清華大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)A1用傳感器測(cè)空氣相對(duì)壓力系數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、用傳感器測(cè)空氣相對(duì)壓力系數(shù)實(shí)驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告清華大學(xué)用傳感器測(cè)空氣相對(duì)壓力系數(shù)實(shí)驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)完整報(bào)告班級(jí)姓名學(xué)號(hào)結(jié)稿日期： 用傳感器測(cè)空氣相對(duì)壓力系數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?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(xué)習(xí)用最小二乘法和計(jì)算機(jī)作直線擬合法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。二、實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)化成查理定律：（1）進(jìn)而得到計(jì)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(shí)的氣體壓強(qiáng)。為相對(duì)壓力系數(shù)；對(duì)于理想氣體，相對(duì)壓力系數(shù)滿足： 。由于實(shí)際氣

2、體（比如空氣）的相對(duì)壓力系數(shù)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(nèi)，銅絲的電阻值R與溫度t有良好的線性關(guān)系：（3）其中R0為0時(shí)的電阻值，稱為電阻溫度系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中使用的銅絲的，當(dāng)銅絲電阻中通過(guò)恒定的電流I時(shí)，銅絲電阻兩端的電壓與溫度t有如下關(guān)系：（4）其中。如果測(cè)出了純水沸點(diǎn)時(shí)銅絲電阻的電壓，并查出沸點(diǎn)溫度，那么就可以求得所對(duì)應(yīng)溫度：（5）(3) 壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)指的是擴(kuò)散硅壓阻式差壓傳感器半導(dǎo)體材料因受力而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，由于載流子的濃度和遷移率的變化導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。如圖1所示，當(dāng)應(yīng)力作用在傳感器膜片上時(shí)，如果將一恒定電壓E加在M

3、和N兩端上，在切應(yīng)力作用下，從A和B兩端會(huì)輸出一個(gè)與壓差線性關(guān)系的電壓即（6）式中為壓差為零時(shí)的輸出電壓，系數(shù)為一常數(shù)。如果傳感器接口D通大氣，接口C通被測(cè)介質(zhì)，設(shè)為大氣壓強(qiáng)，則：（7）Figure 1十字形四端應(yīng)變片(4) 系統(tǒng)誤差修正：1. 測(cè)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(shí)，與玻璃泡相連的連接管等處氣體溫度不均勻，所以實(shí)驗(yàn)中存在著比較明顯的系統(tǒng)誤差。在20左右，以下經(jīng)驗(yàn)公式可用于對(duì)的測(cè)量值進(jìn)行修正：（8）式中v為玻璃泡至C口的細(xì)管部分的體積，V是玻璃泡的體積。三、 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)中被測(cè)介質(zhì)為封在玻璃泡內(nèi)的空氣，玻璃泡浸沒(méi)在容器內(nèi)的純凈水中，通過(guò)加熱器控制水溫。壓差

