第二章 压力测量及仪表

第三节 霍尔式压力传感器
霍尔式压力计是利用霍尔元件基于 霍尔效应原理实现压力-位移-霍尔 电势转换的。
一、霍尔效应
设有一霍尔片（N 型半导体薄片），在其 Z 轴 方向施加一个磁场，在 Y 轴方向通入电流，则 在其 X 轴方向将产生电势，该电势就是霍尔电 势 VH ，这一物理现象称为霍尔效应。 因在 N 型（硅）半导体薄片的 Y 轴方向施加 电场，则半导体薄片内的带电粒子将沿 Y 轴方 向运动；又因半导体薄片同时处于磁场中，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，故这些沿 Y 轴方向运动的粒 子将偏转方向运动，如图2.5所示，带电粒子受 力方向符合左手定则，从而造成霍尔片左端面 电子过剩呈负电位，而右端面相应地显示出正 电位，从而产生霍尔电势。
图2.9 压力传感器示意图 1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片
三、应变式压力传感器的材料及特点
目前工程上使用最广泛的电阻应变片有金属电阻应变片和半 导体应变片。常用的应变片灵敏度系数大致是：金属导体应 变片约2左右，但不超过4~5；半导体应变片约为100~200。 需要指出的是半导体应变片虽然具有比金属导体应变片大得 多的灵敏度，但温度对其影响也比对金属的大，因此使用时， 应采取相应的温度补偿措施或采用温度特性较好的半导体材 料。 应变片式压力计具有较大的测量范围，被测压力可达几百兆 帕，并具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。 但尽管测量电桥具有一定的温度补偿作用，应变片式压力计 仍具有比较明显的温漂，因此，这种压力检测仪表多应用于 一般要求的动态压力检测，测量精度一般在 0.5%～1.0% 左 右。 使用时，测量上限一般以不超过仪表量程的 80% 为宜，各 种技术条件不得超过规定的指标。当用于高频压力测量时， 不得附加管道和使用隔离介质。此外，还应采取适当措施， 以免引入干扰而造成测量误差。
根据材料力学原理，在弹性限度范围内电阻丝轴向应变与径向应变存在如下关系
y x
式中 μ为材料的泊松系数。负号表示二者变化方向相反，μ=0~0.5。
dR d 1 2 x 将式（2-4）代入式（2-3）得： R
式（2-5）说明应变片电阻变化率是几何效应 [（1+2μ）ε] 项和压阻效应 [dρ/ρ] 项综合的结果。
二、扩散硅压阻传感器的结构及工作原理 硅杯膜片：用作压阻式传感器的基片材料，主要为硅片和锗片， 通常都是周边固定的圆膜片，是具有弹性的敏感元件。 扩散电阻：扩散电阻是在半导体材料（硅片或锗片）的基片上 利用集成电路工艺制成的，如在N型单晶硅膜片上通过扩散杂质 使其形成四个P型电阻，并组成电桥。扩散电阻一般要依附于弹 性元件（如硅杯膜片）才能正常工作。 在膜片上扩散电阻时，四个应变电阻排成直线，如图2.11，其中 两个电阻 R2 、R3 处于中心位置（r<0.635r0），使其受拉应力； 而另外两个电阻 R1、R4 处于边缘位置（r>0.635r0），使其受 压应力。只要位置合适，可满足
（1）对于金属材料，由于压阻效应很小，即 dρ/ρ≪1，因此有
1 2 R （2）对于半导体，由于dρ/ρ项的数值远比（1+2μ）ε 项大, 即半导体 电阻变化率取决于材料的电阻率变化,因此 dR
dR
R
d

二、应变式压力计的结构及工作 原理
1. 应变式压力计的结构及各部件作用 应变式压力传感器包括三个主要部分： 压力敏感元件（一般为弹性元件）：利用它把 被测压力的变化转换为弹性体应变量（位移量） 的变化，即P→ε ； 应变片：贴在压力敏感元件上的应变片，其作 用是把应变量的变化转换为电阻量的变化，即 ε→dR/R ； 测量电路：通过测量电路将应变片电阻值的变 化转换为便于输出测量的电量（如电压），即 dR/ R→ΔU ，从而实现被测压力的测量。
第四节 应变式压力传感器
应变式压力计是利用应变片基于应变效 应实现压力-电阻转换，再由桥式电路将 电阻转换成毫伏信号供显示仪表显示出 被测压力的大小。
一、应变效应 金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相 应的应变，其电阻将随之发生变化，这种物理现 象称为应变效应。 用来产生应变效应的细导体称为应变丝。把应 变丝粘贴在衬底上，组成的元件称为应变片，如 图2.8 所示。
图2.5 霍尔效应原理
霍尔电势 VH 的大小与霍尔片度 B 等因素有关，可用下式表示
VH RH IB f l K H IB b d

