第3章 压力检测

霍耳元件测速其它应用： ABS（汽车防抱死制动系统）
霍耳元件用在无刷直流电机中： 不存在电刷磨损换向问题，大大增加使用寿命。
为什么采用霍耳元件测电流？不用万用表？
小电流测量
大电流测量
霍尔电流传感器的特点： 可以实现电流的“无电位”检测。即测量电路不 必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行 耦合。因此，检测电路的输入、输出电路是完全电隔 离的。检测过程中，被测电路的状态不受检测电路的 影响，检测电路也不受被检电路的影响。 霍尔电流传感器可以检测从直流到100kHz（通过仔细 的设计和制作，甚至可以达到MHz级）的各种波形的 电流，响应时间可短到1μs以下。 由于这些优点，霍尔电流传感器得到了极其广泛 的应用。
一、石英晶体的压电效应

图3.3.1为天然结构的石英晶体外形和石英晶体切片。
石英晶体
石英晶体

当切片在沿X轴的方向上受到压力Fx作用时，晶体 切片将产生厚度变形，并在与X轴垂直的平面上产 生电荷Qx，它的大小为：

电荷的极性见图

二、压电效应的物理解释 如图所示。



3.3.2 压电材料 一、压电晶体 1.石英晶体 2.水溶性压电晶体 3.铌酸锂晶体 二、压电陶瓷 1.钛酸钡压电陶瓷 2.锆钛酸铅系压电陶瓷 3.铌酸盐系压电陶瓷 4.铌镁酸铅压电陶瓷
一、电压放大器
图示的是压电传感器接到电压放大器的等效电路。
二、电荷放大器

电荷放大器是有反馈电容的高增益运算放大器，它 的输入信号是压电传感器产生的电荷。当略去泄露 电阻，且放大器输入电阻趋于无穷大时，它的等效 电路如图所示。
3.3.4 压电传感器及其特点
一、压电式三维测力传感器 二、压电式单向测力传感器 三、压电式测量均匀压力传感器 四、消除振动加速度影响的压电传感器
三、变介电常数型电容传感器

3.5.2 差动电容传感器 在实际压力测量中，常使用差动点电容传感器， 不但提高了灵敏度，也改善了非线性。
d d x x 2 C C0 C0 2C0 [1 ( ) ] dx dx d d
3.5.3 测量电路 电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路和运算 放大器式电路等。 一、桥式电路 空载它们可以检测磁 场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。 霍尔传感器具有许多优点: 它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安 装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不 怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
应用 1、直接测量磁场。 2、人为设置磁场测量其它物理量。
3.6.1 霍尔效应
RH IB UH d
霍尔元件的特性常用 灵敏度KH表示，即 此时
RH KH d
U H K H IB
霍耳电压： UH=KH * I *B
霍耳电压：UH 控制电流强度：I 磁感应强度：B
改变B或I就可以改变UH
KH ：霍耳灵敏度 KH＝RH / d RH－霍耳系数（材料相关） d －器件厚度(尺寸相关)
4.应力：应力是物质抵抗外界负荷时单位面积所受的内力。 单位：N/m2 ； Pa ；MPa
例如：
力 1000N
面积 0.001m2
1000/0.001N/m2 =1000000Pa＝1MPa
5.应变：衡量变形 （应变→应力变化） 例如：
长度1米的杆，被拉长为1.01米 应变＝（1.01-1）/1＝0.01
3.4 压磁式压力传感器
利用铁磁材料受力后导磁性能的变化，将 被测力转换为电信号。
3.5 电容式压力传感器
将被测量（如尺寸、压力） 的变化转换成电容量的变化。
3.5.1 电容式传感器的工作原理
电容式传感器有三种基本类型： 变极距型、变面积型、变介电常数型。
一、变极距型电容传感器

二、变面积型电容传感器
为提高灵敏度，应如何选取RH和d？
3.6.2 霍尔式压力计工作原理
霍尔式压力计
3.6.3 霍尔式压力计的误差及补偿 霍尔式压力计的误差有两部分，一是弹性元件的变 换误差；一是霍尔元件的变换误差。 一、不等位电势及补偿 不等位电势的产生有两个原因，如图所示。
几种补偿电路
二、霍尔电势的温度系数 主要是温差电势和灵敏度系数随温度变化两种 情况。 三、温度对内阻的影响 四、温度补偿 霍尔元件输入电阻和霍尔 电势的温度系数均为正的效果 较好的补偿电路图。实际测量中，要求较高时，常 采用恒温方法。
三、压电半导体

