大負壓力輸入P2的壓力P2(kP)0.010.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050Uo2(V)10.149.769.328.828367.857.416.796.23P2(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10-1-2-3-4-5-6-78n1JJ0.0050.010.0150

7、.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.P2/ kP)9減小P2-Uo2曲線> Aon3、保持負壓力輸入P2壓力0.095Mpa不變，減小正壓力輸入P1的壓力Pl(kP)0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.050Uo2(V)-0.67-1.33-1.95-2.57313-3.67-3.95-4.51-5.13Pl(kP)0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.005Uo2(V)-5.57-6.01-6.27-6

8、.70-7.18-7.52-7.90-8.22-8.55（表3）用matlab繪制Pl-Uo2曲線圖如下圖所示減小P1Uo2曲線圖/j/1/1l1-8-9 00.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.C6 0.085 0.092 3 Y 6 6P1/KP4、保持負壓力輸入Pl壓力OMpa不變，減小正壓力輸入P2的壓力P2(kP)0.0900.0850.0800.075O.O7O0.0650.0600.0550.050Uo2(V)-8.05-7.71-7.30-6.92

9、-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P2Uo2曲線>、eon)0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/ kP5、靈敏度及非線性誤差計算線性擬合直線的斜率即為所求的靈敏度，故對上面的曲線圖依次

10、進行線性擬合，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K=Am/yE.s X1OO%（ m為輸出值與擬合直線的最大偏差，y.s為滿量程輸出平均值）（1）P1UO2擬合直注尸, J一二二.二:* /daai愛性0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.0950.1P1/kP12108 6 4 2>eon由圖讀出m=O.392y = pl*x + p2 pl = 110

11、.3 p2 = 0.87657故 靈敏度 S = L=AU/AP=pl=H0.3v/kp 非線性誤差 6 r =(0.392/11.4) X 1OO%=3.5%"datal妓住0.005 0.010.0150.02 0.025 0.03 0.C35 0.M 0.0450.05 0.C65 0.06 0.065 0.)7 0.075 0.080.0850.090,0950.P2-uo2a at s2氣壓P2，kPy = pl*x + p2 pl =-115.24p2= 11.765 由圖讀出 An1=0.65故 靈敏度 L= A U/AP=pl=-115. 24 v/kp非線性誤差 6

12、 r =(0.65/10.72) X 100=6.1%(3)底小P1*2曲姓圖PfkPO-12-3Y-5-6-7-8-9> gy = pl*x + p2 pl =91.498 p2 = -9.3923 由圖讀出m=0.45故 靈敏度 L= AU/AP =pl=91. 498v/kp非線性誤差§尸(0.45/8.87) X100%=5.1% datai我住,、一1* .0ss .J減小P2U02曲蛆00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/kP(4)由圖讀出m=0.58y = pl*x + p2 pl = -96.409 p2 = 0.23275故 靈敏度 L= AU/A P=pl=-96.409v/kp非線性誤差 6(