清华大学物理实验a1用传感器测空气相对压力系数实验报告
9页1、用传感器测空气相对压力系数实验物理实验报告清华大学用传感器测空气相对压力系数实验物理实验完整报告班级姓名学号结稿日期: 用传感器测空气相对压力系数实验报告一、 实验目的(1)加深理解理想气体状态方程和查理定律;(2)了解铜电阻温度传感器和硅压阻式差压传感器的工作原理,掌握其使用方法;(3) 学习用最小二乘法和计算机作直线拟合法处理实验数据的方法。二、实验原理(1) 理想气体的查理定律:在定容条件下,理想气体状态方程可简化成查理定律:(1)进而得到计算公式:(2)其中,t为气体的摄氏温度。p和p0分别为气体在温度为t和0时的气体压强。为相对压力系数;对于理想气体,相对压力系数满足: 。由于实际气体(比如空气)的相对压力系数与理想气体的相差很小,故可近似看作理想气体。(2) 铜电阻温度传感器:在-50100范围内,铜丝的电阻值R与温度t有良好的线性关系:(3)其中R0为0时的电阻值,称为电阻温度系数。本实验中使用的铜丝的,当铜丝电阻中通过恒定的电流I时,铜丝电阻两端的电压与温度t有如下关系:(4)其中。如果测出了纯水沸点时铜丝电阻的电压,并查出沸点温度,那么就可以求得所对应温度:(5)(3
2、) 压阻效应:压阻效应指的是扩散硅压阻式差压传感器半导体材料因受力而产生应变时,由于载流子的浓度和迁移率的变化导致电阻率发生变化的现象。如图1所示,当应力作用在传感器膜片上时,如果将一恒定电压E加在M和N两端上,在切应力作用下,从A和B两端会输出一个与压差线性关系的电压即(6)式中为压差为零时的输出电压,系数为一常数。如果传感器接口D通大气,接口C通被测介质,设为大气压强,则:(7)Figure 1十字形四端应变片(4) 系统误差修正:1. 测量系统的误差修正:由于玻璃泡因热胀冷缩而容积发生变化,同时,与玻璃泡相连的连接管等处气体温度不均匀,所以实验中存在着比较明显的系统误差。在20左右,以下经验公式可用于对的测量值进行修正:(8)式中v为玻璃泡至C口的细管部分的体积,V是玻璃泡的体积。三、 实验仪器实验中被测介质为封在玻璃泡内的空气,玻璃泡浸没在容器内的纯净水中,通过加热器控制水温。压差传感器的接口D通大气,接口C经过玻璃细管和真空三通活塞与玻璃泡相连。压差传感器接恒压源,铜丝电阻接恒流源(四端接法)。量程为200mV的4位半数字电压表测量铜丝电阻上电压和压差传感器的输出电压。大气压
3、用电子气压计读出。实验所用装置示意图如下:Figure 2实验装置示意图四、 实验步骤(1) 差压传感器的定标:定标即确定差压传感器的常数和。先缓慢转动三通活塞,使压差传感器的C口与B管相通而与玻璃泡断开,此时C管通大气。将塑料管接在接头上使D口与机械泵相连。将电压表接在差压传感器的输出端上。启动机械泵,从D口抽气。待真空表指针偏转到760mm刻度附近不动时,此时D口气压可视为零,压差,压差传感器的输出电压记为,然后停机械泵,从接头上拔去塑料管,使 D口也通大气。此时,数字表的读数即为,则(9)(2) 测量若干组的值:先估计平均分布数据点时的大概值,再缓慢转动三通活塞使C口与A泡相通。调节恒流源,使电流约为4mA。记下室温下的铜丝电压值和压差传感器的输出电压值。然后加热,铜丝电压每增加且处于热平衡时记一次的值,最后记下水沸腾时的各电压值,记为(3) 实验前后各测一次大气压,同时记下室温值。(4) 实验注意事项:实验加热时需用独立的加热电源给水浴中的加热器供电,可以调节电流大小以实现加热或控温;用磁力搅拌棒来搅拌,注意转速适中。实验时如需换水,要先将加热器电源断开(“热得快”不能干烧),
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