第3章-压力检测(新)课件

压力检测压力检测第第3章章 压力检测压力检测 测量上所称的压力就是物理学中的压强，它是反映物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重要参数。质状态的一个重要参数。1压力检测压力检测常用的测量压力的仪表按工作原理大致可分为四大类：1.液柱式压力计液柱式压力计根据流体静力学原理,把被测压力转换成液柱高度。利用这种方法测量压力的仪表有U形管压力计，倒U型压差计，单管压力计和斜管压力计等。2.活塞式压力计活塞式压力计根据液体传递压力的原理,将被测量压力换成活塞面积上所加平衡砝码的重量,活塞式压力计一般被作为标准仪器用来对弹簧管压力计进行校验和刻度。2压力检测压力检测3.弹簧式压力计弹簧式压力计根据弹性元件受力变形的原理,将被测压力转换成位移,利用这种方法测量的仪表主要有弹簧管压力计等.4.电气式压力计电气式压力计将被测压力转换成各种电参数，根据电参数的大小而实现压力的间接测量。3压力检测压力检测1.1.电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转将物品重量通过悬臂梁转化为结构变形，再通过应化为结构变形，再通过应变片转化为电量输出。变片转化为电量输出。应用实例4压力检测压力检测2.2.桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量可用来判断桥梁结构安全状况，对重要桥梁通常每年进行一桥梁固有频率测量可用来判断桥梁结构安全状况，对重要桥梁通常每年进行一次测量。当桥梁固有频率发生变化时，说明桥梁结构有变化，应进行仔细的结次测量。当桥梁固有频率发生变化时，说明桥梁结构有变化，应进行仔细的结构安全检查。构安全检查。应用实例5压力检测压力检测3.高分子压电电缆高分子压电电缆应用实例 将高分子压电电缆埋在公路上，用于车速监测、收费站地磅、将高分子压电电缆埋在公路上，用于车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。及机场滑行道等。6压力检测压力检测高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的 路面下约路面下约5cm5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，可以用来测量车速及汽车的载重量，并并可以可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距等），并根据存储在计算获取车型分类信息（包括轴数、轴距等），并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。机内部的档案数据，判定汽车的车型。7压力检测压力检测 1.压力的概念和单位；压力的概念和单位；2.常见电气式压力传感器。常见电气式压力传感器。本章学习内容：本章学习内容：主要参考书：主要参考书：1.刘笃任刘笃任.传感器应用技术传感器应用技术M.西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社,2003.2.王俊峰王俊峰.现代传感器应用技术现代传感器应用技术M.机械工业出版社机械工业出版社,2006.8压力检测压力检测本章学习要求：本章学习要求：1.理解压力的概念。理解压力的概念。2.掌握掌握应变式、压电式、电容式、霍尔式应变式、压电式、电容式、霍尔式压力传感器的压力传感器的 工作原理、测量方法及应用、误差分析及补偿等。工作原理、测量方法及应用、误差分析及补偿等。3.了解其它压力传感器。了解其它压力传感器。9压力检测压力检测3.1 压力的概念及单位压力的概念及单位压力压力:垂直而均匀地作用在单位面积上的力。垂直而均匀地作用在单位面积上的力。它的大小由两它的大小由两个因素所决定，即垂直作用力和受力面积的大小，用数学个因素所决定，即垂直作用力和受力面积的大小，用数学式表示为：式表示为：式中式中:压力（压力（PaPa）均匀垂直作用力（均匀垂直作用力（N N）受力面积（受力面积（m m2 2）1Pa =110-3KPa =110-6MPa国际单位制中定义压力的单位国际单位制中定义压力的单位:1N的力的力垂直而均匀地作用在垂直而均匀地作用在1m2面积上所形成的压力面积上所形成的压力，称为称为牛顿牛顿/米米2 2（N/mN/m2 2），简称），简称“帕帕”，符号，符号“PaPa”。一、压力的概念一、压力的概念10压力检测压力检测1.工程大气压工程大气压(kgf/cmkgf/cm2 2,符号符号atat)：1kg力垂直作用在力垂直作用在1cm2面积上产生的压力。面积上产生的压力。2.标准大气压标准大气压(atmatm)：维度维度450的海平面上的海平面上0时的平均大气压力。时的平均大气压力。3.约定毫米汞柱约定毫米汞柱(mmHgmmHg)：0时时1mm高的水银柱在高的水银柱在1cm2底面上产生的压力。底面上产生的压力。4.约定毫米水柱约定毫米水柱(mmHmmH2 2O O)：4时时1mm高的水柱在高的水柱在1cm2底面上产生的压力。底面上产生的压力。其它常用压力单位其它常用压力单位11压力检测压力检测二、压力的几种表示形式二、压力的几种表示形式 被测压力通常可表示为被测压力通常可表示为绝对压力绝对压力、表压表压、负压负压(或真空度或真空度)。绝对压力绝对压力:相对于绝对真空所测得的压力。相对于绝对真空所测得的压力。表压力（表压）表压力（表压）:相对于大气压力的差压相对于大气压力的差压,绝对压力和大气绝对压力和大气压力之间的差压。工业上所用压力指示值多数为表压。压力之间的差压。工业上所用压力指示值多数为表压。负压负压:低于大气压力时的表压，简称负压，又称真空度。低于大气压力时的表压，简称负压，又称真空度。12压力检测压力检测四、四、电气电气式式压力传感器的类别压力传感器的类别 应变式应变式 压电式压电式 电容式电容式 霍尔式霍尔式 电位器式电位器式 电感式电感式 振弦式等振弦式等13压力检测压力检测应变：应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。3.2 应变式压力计应变式压力计应变式压力计：应变式压力计：应变式压力计是利用应变式压力计是利用电阻应变效应电阻应变效应做成的传感器，它的核做成的传感器，它的核心元件是心元件是电阻应变片电阻应变片。