第二章第四五节霍尔式压力传感器与应变式压力传感器教案资料.ppt

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1、第四节电测法测压原理和霍尔式压力传感器应用电测法测量压力的方法是通过转换元件直接把被测压力变换为电信号，它可以利用某些机械和电气元件实现这一变换。霍尔式压力传感器是以“霍尔效应”为基础的电气式压力表。它主要由弹性元件和霍尔元件构成。这类仪表有较高的灵敏度，并能远传指示。但因霍尔元件受温度影响较大，其本身的稳定性又受工作电流的影响，所以精度不太高。一、霍尔效应与霍尔元件根据物理学原理，在磁场中运动的带电粒子必然要受到力的作用。设有一个N型(硅)半导体薄片，在Z轴方向施加一个磁感应强度为B的磁场，在其y轴方向通入电流I，此时N型(硅)半导体薄片内有带电粒

2、子沿y轴方向运动，如图所示。于是带电粒子将受到洛仑兹力F的作用而偏离其运动轨迹，电子的运动轨迹朝X轴负方向偏转,如图虚线所示。造成霍尔片左端面产生电子过剩呈负电位，而右端面则相应地显示出正电位。因而在霍尔片的x轴方向形成了电场，该电场力与洛仑兹力方向相反,随着电子积累越多，电场力也越大，电场力与洛仑兹力相等时，电子积累达到动态平衡，这时X方向的电位差就称为“霍尔电势”VH。这一物理现象称为“霍尔效应”。由上式可知，霍尔电势VH与磁感应强度B、控制电流I成正比。根据霍尔电势VH与磁感应强度B、控制电流I的乘积成正比的特性，霍尔传感器得到广泛的应用。制作

3、霍尔片的材料有锗(Ge)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体或化合物半导体。与半导体相比，金属的霍尔效应很微弱，一般较少采用。二、霍尔式压力传感器1工作原理在使用的霍尔式压力传感器中，均采用恒定电流I，而使B的大小随被测压力p变化达到转换目的。(1)压力-霍尔片位移转换将霍尔片固定在弹簧管自由端。当被测压力作用于弹簧管时，把压力转换成霍尔片线性位移。(2)非均匀线性磁场的产生为了达到不同的霍尔片位移，施加在霍尔片的磁感应强度B不同，又保证霍尔片位移-磁感应强度B线性转换，就需要一个非均匀线性磁场。非均匀线性磁场是靠极靴的特殊几何形状

4、形成的，如右图所示。(3)霍尔片位移-霍尔电势转换由图可知，当霍尔片处于两对极靴间的中央平衡位置时，由于霍尔片左右两半所通过的磁通方向相反、大小相等，互相对称，故在霍尔片左右两半部分上产生的霍尔电势也大小相等、极性相反，因此，从整块霍尔片两端导出的总电势为零。当有压力作用，则霍尔片偏离极靴间的中央平衡位置，霍尔片两半部分所产生的两个极性相反的电势大小不相等，从整块霍尔片导出的总电势不为零。压力越大，输出电势越大。沿霍尔片偏离方向上的磁感应强度的分布呈线性状态，故霍尔片两端引出的电势与霍尔片的位移成线性关系。即实现了霍尔片位移和霍尔电势的线性转换。2

5、霍尔式压力传感器的结构常见的霍尔式压力传感器有YSH-l型和YSH-3型两种。右图所示为YSH-3型压力传感器结构示意图。被测压力由弹簧管1的固定端引入，弹簧管自由端与霍尔片3相连接，在霍尔片的上下垂直安放着两对磁极，使霍尔片处于两对磁极所形成的非均匀线性磁场中，霍尔片的四个端面引出四根导线，其中与磁钢2相平行的两根导线与直流稳压电源相连接，另两根用来输出信号。当被测压力引入后，弹簧管自由端产生位移，从而带动霍尔片移动，改变了施加在霍尔片上的磁感应强度，依据霍尔效应进而转换成霍尔电势的变化，达到了压力—位移—霍尔电势的转换。为了使VH与B成单值函数关

6、系，电流不必须保持恒定。为此，霍尔式压力传感器一般采用两级串联型稳压电源供电，以保证控制电流I的恒定。3霍尔式压力传感器的使用传感器应垂直安装在机械振动尽可能小的场所，且倾斜度要小。当环境介质易结晶或粘度较大时，应加装隔离器。通常情况下，以使用在测量上限值1/2左右为宜，且瞬间超负荷应不大于测量上限的二倍。由于霍尔片对温度变化比较敏感，当使用环境温度偏离仪表规定的使用温度时要考虑温度附加误差，要采取恒温措施(或温度补偿措施)。此外还应保证直流稳压电源具有恒流特性，以保证电流的恒定。第三次作业题1为什么具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能作为测压元件？2试推导

7、出单管弹簧管压力表静态特性关系式，并说明各物理量的含义。3自学教材P65~P69的“2.6压电式检测元件”4什么是“霍尔效应”？试述霍尔式压力传感器的转换原理。第五节应变式压力传感器一、金属应变片压力传感器1.金属应变片原理2.金属应变片的结构和主要参数3.金属电阻应变片的温度误差及补偿方法4.金属电阻应变片电桥电路5.应变式压力传感器二、压阻式压力传感器1.传感器原理2.硅压阻式传感器一、金属应变片压力传感器金属应变片又称为金属电阻应变片，它是能将机械构件上应变的变化转变为电阻变化的传感元件，它与相应的测量电路可组成测力、测压、称重、测位移、测加速

8、度等测量系统，目前它是国内外应用数量较多的一种传感元件。导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电