3.3.3

测量电路


把压电晶体等效成一个电荷源与电容并联的等效电路。 由于电容器上的电压Ua，电荷量Q，电容Ca的关系为 Ua=Q/Ca，压电晶体也可等效为一个电压源和一个电容 器的串联电路。 实际压电传感器输出信号很微弱，且内阻很高，需用前 置放大器。 前置放大器有两个作用：一是放大压电传感器输出的微 弱信号，另一个是阻抗变换。
第三章 压力检测
在测量上所称的压力就是物理学中的压强，它是 反映物质状态的一个参数；在工业自动化生产过程中 是重要工艺参数之一。 本章简单介绍压力的概念及单位，重点讲解 应变式压力计 压电式压力传感器 电容式压力传感器 霍尔式压力计 的测量原理及测压方法。
力学知识复习
1.力： 力是一个物体对另一物体的作用. 单位：牛顿 N 2.压力：物理学中把垂直压在物体上的力叫做压力。 压力 的方向与接触面垂直。单位：牛顿 N 3.压强：物理学中把物体单位面积上受到的力叫做压强。单 位是帕斯卡Pa ，简称帕，1Pa=1N/㎡ ，物理意义表示这 个物体每平方米受到的压力为1N。 在测量上所称的压力就是物理学中的压强。
工作磁体典型设置：对移
工作磁体典型设置：侧移
工作磁体典型设置：旋转
工作磁体典型设置：遮断
工作磁体典型设置：放置在霍耳器件背面
典型应用－高斯计
典型应用－电流计
典型应用－转速计
典型应用－位移传感器
典型应用： 1、发动机无触点点火： 传统：凸轮结构，磨损大，不够精确。 采用霍耳齿轮传感器测速，精确，无磨损！ 用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在 汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时 间，其作用是别的速度传感器难以代替的。



3.2.3 电阻应变片的粘贴及温度补偿 一、应变片的粘贴：粘贴工艺包括被测试件表面处理，贴片，质 量检查，焊接引线以及防护与屏蔽等。 二、温度误差及其补偿 1.温度误差 ：温度误差是指环境温度变化引起应变片电阻变化。 原因有两方面：一方面是应变片电阻丝的温度系数，另一方面是 电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。 2.温度补偿 电桥补偿法如图。

三、压力的分类 1.绝对压力 2.环境大气压力 3.表压力 4.真空度 5.差 压

上述各种压力的相互关系见图。
3.2 应变式压力计
3.2.1 电阻应变效应 电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生 变化，称为电阻应变效应。 设有一根长度为L，截面积为S，电阻率为ρ 的电阻 丝，未受力时的电阻值为：
C1 C2 U0 U1 C1 C2
输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。
差动脉冲调宽电路各点电压波形图如示
四、调频电路 将电容式传感器接入高频振荡器的LC 回路中，当被 测量使电容变化时，振荡频率也相应变化，故 称为调频电路。 图所示为调频电路原理图
f 1 2 LC 1 2 L(C1 C2 C0 C
应用：判断悬臂梁危险区域
力
危险部位
固定
危险部位 危险部位 危险部位
3.1 压力的概念及单位

一、压力的概念: 压力是垂直而均匀地作用在 单位面积上的力。大小由受力面积和垂直作用力 的大小两个因素决定。表达式为：

二. 压力的单位 1.工程大气压 2.标准大气压 3.约定毫米汞柱 4.约定毫米水柱 常用的几种压力单位与帕斯卡的换算关系见表 3.1.1所示。
活动
固定
d2

二、测力式应变传感器
右图为一种带水冷的 测力计式压力传感器。 三、扩散硅型压力传感器 图(a)是一个杯型组合式测量元件 图(b)是膜片一个截面示意图
3.3 压电式压力传感器


3.3.1 压电效应 某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产 生形变时，表面会产生电荷。外力撤消后，又回到 不带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效 应的物体称为压电材料，如天然的石英晶体，人造 的压电陶瓷等。


3.2.4 转换电路
当 RL=∞时，电桥输出电压为：
单臂电桥输出电压和电压灵敏度为

双臂电桥电路，一般接成差动电桥。其输出电压为

电桥四臂同时接入工作应变片，则构成全桥电路。其输出电压为


3.2.5 应变式压力传感器
一、膜式应变传感器 图是一种简单的平膜压力传感器，应变片贴在膜片的内表面。膜 片感受压力时产生应变，使应变片有一定的电阻输出。


电阻应变片
1、应变丝 2、基底 3、引线 4、金属膜引线

二、半导体应变片 半导体受力时，电阻率发生变化，电阻率随应力变化 的关系称为半导体压阻效应。半导体应变片电阻的变化主 要是电阻率变化引起的，表示为
由于弹性系数 E =σ /ε ，上式又可写为
为提高灵敏度半导体应变片还有制成栅形的。

3.7 电子称
3.7.1 电子称的原理 电子称的核心部件是称重传感器。称重传感器把机械力转换为电 信号，经放大处理后，或显示，或输入数据处理系统。 图是一个比较简单称重系统框图。
3.7.2 称重传感器原理 图是振弦式称重传感器的工作原理图。
3.8 差分变压器
非差分结构
差分结构
固定 d 活动
固定 d1
受力后：
压力变化->机械变形->电阻变化