4、傳感器的接口D通大氣，接口C經(jīng)過(guò)玻璃細(xì)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(shù)字電壓表測(cè)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(jì)讀出。實(shí)驗(yàn)所用裝置示意圖如下：Figure 2實(shí)驗(yàn)裝置示意圖四、 實(shí)驗(yàn)步驟(1) 差壓傳感器的定標(biāo)：定標(biāo)即確定差壓傳感器的常數(shù)和。先緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)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(kāi)，此時(shí)C管通大氣。將塑料管接在接頭上使D口與機(jī)械泵相連。將電壓表接在差壓傳感器的輸出端上。啟動(dòng)機(jī)械泵，從D口抽氣。待真空表指針偏轉(zhuǎn)到760mm刻度附近不動(dòng)時(shí)，此時(shí)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(jī)械泵，從接頭上拔去塑料管，使 D口也通大氣。此時(shí)，數(shù)字表的讀數(shù)即為,則（9）（2) 測(cè)量若干組的值：先估計(jì)平均分布數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)的大概值，再緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)三通活塞使C口與A泡相通。調(diào)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(shí)記一次的值，最后記下水沸騰時(shí)的各電壓值，記為(3) 實(shí)驗(yàn)前后各測(cè)一次大氣壓，同時(shí)記下室溫值。(4) 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)加熱時(shí)需用獨(dú)立的加熱電源給水浴中的加熱器供電，可以調(diào)節(jié)電流大小以實(shí)現(xiàn)加熱或控溫；用磁力攪拌棒來(lái)攪拌，注意轉(zhuǎn)速適中。實(shí)驗(yàn)時(shí)如需換水，要先將加熱器電源斷開(kāi)（“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(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)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(shí)要小心。轉(zhuǎn)動(dòng)三通活塞時(shí)要緩慢，用另一只手扶住活塞外殼。停泵后應(yīng)該立即將塑料管G從接頭H上拔下，讓機(jī)械泵的抽氣口通大氣。否則，機(jī)械泵油會(huì)流出泵體進(jìn)入真空系統(tǒng)，造成污染。實(shí)驗(yàn)完畢，將加熱電源的電流旋鈕、攪拌子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕旋至最小位置，關(guān)閉各個(gè)電源開(kāi)關(guān)。五、數(shù)據(jù)記錄與處理（1）大氣壓的測(cè)量：實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)后大氣壓測(cè)量值1.01321.0127室溫19.0019.90；（2）水的沸點(diǎn)的測(cè)量：大氣壓的平均值，通過(guò)查表，利用直線內(nèi)插值法知，在此壓強(qiáng)下，純水的沸點(diǎn)

7、；（3）標(biāo)定壓差傳感器：（4）由若干組值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的，擬合直線。計(jì)算結(jié)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(duì)的值進(jìn)行直線擬合：，結(jié)果如下圖所示：Figure 3被測(cè)氣體壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系圖由上圖可知,計(jì)算機(jī)擬合結(jié)果：故六、誤差分析計(jì)算理論值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差可以看出，理論值比測(cè)量值略小。經(jīng)過(guò)對(duì)于實(shí)驗(yàn)步驟的回顧，我認(rèn)為誤差的來(lái)源可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中對(duì)于熱平衡的控制不夠準(zhǔn)確，在轉(zhuǎn)動(dòng)單刀雙擲開(kāi)關(guān)時(shí)，仍然在上升，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量出的氣體壓強(qiáng)p偏大，而由于，所以測(cè)得的比理論值偏大。七、問(wèn)題討論（1) 若傳感器的D

9、口有漏氣，對(duì)定標(biāo)結(jié)果有何影響？答:漏氣會(huì)導(dǎo)致偏小，故而測(cè)量值偏小，導(dǎo)致偏小，的測(cè)量值偏大，的測(cè)量值偏大。(2) 對(duì)水加熱時(shí)為什么要控制熱平衡？升溫過(guò)快有什么問(wèn)題？答:控制好熱平衡是為了在基本平衡的狀態(tài)下讀取。因?yàn)槔硐霘怏w狀態(tài)方程僅對(duì)理想氣體的平衡態(tài)成立，如果升溫過(guò)快，A泡內(nèi)氣體沒(méi)有處于準(zhǔn)靜態(tài)變化過(guò)程中，則不能用理想氣體狀態(tài)方程描述，測(cè)出的就會(huì)有系統(tǒng)誤差。而且，升溫過(guò)快時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)雙擲開(kāi)關(guān)過(guò)程中，A泡氣體也在升溫，讀出的值就不是對(duì)應(yīng)氣體的同一個(gè)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(duì)測(cè)量的影響？答:采用四端接法時(shí)，電流端在外，電壓端在內(nèi)。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(lián)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(lián)，影響也減小了。(4) 實(shí)驗(yàn)中保持水沸騰時(shí)，假設(shè)數(shù)字儀表的讀數(shù)單調(diào)下降，可能是什么問(wèn)題？答:可能是漏氣。三通活塞各法門(mén)雖然都做了密封措施，但是由于沸騰時(shí)A泡內(nèi)氣壓與大氣壓差別較大，漏氣總是不可避免的。漏氣會(huì)導(dǎo)致A泡內(nèi)氣體量減少，進(jìn)而氣壓下降，單調(diào)下降。八、實(shí)驗(yàn)心得（1）. 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，我掌握了銅電阻溫度計(jì)和硅壓阻式差壓傳感器的使用，初步了