霍尔式压力传感器与应变式压力传感器

导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其 电阻值会相应地发生变化，这种现象称为应变效应。
下图所示的金属电阻丝，在其未受力时，假设其初始电阻 值为：
R ρ A
ρ为 电阻丝的电阻率； l 为 电阻丝的长度； A为电阻丝的截面积。
当电阻丝受到轴向的拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积 相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而 改变了Δρ，从而引起的电阻值相对变化量为:
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
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。
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。
1、 金属应变片的工作原理
(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 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。
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
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。
f(l/b)—霍尔片的形状系数; KH—霍尔片的灵敏度系数，KH=RHf(l/b)/d， mV/(mA·T)。
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。
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。
应”。
能产生霍尔效应的导体或半导体的薄片就称为霍尔元 件或霍尔片。
霍尔电势VH的大小与霍尔片的材料、几何尺寸、所通 过的电流 (称控制电流)、磁感应强度B等因素有关， 可用下式表示
VH=RHIBf(l/b)/d= KHIB 式中 RH—霍尔系数;
d—霍尔片厚度; b—霍尔片的电流通入端宽度;
l—霍尔片的电势导出端宽度;
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 何形状形成的，如右图所示。