应用：应用：广泛用于压力、力、力矩、加速度、频率、重量等参数广泛用于压力、力、力矩、加速度、频率、重量等参数的测量。的测量。14压力检测压力检测3.2.1 3.2.1 电阻应变效应电阻应变效应 应变效应：应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形变时，其电阻值发生的变化，称为电阻应变效应。械形变时，其电阻值发生的变化，称为电阻应变效应。原理分析：原理分析：未受力时未受力时:设有一根长度为设有一根长度为L L，截面积为，截面积为S S，电阻率为，电阻率为e e的的电阻丝，未受力时的电阻值为：电阻丝，未受力时的电阻值为：15压力检测压力检测受力后：受力后：若在拉力作用下，应变电阻栅随弹性元件变化产若在拉力作用下，应变电阻栅随弹性元件变化产生伸长变形生伸长变形LL，由于长度，由于长度L L变长，电阻丝截面积变长，电阻丝截面积S S将缩小。将缩小。上述两种变形将使得电阻栅每段电阻丝的电阻产生变化。上述两种变形将使得电阻栅每段电阻丝的电阻产生变化。FFLL+dL2r2(r-dr)16压力检测压力检测 应变电阻材料应满足要求：应变电阻材料应满足要求：灵敏系数大灵敏系数大;温度系数小温度系数小;电阻率和机械强度高电阻率和机械强度高;工艺性能好工艺性能好。常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合金、常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等。铁镍铬合金等。17压力检测压力检测3.2.2 3.2.2 电阻应变片电阻应变片定义定义:能将机械构件上的应变转换为电阻变化的传感元件。能将机械构件上的应变转换为电阻变化的传感元件。结构：结构：应变式压力计由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。应变式压力计由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。工作原理：工作原理：被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或 压力等的作用下发生变形并产生相应的应变或位移，然后压力等的作用下发生变形并产生相应的应变或位移，然后 传递给与之相连的传递给与之相连的电阻应变片电阻应变片，引起应变片电阻值变化，引起应变片电阻值变化，通过测量电路变成电参量输出。输出的电参量大小反映被通过测量电路变成电参量输出。输出的电参量大小反映被 测量的大小。测量的大小。18压力检测压力检测尺寸不同尺寸不同:长的有几百长的有几百mmmm，短的仅有，短的仅有0.2 mm0.2 mm；结构形式不同结构形式不同:有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案；有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案；使用环境不同使用环境不同:有高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等；有高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等；安装形式不同安装形式不同:有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等；有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等；材料不同材料不同:分为分为金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体电阻应变片半导体电阻应变片。分类分类:应变片有很多品种系列应变片有很多品种系列:19压力检测压力检测 结构结构:由基体材料、金属应变丝由基体材料、金属应变丝 或应变箔、绝缘保护片和或应变箔、绝缘保护片和 引出线等部分组成。引出线等部分组成。一、金属电阻应变片一、金属电阻应变片 常见形式：金属丝式、箔式、薄膜式等。丝式应变片是最早应常见形式：金属丝式、箔式、薄膜式等。丝式应变片是最早应用的品种。用的品种。20压力检测压力检测二、半导体电阻应变片二、半导体电阻应变片 半导体应变片的工作原理和导体应变片相似。对半导半导体应变片的工作原理和导体应变片相似。对半导体施加应力时，其体施加应力时，其电阻率电阻率发生变化。发生变化。1、P型单晶硅条型单晶硅条 2、内引线、内引线3、焊接电极、焊接电极 4、引线、引线 5、基底、基底半导体的半导体的压阻效应压阻效应：对半导体施加压力时，其：对半导体施加压力时，其电阻率电阻率随应力随应力发生变化。发生变化。21压力检测压力检测半导体应变片特点半导体应变片特点优点优点:灵敏度高。比金属应变片的灵敏度约大灵敏度高。比金属应变片的灵敏度约大5050100100倍。倍。体积小，耗电省。体积小，耗电省。机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。缺点：缺点：非线性严重。非线性严重。22压力检测压力检测3.2.3.2.3 3 转换电路转换电路应变片应变片R R1 1将被测试件的应变将被测试件的应变转换成电阻的相对变化转换成电阻的相对变化R R1 1/R/R1 1，还需进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表测量。还需进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表测量。常识：常识：电阻应变片工作时电阻应变片工作时,其电阻变化很微小。其电阻变化很微小。引起的不平衡电压极小引起的不平衡电压极小,不能用来直接不能用来直接驱动指示仪表驱动指示仪表,故需要对其放大。一般故需要对其放大。一般放大器的放大器的输入阻抗要比测量电桥的内阻输入阻抗要比测量电桥的内阻高得多高得多，可认为电桥输出端处于开路状态。，可认为电桥输出端处于开路状态。23压力检测压力检测由图中可知：由图中可知：电桥平衡时电桥平衡时I If f=0,=0,有有仪表的调零仪表的调零状态状态24压力检测压力检测设设R1为电桥工作臂为电桥工作臂,R2、R3、R4均为固定桥臂。均为固定桥臂。起始状态，起始状态，,电桥平衡，此时电桥平衡，此时U0=Usc=0。