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 ——霍尔片的形状系数 b KH——霍尔片的灵敏度系数
在工程上，被测压力通常有绝对压 力、表压和负压 ( 真空度 ) 之分。 三者关系如图 2.1 所示。
二、压力的检测方法和检测仪表 （1）液柱式压力检测（P—h转换） （2）弹性式压力检测（P—χ转换） （3）电气式压力检测（P—U、P—R 或 P—C 转换等） （4）活塞式压力检测（零位法，P— W=0）
第五节 扩散硅式压力传感器
扩散硅压力(差压)传感器是以压阻式传感器为检测元件 的一种压力检测仪表，主要由扩散硅压阻传感器和电磁 放大部分组成的，如图 2.10 所示。
图 2.10 扩散硅压力(差压)变送器原理框图
扩散硅压阻传感器实质是硅杯压阻传感器，是基于压阻效 应实现压力-电阻转换的。
一、压阻效应：当在半导体（例如：单晶体）的 晶体结构上施加压力时，会暂时改变晶体结构的 对称性，因而改变了半导体的导电机构，表现为 它的电阻率 ρ 的变化，这一物理现象称为压阻效 应。如前应变效应所述，它是应变效应的组成部 分。而且，根据半导体材料情况和所加压力的方 向可使电阻率增加或减小。见关系式（2-7）。
第二节 弹性式压力表
一、弹性元件
弹性元件是弹性式压力表的测压敏感元件，弹性压力表 的测量性能主要取决于弹性元件的弹性特性，与弹性元 件的材料、形状、工艺等有关。不同的弹性元件测压范 围也不同，工业上常用的弹性式压力表所使用的弹性元 件主要有膜片、波纹管、弹簧管等，如图 2.2 所示。
膜片：是一种圆形薄板或薄膜，周 边固定在壳体或基座上。 波纹管：是一种具有同轴环状波纹， 能沿轴向伸缩的压力弹性元件。当 它受到轴向力作用时能产生较大 弹簧管：是一根弯曲成圆弧形、横 截面呈椭圆形或近乎椭圆形的空心 管。
2.6霍尔式压力计的结构示意图
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，压力被转 换成霍尔片位移且为线性关系（P→χ）。 2. 霍尔片位移-磁场转换 在霍尔片的上下方向分别安装两对极性相反、呈靴形的磁钢，使霍尔片置 于一个非均匀的磁场中（如图2.7）。 3. 磁场-霍尔电势转换 在测量过程中，直流稳压电源给霍尔元件提供恒定的控制电流 I，根据霍 尔效应（VH=KHIB），即可实现磁场-霍尔电势转换 (B→VH)。
2. 弹簧管压力表的工作原理
如图2.3所示，被测压力由接头9通入，迫使弹 簧管1的自由端向右上方扩张，自由端的弹性 变形位移通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转， 进而带动中心齿轮4作顺时针偏转，于是固定 在中心齿轮上的指针5也作顺时针偏转，从而 在面板6的刻度标尺上显示出被测压力p的数值。
三、弹簧管的材料及弹簧管压力表的特点 弹簧管式压力表结构简单、使用方便、价 格低廉，使用范围广，测量范围宽，可以 测量负压、微压、低压、中压和高压，因 此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表 精度最高可达 0.15 级。 在生产中，常需要把压力控制在一定范围 内，以保证生产正常进行。这就需采用带 有报警或控制触点的 压力表。将普通弹簧管式压力表增加一些 附加装置，即成为此类压力表，如电接点 信号压力表。
二、弹簧管压力表的结构及工作原理
弹簧管式压力表主要由弹簧管、传动机构、指示机构和 表壳组成，如图2.3所示。
图 2.3 弹簧管压力表 1－弹簧管；2－拉杆；3－扇形齿轮；4－中心齿轮；5－指针； 6－面板；7－游丝；8－调节螺钉；9－接头
1. 弹簧管压力表的结构和各部件作用
弹簧管：是一个压力-位移的转换元件（可用符号表示为P→χ）。 传动机构（又称机心）：其作用是将自由端所产生的位移传送 并放大（可用符号表示为χ→φ）。它由拉杆、扇形齿轮、中心 齿轮、游丝等组成。 拉杆：仅起传送位移的作用。 游丝：用来克服因机械传动机构间的间隙而产生的仪表变差。 调整螺钉：改变其位置，即可改变机械传动的放大系数，从而 实现压力表量程的调整。 指示机构：包括指针、刻度盘等。其主要作用是将位移φ通过指 针转动指示出来，并在刻度盘上读取压力值。 表壳（又称机座）：其主要作用是固定和保护仪表的零部件。
图2.8 应变片结构示意图
设有一圆形截面导线，长度为L，截面积为A，材料的电阻率为ρ，这 段导线的电阻值R为 L L R 2 A r r——导体半径 当导体受力作用时，其长度L、截面积（πr2）、电阻率ρ相应变化为 dL、d（πr2）、dρ，因而引起电阻变化dR 对式（2-2）全微分，则为 dR dL dR dL dr d dr d 2 2 R L r R L r dL dL dL dL 式中， x 为电阻丝轴向应变； 式中， x为电阻丝轴向应变； y 为电阻丝径 y 为电阻丝径向应变。 L L L L
第二章 压力测量及仪表
第一节 压力测量的基本知识 第二节 弹性式压力表 第三节 霍尔式压力传感器 第四节 应变式压力传感器 第五节 扩散硅式压力传感器 第六节 电容式压力传感器 第七节 膜盒式压力（差压）变送器 第八节 压力测量仪表的应用 第九节 压力测量仪表实训
一、概述 在工程上将垂直而均匀作用在单位面积 上的力称为压力，两个测量压力之间的 差值称为压力差或压差，工程上习惯叫 差压。 在国际单位制和我国的法定计量单位中， 压力的单位采用牛顿/米2(N/m2)，通常 称为帕斯卡或简称帕(Pa)。帕(Pa)这个 单位在实际应用中太小，不方便，目前 我国生产的各种压力表都统一用 kPa(103Pa)或 MPa(106Pa)为压力或差 压的基本单位。