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、15V。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，摩托羅拉公司設計出X形硅壓力傳感器如下圖所示：在單晶硅膜片表面形成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i，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)，當有剪切力作用時，在垂直電流

2、方向將會產(chǎn)生電場變化E二i，該電場的變化引起電位變化，則在端可得到被與電11-1)流垂直方向的兩測壓力引起的輸出電壓Uo。U=d-E=d-Ap-iO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Uo-；當P1P2時，輸出為正；P1VP2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。調(diào)節(jié)Rw2到適當位置并保持不動，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

3、，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)Rw1使直流電壓表200mv檔顯示為零。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0.01MPa，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。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0.01MPa每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P2的壓力達到0.095Mpa；填入下表2。保持負壓力輸入P2壓力0.095Mp

4、a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0Mpa不變，減小正壓力輸入P2的壓力，每隔0.005Mpa記下模塊輸出Uo2的電壓值。直到P2的壓力為0.005Mpa；填入下表。10實驗結束后，關閉實驗臺電源，整理好實驗設備。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P1(kP)0.010.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050Uo2(V)1.6082.283.023.544.224.895.456.076.63P

5、1(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P1-Uo2曲線圖如下圖所示P1-U曲線圖2、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P2(kP)0.010.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.050Uo2(V)10.149.769.328.828.367.857.416.796.23P2(kP)0.0550.0600.0650.0700.0750.0800.0850.

6、0900.095Uo2(V)5.725.084.593.853.262.561.681.120.32（表2）用matlab繪制P2-Uo2曲線圖如下圖所示減小P2-UC曲線0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/kPV/2CU90-3、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)-0.67-1.33-1.95-2.57-3.13-3

7、.67-3.95-4.51-5.13Pl(kP)0.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.005Uo2(V)-5.57-6.01-6.27-6.70-7.18-7.52-7.90-8.22-8.55（表3）用matlab繪制P1-Uo2曲線圖如下圖所示減小?1-UC曲線圖90-0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P1/kP2-3-4-5-6-8-OV/2CU4、保持負壓力輸入P1壓力OMpa不變，減小正壓力輸入P2的壓力P2(k

8、P)0.0900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.050Uo2(V)-8.05-7.71-7.30-6.92-6.50-6.11-5.70-5.34-4.89P2(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/JP2-UO曲線OV/2O0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.06

9、50.070.0750.080.0850.09P2/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仏P=擬合直線斜率非線性誤差&f=Am/yFSX100%fF.S（m為輸出值與擬合直線的最大偏差，yF峪為滿量程輸出平均值）OO（1）Pl-Uc擬合直線0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.090.0950.1P1/kP2O864V/2OU00y=pl

10、*x+p2pl=110.3p2=0.87657由圖讀出厶m=0.392故靈敏度S=L=AU/AP=pl=110.3v/kp非線性誤差&f=(0.392/11.4)X100%=3.5%(2)P2-Uo2曲線圖0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.090.0950.1氣壓P2/kPy=p1*x+p2p1=-115.24p2=11.765由圖讀出Am=0.65842V/2oU故靈敏度L=AU/AP=p1=-115.24v/kp非線性誤差&f=(0.65/10.72)X100%=6.

11、1%(3)減小P1-Uo2曲線圖0V/2oU0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P1/kPy=p1*x+p2p1=91.498p2=-9.3923由圖讀出Am=0.45故靈敏度L=AU/AP二pl=91.498v/kp非線性誤差&f=(0.45/8.87)X100%=5.1%4)減小P2-U0曲線0.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.050.0550.060.0650.070.0750.080.0850.09P2/kPy=pl*x+p2pl=-96.409p2=