《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 3-13電氣式壓力計

電氣式壓力計霍爾式壓力計霍爾式壓力計是利用霍爾效應(yīng)制成的壓力測量儀器。霍爾式壓力計的原理如REF_Ref12386\h圖1所示。被測壓力由彈簧管1的固定端引入，彈簧管自由端與霍爾片3相連接，在霍爾片的上下垂直安放著兩對磁極，使霍爾片處于兩對磁極所形成的非均勻線性磁場中，霍爾片的4個端面引出4根導(dǎo)線，其中與磁鋼2相平行的兩根導(dǎo)線與直流穩(wěn)壓電源相連接，另兩根用來輸出信號。當(dāng)被測壓力引入后，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，從而帶動霍爾片移動，改變了施加在霍爾片上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，依據(jù)霍爾效應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)換成霍爾電勢的變化，達(dá)到了壓力—位移—霍爾電勢的轉(zhuǎn)換。圖1霍爾式壓力計1—彈簧管；2—磁鋼；3—霍爾片1）壓力—霍爾片位移轉(zhuǎn)換將霍爾片固定在彈簧管自由端。當(dāng)被測壓力作用于彈簧管時，把壓力轉(zhuǎn)換成霍爾片的線性位移。2）非均勻線性磁場的產(chǎn)生為了達(dá)到不同的霍爾片位移，施加在霍爾片上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B不同，又要保證霍爾片位移—磁感應(yīng)強(qiáng)度B的線性轉(zhuǎn)換，就需要一個非均勻線性磁場。非均勻線性磁場是靠極靴的特殊幾何形狀形成的。3）霍爾片位移—霍爾電勢轉(zhuǎn)換當(dāng)霍爾片處于兩對極靴間的中央平衡位置時，由于霍爾片左、右兩半所通過的磁通方向相反、大小相等、互相對稱，故在霍爾片左、右兩半上產(chǎn)生的霍爾電勢也大小相等、極性相反。因此，從整塊霍爾片兩端導(dǎo)出的總電勢為零，當(dāng)有壓力作用時，霍爾片偏離極靴間的中央平衡位置，霍爾片兩半所產(chǎn)生的兩個極性相反的電勢大小不相等，從整塊霍爾片導(dǎo)出的總電勢不為零。壓力越大，輸出電勢越大。沿霍爾片偏離方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布呈線性狀態(tài)，故霍爾片兩端引出的電勢與霍爾片的位移呈線性關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)了霍爾片位移和霍爾電勢的線性轉(zhuǎn)換。霍爾壓力計應(yīng)垂直安裝在機(jī)械振動盡可能小的場所，且傾斜度小于3°。當(dāng)介質(zhì)易結(jié)晶或黏度較大時應(yīng)加裝隔離器。通常情況下，以使用在測量上限值1/2左右為宜，且瞬間超負(fù)荷應(yīng)不大于測量上限的2倍。由于霍爾片對溫度變化比較敏感，當(dāng)使用環(huán)境溫度偏離儀表規(guī)定的使用溫度時要考慮溫度附加誤差，采取恒溫措施（或溫度補(bǔ)償措施）。此外，還應(yīng)保證直流穩(wěn)壓電源具有恒流特性，以保證電流的恒定。壓阻式壓力計電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形，它的幾何尺寸和電阻率都會發(fā)生變化，從而引起電阻值變化。若電阻絲的長度為l，截面積為A，電阻率為ρ，電阻值為R，則有 R=ρlA設(shè)在外力作用下，電阻絲各參數(shù)的變化相應(yīng)為dl，dA，dρ，dR，對式（1）求微分并除以R，可得電阻的相對變化為 dRR=dρ對于金屬材料、電阻率的相對變化dp/ρ較小。影響電阻相對變化的主要因素是幾何尺寸的相對變化dl/l和dA/A。對半導(dǎo)體材料，dl/l和dA/A兩項(xiàng)的值很小，dp/ρ為主要的影響因素。物質(zhì)受外力作用、其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。利用壓阻效應(yīng)測量壓力的傳感器稱為壓阻式壓力傳感器。自然界中很多物質(zhì)都具有壓阻效應(yīng)，但以半導(dǎo)體晶體的壓阻物較明顯、常用的壓阻材料是硅和儲。一般意義上說的壓阻式壓力傳感器可分兩種類型，一般是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式的應(yīng)變片，作為測量中的變換元件，與彈性敏感元件一起組成粘貼型壓阻式壓力傳感器，或叫應(yīng)變式壓力傳感器；另一類是在單晶硅基片上用量成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，此基片既是壓力敏感元件，又是變換元件，這類傳感器稱為擴(kuò)張型壓阻式壓力傳感器,通常也簡稱為壓阻式壓力傳感器或固態(tài)壓力傳感器。電容式壓力計電容器的電容量由它的兩個極板的大小、形狀、相對位置和電介質(zhì)的介電常數(shù)決定。當(dāng)一個極板固定不動時，另一個極板感受壓力，并隨著壓力的變化而改變極板間的相對位置電容量的變化就反映了被測壓力的變化。這是電容式壓力傳感器的工作原理。平板電容器的電容量C為 C=εAd 式中ε——極板間電介質(zhì)的介電常數(shù)；A——極板間的有效面積，m2；d——極板間的距離，m。若電容的動極板感受壓力產(chǎn)生位移Δd，則電容量將隨之改變，其變化量為 ΔC=εAd-可見，當(dāng)ε、A確定之后，可以通過測量電容量的變化得到動極板的位移量、進(jìn)而求得被測壓力的變化。電容式壓力傳感器的工作原理正是基于上述關(guān)系。當(dāng)Δd/d<<1時，電容量的變化量ΔC與位移增量Δd呈近似的線性關(guān)系，即 ΔC=CΔd為了保證電容式壓力傳感器近似線性的工作特性，測量時必須限制動極板的位移量。為了提高傳感器的靈敏度和改善其輸出的非線性，實(shí)際應(yīng)用的電容式壓力傳感器常采用差動的形式，即使感壓動極板處于兩個靜極板之間。當(dāng)壓力改變時，感壓動極板與兩個靜極板之間的相對位置會發(fā)生變化，導(dǎo)致一個電容的電容量增加，另一個電容的電容量減少，靈敏度可提高一倍，而非線性也大為降低。電容式壓力壓差傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、所需輸入能量小、沒有摩擦、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、過載能力強(qiáng)、自熱影響極小、能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛重視