1.单臂工作电单臂工作电桥电路桥电路25压力检测压力检测 设n=，考虑到起始平衡条件 ，并略去分母中的 项，得输出电压：若若受力后电阻发生应变受力后电阻发生应变,其值阻变化其值阻变化R1，电桥输出电压为电桥输出电压为：26压力检测压力检测Ku称为电桥的电压灵敏度。称为电桥的电压灵敏度。应变片电阻相对变化率一定时，应变片电阻相对变化率一定时，Ku愈大，电桥输出电压愈愈大，电桥输出电压愈大，电桥愈灵敏。大，电桥愈灵敏。提高灵敏度的措施 选择适当的桥臂比选择适当的桥臂比n n。提高电源电压，但它受应变片允许功耗的限制。提高电源电压，但它受应变片允许功耗的限制。灵敏度的确定27压力检测压力检测当当n=1n=1时，电桥电压灵敏度最高。单臂工作电桥输出电压和时，电桥电压灵敏度最高。单臂工作电桥输出电压和灵敏度为：灵敏度为：单臂工作时由单臂工作时由 可知：可知：当电源电压及电阻相对变化率一定时，电桥的输出电压当电源电压及电阻相对变化率一定时，电桥的输出电压和和灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。结论28压力检测压力检测由于使用单臂工作时，系统存在非线性误差由于使用单臂工作时，系统存在非线性误差和和温度误差，温度误差，为了消除误差，常采用半桥或全桥电路。为了消除误差，常采用半桥或全桥电路。9半桥差动电路UR1+R1R2-R2 在试件上安装两个工作应变片，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉力，一个受压力，接入一个受拉力，一个受压力，接入电桥相邻桥臂，称为半桥电路，电桥相邻桥臂，称为半桥电路，该电桥输出电压为：该电桥输出电压为：2.半桥半桥（双臂工作电桥）（双臂工作电桥）电路电路29压力检测压力检测9U若若R1=R2,R1=R2,R3=R4,R1=R2,R1=R2,R3=R4,又称为又称为差分电桥差分电桥，输出电压输出电压和灵敏度为：和灵敏度为：差分差分电桥电桥U U0 0与与 呈线性关系，呈线性关系，差分电桥没有差分电桥没有非线性误差非线性误差。电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度K KU U=U/2=U/2，比单臂工作时提高一倍。，比单臂工作时提高一倍。同时还具有温度补偿。同时还具有温度补偿。结论30压力检测压力检测3.3.全桥电路全桥电路 在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。差动电路。9全桥差动电路R1+R1R2-R2R4+R4R3-R3U31压力检测压力检测若若R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，且，且R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，则输出电压和，则输出电压和灵敏度为：灵敏度为：结论全桥差动电路不仅没有非线性误差，且电压灵敏度是单臂全桥差动电路不仅没有非线性误差，且电压灵敏度是单臂测量时的测量时的4 4倍。同时也具有温度补偿作用。倍。同时也具有温度补偿作用。32压力检测压力检测一、应变片的粘贴一、应变片的粘贴 粘合剂的性能及粘合工艺的质量影响应变片的工作特性。粘合剂的性能及粘合工艺的质量影响应变片的工作特性。要选择合适的粘合剂和正确的粘结工艺。要选择合适的粘合剂和正确的粘结工艺。1.1.对粘合剂要求对粘合剂要求:(1)(1)有一定的粘结强度。有一定的粘结强度。(2)(2)能准确传递应变。能准确传递应变。(3)(3)蠕变小。蠕变小。(4)(4)机械滞后小。机械滞后小。(5)(5)耐疲劳性能好。耐疲劳性能好。(6)(6)具有足够的稳定性能。具有足够的稳定性能。(7)(7)对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用。对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用。(8)(8)有适当的储存期。有适当的储存期。(9)(9)应有较大的温度使用范围。应有较大的温度使用范围。3.2.43.2.4 电阻应变片的粘贴及温度补偿电阻应变片的粘贴及温度补偿33压力检测压力检测二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿 问题引出 解决方法电桥补偿法电桥补偿法 敏感栅的金属电阻本身随温度发生变化：敏感栅的金属电阻本身随温度发生变化：试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一致，试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一致，使应变丝产生使应变丝产生附加变形附加变形而造成的电阻变化。而造成的电阻变化。34压力检测压力检测1.1.电桥补偿法电桥补偿法由于由于R R1t1t和和R Rbtbt相同，根据电路理论可知：当相邻桥臂有相同，根据电路理论可知：当相邻桥臂有等量变化时，对输出没有影响，即输出电压与温度无关。等量变化时，对输出没有影响，即输出电压与温度无关。补偿件与试件温度相同，但不承受形变。补偿件与试件温度相同，但不承受形变。注意补偿片补偿片R Rb b与应变片与应变片R R1 1特性相同；特性相同；工作应变片工作应变片试件试件补偿片补偿片补偿件补偿件（1）补偿片法35压力检测压力检测工作片、补偿片贴在同一试件上，两者感受的应变符号相反。工作片、补偿片贴在同一试件上，两者感受的应变符号相反。两个电阻变化值相同而符号相反两个电阻变化值相同而符号相反（2 2）对称粘贴应变片法）对称粘贴应变片法（2）对称粘贴应变片法36压力检测压力检测3.3 薄膜应变片薄膜应变片薄膜技术薄膜技术薄膜技术是在一定的基底上，用薄膜技术是在一定的基底上，用真空蒸镀真空蒸镀、溅射溅射等工艺技等工艺技术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物薄术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹性元件，也可加工为转换元件，在传感器的研制中得到了性元件，也可加工为转换元件，在传感器的研制中得到了广泛应用。广泛应用。