《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 3-13电气式压力计

电气式压力计霍尔式压力计霍尔式压力计是利用霍尔效应制成的压力测量仪器。霍尔式压力计的原理如REF_Ref12386\h图1所示。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4个端面引出4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。图1霍尔式压力计1—弹簧管；2—磁钢；3—霍尔片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的线性位移。2）非均匀线性磁场的产生为了达到不同的霍尔片位移，施加在霍尔片上的磁感应强度B不同，又要保证霍尔片位移—磁感应强度B的线性转换，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形成的。3）霍尔片位移—霍尔电势转换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，当有压力作用时，霍尔片偏离极靴间的中央平衡位置，霍尔片两半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呈线性关系，即实现了霍尔片位移和霍尔电势的线性转换。霍尔压力计应垂直安装在机械振动尽可能小的场所，且倾斜度小于3°。当介质易结晶或黏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2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，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。压阻式压力计电阻丝在外力作用下发生机械变形，它的几何尺寸和电阻率都会发生变化，从而引起电阻值变化。若电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为ρ，电阻值为R，则有 R=ρlA设在外力作用下，电阻丝各参数的变化相应为dl，dA，dρ，dR，对式（1）求微分并除以R，可得电阻的相对变化为 dRR=dρ对于金属材料、电阻率的相对变化dp/ρ较小。影响电阻相对变化的主要因素是几何尺寸的相对变化dl/l和dA/A。对半导体材料，dl/l和dA/A两项的值很小，dp/ρ为主要的影响因素。物质受外力作用、其电阻率发生变化的现象叫压阻效应。利用压阻效应测量压力的传感器称为压阻式压力传感器。自然界中很多物质都具有压阻效应，但以半导体晶体的压阻物较明显、常用的压阻材料是硅和储。一般意义上说的压阻式压力传感器可分两种类型，一般是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片，作为测量中的变换元件，与弹性敏感元件一起组成粘贴型压阻式压力传感器，或叫应变式压力传感器；另一类是在单晶硅基片上用量成电路工艺制成扩散电阻，此基片既是压力敏感元件，又是变换元件，这类传感器称为扩张型压阻式压力传感器,通常也简称为压阻式压力传感器或固态压力传感器。电容式压力计电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定。当一个极板固定不动时，另一个极板感受压力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置电容量的变化就反映了被测压力的变化。这是电容式压力传感器的工作原理。平板电容器的电容量C为 C=εAd 式中ε——极板间电介质的介电常数；A——极板间的有效面积，m²；d——极板间的距离，m。若电容的动极板感受压力产生位移Δd，则电容量将随之改变，其变化量为 ΔC=εAd-可见，当ε、A确定之后，可以通过测量电容量的变化得到动极板的位移量、进而求得被测压力的变化。电容式压力传感器的工作原理正是基于上述关系。当Δd/d<<1时，电容量的变化量ΔC与位移增量Δd呈近似的线性关系，即 ΔC=CΔd为了保证电容式压力传感器近似线性的工作特性，测量时必须限制动极板的位移量。为了提高传感器的灵敏度和改善其输出的非线性，实际应用的电容式压力传感器常采用差动的形式，即使感压动极板处于两个静极板之间。当压力改变时，感压动极板与两个静极板之间的相对位置会发生变化，导致一个电容的电容量增加，另一个电容的电容量减少，灵敏度可提高一倍，而非线性也大为降低。电容式压力压差传感器具有结构简单、所需输入能量小、没有摩擦、灵敏度高、动态响应好、过载能力强、自热影响极小、能在恶劣环境下工作等优点，近年来受到了广泛重视