测量微小物体质量的一种新方法

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[摘 要]本文利用硅压阻力敏传感器测量了微小物体的质量。硅压阻力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，而芯片则是由四个硅扩散集成一个非平衡电桥。将物体挂在金属梁上，在拉力的作用下电桥失去平衡，会输出电压信号。通过悬挂物体前后的电压差值除以力敏传感器的灵敏度得到物体所受的重力，而后再除以重力加速度即可以得到所挂物体的质量。这种方法比起传统的物理天平更容易测得微小物体的质量，也可以进行反复测量，使得测量结果更准确。同时，该方法相比于电光分析天平等其它常规测量方法而言，用硅压阻力敏传感器操作更为方便、快捷，仪器成本低，且结果更准确、可靠。

[关键词]力；质量；电压；微小物体；测量

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0212-02

1 引言

物理学中将物体含有物质的多少叫做质量，它不随物体的状态、温度、形状、空间位置的改变而改变，是物体所具有的一种基本属性[1]。实验室中主要用天平来测量微小物体的质量，常见的天平有三类：普通的托盘天平、电光分析天平、电子天平。托盘天平测量物体质量时称量误差较大，一般用于对质量精度要求不高的场合。电光分析天平要求加工精细，操作起来较为繁琐，电子天平造价昂贵，两者皆不可以反复测量，容易产生误差。所以需要不断的开发创新更为经济实用的方法来准确测量微小物体的质量。本文设计一种新的测量方法来克服这些不足――利用硅压阻力敏传感器来测量微小物体的质量。

2 测量仪器

硅压阻力敏传感器，数字电压表，砝码盘，0.5g砝码10个，待测金属块，大米粒。

实验装置如图1所示，1数字电压表；2铁架台；3硅压阻力敏传感器。

3 测量原理

4 测量步骤

4.1 力敏传感器的定标

由于每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前，应先将其定标，定标步骤如下：

（1）打开仪器的电源开关，将仪器预热。

（2）在传感器梁端头小钩上，挂上砝码盘，调节调零旋钮，使数字电压表显示为零。

（3）在砝码盘上分别加0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g、3.5g、4.0g、 4.5g、5.0g等质量的砝码，记录相应这些力作用下，数字电压表的读数值。

（4）用最小二乘法作直线拟合[3]，求出拟合直线方程，并计算出其斜率，斜率的大小即传感器灵敏度值。

4.2 物体质量的测定

（1）连接好仪器，接通电源。记录数字电压表的初始读数，再将待测物体悬挂于传感器梁端的挂钩上，待稳定后记录此时数字电压表的读数。

（2）取下待测物，调节数字电压表的调零旋钮，改变电压的初始值，重复上述实验操作。

（3）多次重复后记录数据并处理，得到待测物体的质量

5 数据记录及处理

延安本地重力加速度

5.1 力敏传感器的定标数据及处理

利用最小二乘法进行线性拟合处理，设力为，电压值为，令则可求得相关系数，趋近与1，说明线性符合的很好。

6 结束语

用硅压阻力敏传感器来测了不规则金属块与大米粒的质量，该方法与用其它仪器的测量方法相比较具有三个优势：一是硅压阻力敏传感器的结构简单，性能稳定可靠，且灵敏度高，可测很小的物体的质量，且所得结果更为准确；二是过程比较简单，而且对测量环境的要求不高；三是可以反复测量物体质量，很大程度上避免了因数据错误而影响到测量结果的准确性。所以，用硅压阻力敏传感器来测量物体质量的方法可行，可以广泛的应用于生产生活中的各个领域。

参考文献

[1 ]夏勇.压阻式压力传感器温度补偿的研究与实现[D].西安：西北工业大学.2006.

[2] 焦丽凤，陆申龙.[J].物理实验.2002，22（7）：40-42.

[3] 杨述武，赵立竹，沈国土.普通物理实验（力学、热学部分）[M].北京：高等教育出版社，2007.18-21.

[4] 孙红章，王，苏向英.大学物理实验教学中关于实验数据的不确定度的计算和分析[J].教育教学论坛.2015，（35）：169-170.