37压力检测压力检测真空蒸镀真空蒸镀在真空室内，将待蒸发的在真空室内，将待蒸发的材料置于钨丝制成的加热材料置于钨丝制成的加热器上加热，当真空度抽到器上加热，当真空度抽到0.0133Pa0.0133Pa以上时，加大钨以上时，加大钨丝的加热电流，使材料融丝的加热电流，使材料融化，继续加大电流使材料化，继续加大电流使材料蒸发，在基底上凝聚成膜。蒸发，在基底上凝聚成膜。1真空室 2基底3钨丝 4接高真空泵。38压力检测压力检测溅射溅射在低真空室中，将待溅射在低真空室中，将待溅射物制成靶置于阴极，用高物制成靶置于阴极，用高压（通常在压（通常在1000V1000V以上）使以上）使惰性气体电离形成等离子惰性气体电离形成等离子体，等离子中的正离子以体，等离子中的正离子以高能量轰击靶面，使待溅高能量轰击靶面，使待溅射物的原子离开靶面，淀射物的原子离开靶面，淀积到阳极工作台上的基片积到阳极工作台上的基片上，形成薄膜。上，形成薄膜。1靶靶 2阴极阴极 3直流高压直流高压4阳极阳极 5基片基片6惰性气体入口惰性气体入口 7接真空系统。接真空系统。39压力检测压力检测 压电式传感器压电式传感器:以某些电介质的以某些电介质的压电效应压电效应为基础，在为基础，在外力作用外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。3.4 3.4 压电式压力传感器压电式压力传感器测量对象应用范围力、压力、加速度等。力、压力、加速度等。（由于是（由于是力敏感元件力敏感元件，能测量最终能变换为力，能测量最终能变换为力 的物理量。）的物理量。）工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等。工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等。40压力检测压力检测1.指套式电子血压计指套式电子血压计应用实例41压力检测压力检测2.压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器粘贴粘贴位置位置应用实例42压力检测压力检测正压电效应：正压电效应：某些电介质在沿着某些电介质在沿着一定方向一定方向受到压力或拉力作用时发生形变，并且在受到压力或拉力作用时发生形变，并且在其其一定表面一定表面会产生电荷，若将外力去掉，它们又重新回到不带电状态会产生电荷，若将外力去掉，它们又重新回到不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应3.4.1 3.4.1 压电效应压电效应思考什么是什么是电介质电介质？什么是什么是导体导体？二者区别？二者区别？逆压电效应（电致伸缩效应）：逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的当在电介质的极化方向极化方向施加电场，这些电介质就在施加电场，这些电介质就在一定方向一定方向上产生机上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。的现象。43压力检测压力检测一、石英晶体的压电效应一、石英晶体的压电效应晶体切片其中：其中：纵向轴称为纵向轴称为光轴（光轴（Z Z轴）轴）；经过正六面体棱线且垂直于光轴的称为经过正六面体棱线且垂直于光轴的称为电轴（电轴（x x轴）轴）；与与x x轴和轴和z z轴同时垂直的称为轴同时垂直的称为机械轴（机械轴（Y Y轴）轴）。石英晶体是最常用的压电晶体之一，理想几何形状为正六石英晶体是最常用的压电晶体之一，理想几何形状为正六面体晶柱。面体晶柱。在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示。在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示。44压力检测压力检测光轴（基准轴，光轴（基准轴，Z Z轴）：轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，光学方法确光沿该方向通过没有双折射现象，光学方法确定。定。没有压电效应没有压电效应石英晶体的三个晶轴电轴（电轴（X X轴）：轴）：垂直于该轴的表面上垂直于该轴的表面上压电效应压电效应最强。最强。纵向压电效应：沿电轴纵向压电效应：沿电轴X-XX-X方向的力作用下产生的电荷的压电效应。方向的力作用下产生的电荷的压电效应。横向压电效应：沿机械轴横向压电效应：沿机械轴Y-YY-Y方向的力作用下产生的电荷的压电效应。方向的力作用下产生的电荷的压电效应。机械轴（机械轴（Y Y轴）：轴）：垂直垂直xzxz面，在电场作用下，该轴方向的面，在电场作用下，该轴方向的机械形变机械形变最明最明显。显。45压力检测压力检测1.1.X X轴方向受力轴方向受力 纵向压电效应纵向压电效应FXFX+(a)(b)XXX X轴方向受力时，产生的电荷轴方向受力时，产生的电荷QxQx与作用力与作用力FxFx成正比，符号由成正比，符号由FxFx是压力还是拉力决定，与晶体的尺寸无关。是压力还是拉力决定，与晶体的尺寸无关。结论x轴方向上的轴方向上的压电系数（压电系数（C/NC/N）v受力方向和变形不同压电系数也不同受力方向和变形不同压电系数也不同在在X X轴方向施加压力时，在轴方向施加压力时，在垂直于垂直于X X轴的平面上出现轴的平面上出现电荷电荷且且X X轴轴正向带正电；正向带正电；若若作用力作用力F FX X改为拉力，改为拉力，出现出现电荷极性相反，见图电荷极性相反，见图(a a)、(b b)。46压力检测压力检测2.2.Y Y轴方向受力轴方向受力 横横向压电效应向压电效应+(c)(d)FYFYXXY Y轴方向受力时，产生的电荷轴方向受力时，产生的电荷QxQx不仅与作用力不仅与作用力FxFx成有关，还成有关，还与晶体的尺寸有关。符号与与晶体的尺寸有关。符号与X X轴方向受力的情况相反。轴方向受力的情况相反。结论y轴方向上的轴方向上的压电系数（压电系数（C/NC/N）l,h l,h 晶体切片的长度，厚晶体切片的长度，厚度度若若在同一晶片上作用力是沿着机械轴方向，其电荷仍在与在同一晶片上作用力是沿着机械轴方向，其电荷仍在与X X轴轴垂直平面上出现，极性见图（垂直平面上出现，极性见图（c c）、（）、（d d）。47压力检测压力检测3.3.压电效应的物理解释压电效应的物理解释压电效应是由于晶格在机械力的作用下发生的形变压电效应是由于晶格在机械力的作用下发生的形变,从而使电从而使电偶极距不平衡所引起。