硅压阻力敏传感器滞后效应的实验研究

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　　摘 要：本文通过实验的方法，用增减砝码的方式对DH-SLD-1固体与液体密度综合测量仪中硅压式力敏传感器滞后效应进行研究，实验发现：硅压阻力敏传感器所测量物理量滞后效应不明显，实验中可以不通过增减砝码来规避滞后效应所带来的影响[1]。所得结论将为今后利用硅压式力敏传感器进行相关物理量的测量实验提供一定的参考。
　　关键词：硅压阻;力敏传感器;滞后效应
　　 硅压阻力敏传感器是主要ΔRR=Kε是利用半导体压阻效应，将外力的变化转化为电学量的变化反映出来，在提高测量的准确性的同时，还实现了非电学量的电学测量[2]。为保证实验测量的准确性，有必要对硅压阻力敏传感器的机械效应进行研究。
　　1 实验原理
　　硅压式力敏传感器是由基体直接承受被测压力，通过波纹膜片，将被测应力传递到芯片，位于硅弹性膜上的芯片检测被测应力[3]。当金属导体在承受机械形变的过程中，外力作用于硅弹性膜片上，弹性梁发生弯曲，梁的上表面受拉，使得弹性机械的电阻随着电阻率、长度和横截面积的改变而改变。此时应变片将所受外力的变化用电阻的变化对外表现出来，即电阻的应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
　　ΔRR=Kε（1）
　　式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化，通过金属箔式应变片转换被测部位受力状态的改变。
　　当弹性机械的电阻应变片R1-R4的阻值发生变化时，通过惠斯通电桥产生电压输出，其输出的电压正比于所受外力。即：
　　ΔU=BF（2）
　　式中F为外界拉力，ΔU为对应的电压改变量，B为硅压式力敏传感器的灵敏度。在此过程中，金属箔式应变片将所受外力的改变转化为电阻的改变，惠斯通电桥将电阻变化转为电压的改变，从而将非电学量的转化为电学量的测量[4]。由于弹性机械在受到外力作用之后，使得弹性机械的形变必然落后于应力的变化，此时，弹性材料对外力的响应就会造成滞后效应，这将可能对仪器测量结果造成影响，使实验结果出现误差。
　　2 实验装置与方法
　　2.1 实验装置
　　实验中的硅压式力敏传感器为DH-SLD-1固体与液体密度综合测量仪[5]。
　　2.2 实验方法
　　将硅压式力敏传感器输出插座与实验仪面板上“传感器”插座相连，测量选择“内接”;将砝码盘挂在传感器挂钩上，接通电源，预热5分钟，待稳定后，通过“调零旋钮”对mV表进行调零。取输入电压为1V，在砝码盘中按顺序增加砝码的数量（每次增加10g）至100g，记录mV表对应的传感器输出电压，然后按順序减去砝码的数量（每次减去10g）至0g，再次记录mV表对应的传感器输出电压;最后改变输入电压分别为2V、3V、4V、5V、6V。重复上述操作，并记录数据。
　　3 实验数据记录及数据处理
　　实验数据见表1。
　　在直角坐标系中选取横坐标为砝码质量m，纵坐标为加、减砝码时所对应的输出电压ΔU，则如下面6幅图所示。
　　
　　由图可以得出结论：当输入电压U分别为1V、2V、3V、4V、5V、6V时，所加砝码质量m在0-100g内增大时，输出电压会随之增大，用最小二乘法作直线拟合，得到对应输入电压下灵敏度B和相关系数r如表2所示：
　　 当输入电压一定时，输出电压与所受外力成正比，当输入电压一定时，通过加减砝码操作测量所得硅压式力敏传感器的灵敏度基本一样，即滞后效应不显著;且随着工作电压的增大，硅压式力敏传感器的灵敏度越高。
　　4 结论
　　因此，在利用DH-SLD-1固体与液体密度综合测量仪硅压式力敏传感器进行物理实验数据测量时，滞后效应不显著，没有必要通过加减砝码来规避滞后现象。输入电压选取6V时，仪器灵敏度最高。
　　参考文献：
　　[1]张大志.力学基础实验[M].东北大学出版社，2018.1.
　　[2]杨述武，赵立竹，等.普通物理实验[M].高等教育出版社，2007.12.
　　[3]王雪燕，侯娟.浅谈传感器在大学物理实验仪器使用中存在的问题[J].大学物理实验，2017，30（01）：57-59.
　　[4]朱瑜，柯其威.提高压力传感器测量物体密度精确度的方法[J].实验室研究与探索，2016，35（12）：34-39.
　　[5]陈莹梅.硅压阻式力敏传感器在测量物体密度实验中的应用[J].物理通报，2006（05）：42-44.
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