最新第二章第四五节霍尔式压力传感器与应变式压力传感器课件ppt.ppt

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1、第二章第四五节霍尔式压力传感器与应变式压力传感器设有一个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“

2、霍尔效应”。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;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)。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

3、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。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。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

4、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。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

5、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。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

6、时，假设其初始电阻值为：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。1、金属应变片的工作原理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:以微分表示为:式中dl/l、dA/A、dρ/ρ分别为长度、截面积和电阻率的相对变化量，dR/R为电阻的相对变化量。式中，称为金属电阻丝的轴向应变，简称应变。对于圆形截面金属电阻丝，截面积A＝r2，dA=2rdr，则为圆形截面电阻丝的截面积相对变化量。称为金属电阻丝的径向应变。根据材料的力学性质，在弹性范围内，当金属

7、丝受到轴向的拉力时，将沿轴向伸长，沿径向缩短。轴向应变和径向应变的关系可以表示为：式中：μ为电阻丝材料的泊松比（泊松系数），负号表示应变方向相反。把单位应变引起的电阻值变化量定义为电阻丝的灵敏系数K，则灵敏系数K受两个因素影响：应变片受力后材料几何尺寸的变化（反映几何变形效应），即1+2μ；应变片受力后材料的电阻率发生的变化(反映压阻效应)，即(dρ/ρ)/ε。将应变片粘贴在弹性元件上，当压力作用到弹性元件上时，弹性元件被压缩（或拉伸），粘贴在弹性元件上的应变片即发生相应的压缩应变或拉伸应变，由应变效应可知，应变片电阻发生变化，测量电阻可实现压力的测量。对金属材料

8、来说，电阻