偶极距不平衡所引起。+-XYP1P2P31 1）在不受力的情况下）在不受力的情况下48压力检测压力检测2 2）受到）受到X X方向的力方向的力纵向压电效应纵向压电效应+-XYP1P2P349压力检测压力检测3 3）受到）受到Y Y方向的力方向的力横向压电效应横向压电效应+-XYP1P2P350压力检测压力检测自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。经研究发现石英晶体、钛酸钡、硫化锌等材料是性能优良的经研究发现石英晶体、钛酸钡、硫化锌等材料是性能优良的压电材料。压电材料。3.4.2 3.4.2 压电材料压电材料一、常用压电材料分类一、常用压电材料分类 1.1.压电晶体压电晶体 石英晶体石英晶体 水溶性压电晶体水溶性压电晶体 铌酸铌酸锂晶体锂晶体 2.2.压电陶瓷压电陶瓷 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷铌镁酸铅压电陶瓷 3.3.压电半导体压电半导体 硫化锌硫化锌 碲化镉碲化镉51压力检测压力检测二、常用压电材料特点二、常用压电材料特点1.1.石英晶体石英晶体石英（石英（SiOSiO2 2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介介电常数电常数和和压电系数压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化。两个参数几乎不随温度变化。优点性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。缺点价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多.52压力检测压力检测注意石英是一种各向异性晶体，按不同方向切割的晶片，其物理石英是一种各向异性晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。因此在性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。因此在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。切型。适用场合一般仅用于一般仅用于标准仪器标准仪器或要求较高的传感器中。或要求较高的传感器中。53压力检测压力检测2.2.压电陶瓷压电陶瓷优点：优点：具有很高的介电常数和较大的压电系数。具有很高的介电常数和较大的压电系数。缺点：缺点：居里温度低，温度稳定性和机械强度不如石英晶体。居里温度低，温度稳定性和机械强度不如石英晶体。人制备的压电材料，需经外加电场极化处理后才具有很强的压人制备的压电材料，需经外加电场极化处理后才具有很强的压电效应。电效应。54压力检测压力检测3.3.压电半导体材料压电半导体材料具有灵敏度高，响应时间短等优点。具有灵敏度高，响应时间短等优点。既有压电特性既有压电特性,又有半导体特性又有半导体特性,利于将元件和线路集成利于将元件和线路集成于一体。于一体。55压力检测压力检测3.4.3 3.4.3 测量电路测量电路当当压压电电传传感感器器中中的的压压电电晶晶体体承承受受被被测测机机械械应应力力的的作作用用时时，在在它它的的两两个个极极面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷荷。可可把把压压电电传传感感器器看看成成一一个个静静电电发发生生器器，如如图图(a a)。也也可可把把它它视视为为两两极极板板上上聚聚集集异异性性电电荷荷，中中间间为为绝绝缘缘体体的的电电容容器器，如如图图(b)(b)。qq电极压 电 晶体Ca(b)(a)压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路56压力检测压力检测因此，压电传感器可等效为以下两种形式因此，压电传感器可等效为以下两种形式:电压源电压源U Ua a和一个电容器和一个电容器C Ca a的的串联串联电路，如图电路，如图(a a)；电荷源电荷源q q和一个电容器和一个电容器C Ca a的的并联并联电路，如图电路，如图(b b)。U0Q当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为其大小为57压力检测压力检测测量电路的等效电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：其作用为：把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；放大传感器输出的微弱信号。放大传感器输出的微弱信号。58压力检测压力检测实际使用时还需考虑以下几个方面：实际使用时还需考虑以下几个方面：压电传感器的泄漏电阻压电传感器的泄漏电阻R Ra,a,连接电缆的等效电容连接电缆的等效电容C Cc c 放大器的输入电阻放大器的输入电阻R Ri i，放大器的输入电容放大器的输入电容C Ci i，其等效电路如图所示：，其等效电路如图所示：59压力检测压力检测压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此因此,前置放大器分为两种形式：电压放大器和电荷放大器。前置放大器分为两种形式：电压放大器和电荷放大器。电压放大器：电压放大器：输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比。输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比。电荷放大器：电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比。输出电压与输入电荷成正比。60压力检测压力检测1.1.电压放大器电压放大器61压力检测压力检测若压电元件受正弦力若压电元件受正弦力F=FF=Fm m sin sintt的作用，则在外力作用的作用，则在外力作用下其产生的电压为下其产生的电压为式中：式中：U Um m压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，U Um m=dFdFm m/C Ca a；d d压电系数。压电系数。