《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(jì)

電氣式壓力計(jì)霍爾式壓力計(jì)霍爾式壓力計(jì)是利用霍爾效應(yīng)制成的壓力測(cè)量?jī)x器?；魻柺綁毫τ?jì)的原理如REF_Ref12386\h圖1所示。被測(cè)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(duì)磁極，使霍爾片處于兩對(duì)磁極所形成的非均勻線性磁場(chǎng)中，霍爾片的4個(gè)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(lái)輸出信號(hào)。當(dāng)被測(cè)壓力引入后，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)霍爾片移動(dòng)，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(shì)的變化，達(dá)到了壓力—位移—霍爾電勢(shì)的轉(zhuǎn)換。圖1霍爾式壓力計(jì)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(cè)壓力作用于彈簧管時(shí)，把壓力轉(zhuǎn)換成霍爾片的線性位移。2）非均勻線性磁場(chǎng)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(gè)非均勻線性磁場(chǎng)。非均勻線性磁場(chǎng)是靠極靴的特殊幾何形狀形成的。3）霍爾片位移—霍爾電勢(shì)轉(zhuǎn)換當(dāng)霍爾片處于兩對(duì)極靴間的中央平衡位置時(shí)，由于霍爾片左、右兩半所通過(guò)的磁通方向相反、大小相等、互相對(duì)稱，故在霍爾片左、右兩半上產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)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(shì)為零，當(dāng)有壓力作用時(shí)，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(gè)極性相反的電勢(shì)大小不相等，從整塊霍爾片導(dǎo)出的總電勢(shì)不為零。壓力越大，輸出電勢(shì)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(shì)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(shì)的線性轉(zhuǎn)換?；魻枆毫τ?jì)應(yīng)垂直安裝在機(jī)械振動(dòng)盡可能小的場(chǎng)所，且傾斜度小于3°。當(dāng)介質(zhì)易結(jié)晶或黏度較大時(shí)應(yīng)加裝隔離器。通常情況下，以使用在測(cè)量上限值1/2左右為宜，且瞬間超負(fù)荷應(yīng)不大于測(cè)量上限的2倍。由于霍爾片對(duì)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(shí)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(jì)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(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻值變化。若電阻絲的長(zhǎng)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(duì)式（1）求微分并除以R，可得電阻的相對(duì)變化為 dRR=dρ對(duì)于金屬材料、電阻率的相對(duì)變化dp/ρ較小。影響電阻相對(duì)變化的主要因素是幾何尺寸的相對(duì)變化dl/l和dA/A。對(duì)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(cè)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(chǔ)。一般意義上說(shuō)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(cè)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(jiǎn)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(jì)電容器的電容量由它的兩個(gè)極板的大小、形狀、相對(duì)位置和電介質(zhì)的介電常數(shù)決定。當(dāng)一個(gè)極板固定不動(dòng)時(shí)，另一個(gè)極板感受壓力，并隨著壓力的變化而改變極板間的相對(duì)位置電容量的變化就反映了被測(cè)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(dòng)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(jiàn)，當(dāng)ε、A確定之后，可以通過(guò)測(cè)量電容量的變化得到動(dòng)極板的位移量、進(jìn)而求得被測(cè)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(shí)，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(cè)量時(shí)必須限制動(dòng)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(dòng)的形式，即使感壓動(dòng)極板處于兩個(gè)靜極板之間。當(dāng)壓力改變時(shí)，感壓動(dòng)極板與兩個(gè)靜極板之間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致一個(gè)電容的電容量增加，另一個(gè)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(jiǎn)單、所需輸入能量小、沒(méi)有摩擦、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、過(guò)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(lái)受到了廣泛重視