62压力检测压力检测由此可得放大器输入端电压由此可得放大器输入端电压U Ui i，其复数形式为：其复数形式为：U Ui i的幅值的幅值U Uimim为：为：灵敏度：灵敏度：63压力检测压力检测理想情况下，传感器的理想情况下，传感器的R Ra a电阻值与前置放大器输入电阻电阻值与前置放大器输入电阻R Ri i都都为无限大，即为无限大，即(C Ca a+C Cc c+C Ci i)RR1 1，那么理想情况下输入电压，那么理想情况下输入电压幅值幅值U Uamam为：为：结论由于由于U Ui i的幅值的幅值U Uimim为：为：所以灵敏度所以灵敏度输出电压灵敏度输出电压灵敏度受电缆分布电容受电缆分布电容影响。影响。作用力的作用力的变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1 1时，前置放大器的时，前置放大器的 输入电压和灵敏度均与频率无关。输入电压和灵敏度均与频率无关。压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差64压力检测压力检测讨论：讨论：在在什么情况下可以看做理想状态？什么情况下可以看做理想状态？若若为测量回路的时间常数，且为测量回路的时间常数，且=R(Ca+Cc+Ci)，并令，并令0=1/,则有：则有：为什么考虑它？65压力检测压力检测00901.00.51234Uim/Uam66压力检测压力检测讨论：讨论：=0=0（所测量力为静态量）：（所测量力为静态量）：U Uimim=0=0（输入电压为零）（输入电压为零）所以不能测量静态量。所以不能测量静态量。33（高频情况）：（高频情况）：U Uimim/U/Uamam11，实际接近理想。，实际接近理想。输入电压与作用力频率无关。输入电压与作用力频率无关。若若一定，一定，越高，高频响应越好。越高，高频响应越好。31时72压力检测压力检测由上式可有以下结论：由上式可有以下结论：电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压UoUo只取决于输入电荷与反馈电容只取决于输入电荷与反馈电容C Cf f，与电缆电容，与电缆电容C Cc c无关，且与无关，且与Q Q成正比，这是电荷放大器的成正比，这是电荷放大器的最大特点。最大特点。为了得到必要的测量精度，要求反馈电容为了得到必要的测量精度，要求反馈电容C Cf f的温度和时间的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，C Cf f的容量做成可选择的，范围一般为的容量做成可选择的，范围一般为100104pF100104pF。通常通常A A=104108=104108输出与电缆电容无关，电缆可更换并且电缆可长达输出与电缆电容无关，电缆可更换并且电缆可长达1km1km可测可测准静态量准静态量：由于由于=R=Rf fC Cf f相当大，可测低频相当大，可测低频f=0.5Hzf=0.5Hz73压力检测压力检测3.5 3.5 电容式传感器电容式传感器电容式传感器是将被测量电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等如尺寸、压力等)的变化转换成的变化转换成电容量的变化的一种传感器电容量的变化的一种传感器,转换元件是一个具有转换元件是一个具有可变参数可变参数的电容器的电容器。广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成份含量等方面的测量。面（料位）、成份含量等方面的测量。压差变送器压差变送器 接近开关接近开关 三轴加速度传感器三轴加速度传感器 液位传感器液位传感器 74压力检测压力检测3.5.1 3.5.1 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理d d S S 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容其电容C C为为:电容极板间介质的介电常数；电容极板间介质的介电常数；0 0真空介电常数，真空介电常数，0 0 8.85pF/m8.85pF/m；r r 相对介电常数。相对介电常数。工作原理：工作原理：改变改变S S、d d、三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量电容量C C 改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型改变。固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：的电容传感器：变极距型变极距型、变面积型变面积型和和变介电常数型变介电常数型。75压力检测压力检测一、变极距型电容传感器一、变极距型电容传感器1.板式结构板式结构初始电容初始电容间距减小间距减小d时，电容量时，电容量76压力检测压力检测10103 3kv/mm)kv/mm)或塑料膜可改或塑料膜可改善电容器耐压性能。善电容器耐压性能。变极距式电容式传感器的起始电容在变极距式电容式传感器的起始电容在 2020100pF100pF之间之间,极板间极板间距在距在2525200um200um范围内，而测量最大位移应小于间范围内，而测量最大位移应小于间距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于距的十分之一，因此这种电容式传感器主要用于微位移微位移测量测量。d0越小越好？越小越好？思考79压力检测压力检测2.2.板式差动结构板式差动结构 差动结构的变间隙型电容传感器采用两差动结构的变间隙型电容传感器采用两块定极板，在二者之间放一块动极板。块定极板，在二者之间放一块动极板。假设动极板向上移动了假设动极板向上移动了d,则有则有80压力检测压力检测电容总的变化量为：电容的相对变化量为：差动结构的电容传感器既提高了灵敏度，又减小了非线性误差。差动结构的电容传感器既提高了灵敏度，又减小了非线性误差。此时传感器的测量灵敏度为：81压力检测压力检测二、变面积型电容传感器二、变面积型电容传感器角位移：角位移：极板极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移的轴由被测物体带动而旋转一个角位移度时，两极板的遮盖面积度时，两极板的遮盖面积ss电容量电容量。板状线位移：板状线位移：极板极板2 2可以左右移动。极板可以左右移动。极板1 1固定不动。固定不动。筒形：筒形：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。角位移角位移板状板状筒形筒形82压力检测压力检测1.1.电容式电容式角位移角位移传感器传感器 初始状态=0时，当动极板顺时针转动角度时，传感器电容变化量传感器电容变化量 C与角位移与角位移呈线呈线性关系性关系 灵敏度为：83压力检测压力检测当动极板相对于定极板沿着长度方向当动极板相对于定极板沿着长度方向平移平移x x时，其电容量为：时，其电容量为：电容量电容量 C C与直线位移与直线位移x呈线性关系，呈线性关系，其灵敏度为其灵敏度为 ：2.2.电容式电容式线位移线位移传感器传感器 初始状态下初始状态下，x=0,84压力检测压力检测变面积型电容传感器灵敏度为常数，输出量与输入量变面积型电容传感器灵敏度为常数，输出量与输入量呈线性关系，适合于测量较大的直线位移和角位移。呈线性关系，适合于测量较大的直线位移和角位移。结论85压力检测压力检测当当L=0L=0时，初始电容时，初始电容 ：当被测电介质进入极板间当被测电介质进入极板间L L长度长度后，后，电容变化量与电介质移动量电容变化量与电介质移动量L L呈线性关系呈线性关系 灵敏度灵敏度为：为：三、变介电常数型电容传感器三、变介电常数型电容传感器 1.1.板式结构板式结构86压力检测压力检测初始电容(无液体时):液位高度为hx时，电容为：液位传感器的电容变化量液位传感器的电容变化量 C与液面高度与液面高度hx呈线性关系呈线性关系 液位传感器h2r12r2hx空气介电常数为 液体介电常数为2.2.圆筒式结构圆筒式结构 87压力检测压力检测3.5.2 3.5.2 测量电路测量电路1.1.桥式电路桥式电路88压力检测压力检测2.2.调频电路调频电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。生变化。调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至量高至0.01m0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。但频率受温以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。但频率受温度和电缆电容影响较大，需采取稳频措施。度和电缆电容影响较大，需采取稳频措施。89压力检测压力检测3.运算放大器运算放大器将电容式传感器接入运算放大器电路中，作为电路的反馈将电容式传感器接入运算放大器电路中，作为电路的反馈元件而构成测量电路。元件而构成测量电路。由运算放大器工作原理可得由运算放大器工作原理可得测量条件：测量条件：要求输入阻抗要求输入阻抗Zi及放大倍数及放大倍数A足够大。足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压为保证仪器精度，还要求电源电压Ui的幅值和固定电容的幅值和固定电容C值稳定。值稳定。90压力检测压力检测3.5.3 3.5.3 应用实例应用实例电容式压力传感器电容式压力传感器不但应用于压力、差压力、液压、料位、成分含量的测量，不但应用于压力、差压力、液压、料位、成分含量的测量，也应用于位移、振动、加速度、荷重的测量。也应用于位移、振动、加速度、荷重的测量。一、电容差压传感器一、电容差压传感器一一个个膜膜片片动动电电极极和和两两个个在在凹凹形形玻玻璃璃上上电电镀成的固定电极组成的差动电容器。镀成的固定电极组成的差动电容器。当当被被测测压压力力或或压压力力差差作作用用于于膜膜片片使使之之产产生生位位移移时时,形形成成的的两两个个电电容容器器的的电电容容量量一一个个增增大大一一个个减减小小。电电容容值值的的变变化化经经测测量量电电路路转转换换成成与与压压力力或或压压力力差差相相对对应应的的电流或电压的变化。电流或电压的变化。91压力检测压力检测特点：特点：结构简单、灵敏度高、结构简单、灵敏度高、响应速度快响应速度快(约约100ms)100ms)能测微小压差能测微小压差(0(00.75Pa)0.75Pa)、真空或微小绝对压力。、真空或微小绝对压力。（需把膜片的一侧密封并抽成高真空需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10(10-5-5Pa)Pa)即可即可)92压力检测压力检测 二、变面积式压力传感器二、变面积式压力传感器93压力检测压力检测4.2 4.2 电容式物位计电容式物位计4.2.1 电容式物位计的工作原理电容式物位计是基于圆筒形电容传感器原理工作的，电容式物位计是基于圆筒形电容传感器原理工作的，由电容式物位传感器和检测电容的测量电路组成。由电容式物位传感器和检测电容的测量电路组成。适用范围：各种适用范围：各种导电、非导电液体或粉状料位导电、非导电液体或粉状料位的测量。的测量。94压力检测压力检测RLHLC与电极浸没高度H成正比95压力检测压力检测 大致可分成三种工作方式。大致可分成三种工作方式。一、立式圆筒形导电容器，非导电液体或固体粉末的物位测量。一、立式圆筒形导电容器，非导电液体或固体粉末的物位测量。4.2.2 4.2.2 电容式物位传感器电容式物位传感器器壁为电容的外电极，器壁为电容的外电极，沿轴线插入金属棒，作沿轴线插入金属棒，作为内电极。为内电极。96压力检测压力检测二、立式圆筒形导电容器，且物料为导电性液体的液位测量。二、立式圆筒形导电容器，且物料为导电性液体的液位测量。用用一根电极作为电容器的一根电极作为电容器的内电极内电极，一般用紫铜或不，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，料管或涂搪瓷作为绝缘层，而而导电液体和容器壁构成导电液体和容器壁构成电容器的外电极。电容器的外电极。97压力检测压力检测三三、非金属容器，或虽为金属容器，但非立式圆筒形，非金属容器，或虽为金属容器，但非立式圆筒形，非导电性液体的测量。非导电性液体的测量。中心棒状电极的外面套有一个同轴中心棒状电极的外面套有一个同轴金属筒，并通过绝缘支架互相固定，金属筒，并通过绝缘支架互相固定，金属筒的上下开口，或整体上均匀金属筒的上下开口，或整体上均匀分布多个小孔，使筒内外的液位相分布多个小孔，使筒内外的液位相同。中央圆棒与金属套筒构成两个同。中央圆棒与金属套筒构成两个电极。电极。这样组成的电容这样组成的电容Cx与容器的形状无关，只取决于液位的高低。与容器的形状无关，只取决于液位的高低。由于固体粉粒容易滞留在极间，所以此种电极不适于固体物位由于固体粉粒容易滞留在极间，所以此种电极不适于固体物位的测量。的测量。98压力检测压力检测4.2.34.2.3电容式物位计的特点：电容式物位计的特点：可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简单，安装要求低等特点单，安装要求低等特点但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面但当被测介质粘度较大时，液位下降后，电极表面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，严重影响测量精度。严重影响测量精度。被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，当精度要求较高时，应采用修正措施。当精度要求较高时，应采用修正措施。99压力检测压力检测例：例：电容式液位计示意图如图所示，内圆管的外径为电容式液位计示意图如图所示，内圆管的外径为10mm10mm，外圆管的内径，外圆管的内径为为30mm30mm，管的高度，管的高度h h1 1=3m,h=3m,h0 0=0.5m=0.5m，被测介质油的相对介电常数为，被测介质油的相对介电常数为2323，电容电容器总电容为器总电容为2000pF。（真空的介电常数为（真空的介电常数为8.8510-12PF/m）（1 1）求容器内油的液面高度？）求容器内油的液面高度？（2 2）若容器的内径）若容器的内径P=3mP=3m，油的密度为，油的密度为0.8t/m0.8t/m3 3,求容器内油的质量？求容器内油的质量？(油的密度为油的密度为0.8t/m0.8t/m2 2)100压力检测压力检测解：解：容器内油的液面高度容器内油的液面高度油的油的质量量101压力检测压力检测3.6 3.6 霍尔式压力计霍尔式压力计霍尔式压力计：霍尔式压力计：利用利用霍尔元件霍尔元件测量弹性元件变形的电测压测量弹性元件变形的电测压 力计。力计。霍尔元件：霍尔元件：能够产生能够产生霍尔效应霍尔效应的器件，一般是由半导体材的器件，一般是由半导体材 料（锗、锑化铟，砷化铟）制成的薄片料（锗、锑化铟，砷化铟）制成的薄片。特点：特点：优点：优点：结构简单、体积小、频率响应宽、可靠性高、易于结构简单、体积小、频率响应宽、可靠性高、易于 微型化和集成化。微型化和集成化。缺点：缺点：信号转换效率低、温度影响大。信号转换效率低、温度影响大。测量对象：测量对象：可直接测量可直接测量磁场、电流以及微位移量磁场、电流以及微位移量;也可也可间接测量间接测量液位、压力液位、压力等。等。102压力检测压力检测3.6.1 3.6.1 霍尔效应霍尔效应置于磁场的半导置于磁场的半导体（体（N型）通过控制电流型）通过控制电流I，并在薄片的垂，并在薄片的垂直方向上施加磁场强度为直方向上施加磁场强度为B的磁场，的磁场，则在与磁场和电流都则在与磁场和电流都垂直的方向上将产生电动势垂直的方向上将产生电动势UH，这种现象为，这种现象为霍尔效应霍尔效应。103压力检测压力检测物理解释：物理解释：N N型半导体中的多数载流子型半导体中的多数载流子自由电自由电子在电场作用下的定向运动。此时子在电场作用下的定向运动。此时,每个电子受洛仑磁力每个电子受洛仑磁力f fm m的作用，的作用，f fm m大大小为小为 f fm m=eBv=eBv e e电子电荷；电子电荷；v v电子运动平均速度；电子运动平均速度；B B磁场的磁感应强度。磁场的磁感应强度。随着电荷的增加随着电荷的增加,霍尔电场增加，电子受到的电场力也增加，霍尔电场增加，电子受到的电场力也增加，当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时，电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。相应的电动势时，电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。相应的电动势就称为就称为霍尔电动势霍尔电动势。104压力检测压力检测霍尔电动势的大小为：霍尔电动势的大小为：R RH H霍尔常数；霍尔常数；I I控制电流；控制电流；B B磁感应强度；磁感应强度；K KH H灵敏度；灵敏度；d d霍尔元件的厚度。霍尔元件的厚度。105压力检测压力检测通过以上分析可知：通过以上分析可知：1 1）霍尔电压）霍尔电压U UH H与材料的性质有关，霍尔元件一般采用与材料的性质有关，霍尔元件一般采用N N型型半导体材料。半导体材料。2 2）霍尔电压）霍尔电压U UH H与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。d d 愈小，愈小，K KH H 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但的厚度都比较薄，但d d太小，会使元件的输入、输出电太小，会使元件的输入、输出电阻增加。阻增加。3)3)霍尔电压霍尔电压U UH H与控制电流及磁场强度有关。当磁场改变与控制电流及磁场强度有关。当磁场改变方向时，也改变方向。方向时，也改变方向。106压力检测压力检测霍尔元件的组成：霍尔元件的组成：由霍尔片、四根引线和壳体组成由霍尔片、四根引线和壳体组成.3.6.2 3.6.2 霍尔传感器工作原理霍尔传感器工作原理一一.霍尔元件结构和基本电路霍尔元件结构和基本电路107压力检测压力检测1-11-1：控制电极，控制电极，加控制电流。加控制电流。2-2 2-2:霍尔电势输出电极，霍尔电势输出电极，引出霍尔电势。引出霍尔电势。基片外面用金属或陶瓷、环氧树基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。脂等封装作为外壳。图（图（b b）是霍尔元件通用的图形）是霍尔元件通用的图形符号。符号。从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，各各引出引出一对电极一对电极。1.元件元件内部内部结构结构108压力检测压力检测图（图（c c）所示，霍尔电极在基片）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度