第11讲 压力检测(霍尔式)
压力测量的原理及应用PPT课件
（a）弹性膜片 （b）挠性膜片
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三、压力测量设备的原理
(2）膜片压力计
膜片是用金属或者非金属制成的圆形薄片；按工作 面形状分为：平膜片和波纹膜片。 常用的材料：锡锌青铜、磷青铜、铍青铜、高弹性 合金、恒弹性合金、碳素铜、不锈钢等。 膜片的厚度一般在0.05～0.3mm。 膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指 示，由于膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也 不高，一般为2.5级。 注：平膜片测量压力时位移很小，常用来测量高压 。波纹膜片常用来测量低压。
压力测 量的原理与应用
讲课人：郑 峰
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模块包：E19-E2-C-01
模块E19E2C01： 压力测量设备的结构、原理
模块E19E2C02： 压力测量设备的安装、调试
培训目标：通过本模块包的学习，学员能叙述压 力测量的概念、分类（压力表、压力开关、压力 变送器）；能正确进行设备安装调试。
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三、压力测量设备的原理
（1）、电阻应变片式压力计
被测压力作用于弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的 部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受被测压力的变化，按 这种原理设计的传感器称为电阻应变片式压力传感器。
导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值 也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。
挠性膜
0～106kPa
0～105kPa 0～103kPa
0～105 kPa
0～103kPa 0～102kPa
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二、压力测量设备的原理
(1)弹簧管压力计
1、中心轴，2、表盘，3、指针， 4、弹簧管，5、连杆，6、扇形齿轮
压力检测技术(PPT 55页)
波纹管是一端封闭的薄壁圆管，壁面是环状波纹。被测压力 从开口端引入，封闭端将产生位移。
特点：位移相对较大，灵敏度高，用于低压或差压测量。
8.2.1弹性压力计
弹性膜片是外缘固定的片状弹性元件，有平膜片、波纹膜片和 挠性膜片几种形式，其弹性特性由中心位移与压力的关系表示， 用于低压、微压测量。 特点：平膜片位移很小，波纹膜片压有正弦、锯齿或梯形等环 状同心波纹，挠性膜片仅用作隔离膜片，需与测力弹簧配用。
3. 压电式压力传感器
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量 与作用力之间呈线性关系：
Q kSp
(8-6)
式中，Q—电荷量；k—压电常数；S—作用面积；p—压力。
8.2.2电测试压力计
图8-13为一种压电式压力传感器的结构示意图。
特点：压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠；测量 范围宽；测量精度较高；频率响应高。但不适宜测量缓慢变化 的压力和静态压力。
760
735.56
1
8.1概述
8.1.1压力的基本概念和计量单位 8.1.2压力检测方法
8.1.2压力检测方法
根据测压原理的不同，压力检测方法主要有以下几类： 1. 重力平衡法
这种方法是按照压力的定义，通过直接测量单位面积上 所受力的大小来检测压力。如液柱式压力计和活塞式压 力计。 2. 弹性力平衡法 弹性力平衡法利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而 产生的弹性力与被测压力相平衡的原理来检测压力。
特点：有较高的灵敏度，但当位移较大时传感器非线性严重； 可改善非线性、提高灵敏度、并可减小因极板间电介质的介 电常数ε受温度影响而引起的不稳定性。
8.2.2电测试压力计
霍尔式压力传感器工作原理及结构
霍尔式压力传感器工作原理及结构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的大小随被测压力户变化达到转换目的。
(1)压力一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黄管时，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霖尔片位移，施加在霍尔片的磁感应强度B不同，又保证霍尔片位移一磁感应强度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，如图2-12所示。
(3)霍尔片位移-霍尔电势转换由图2-12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上产生的霖尔电势也大小相等、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，则翟尔片偏离极靴间的中央平衡位置。
橄尔片两半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报尔片的位移成线性关系.即实现了霍尔片位移和报尔电势的线性转换。
2.霍尔式压力传感器的结构常见的霖尔式压力传感器有YSH-1型和YSH-3型两种。
图2-13所示为YSH-3型压力传感器结构示意图。
被测压力由弹赞管1的固定端引入，弹赞管自由端与霍尔片3相连接，在霍尔片的上下垂直安放着两对磁极，使狱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护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I必须保持恒定.为此，霍尔式压力传感器一般采用两级申联型稳压电源供电，以保证控制电流了的恒定。
霍尔式传感器-霍尔压力变送器
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• 一．霍尔无刷电动机
• 传统地直流电动机使用换向器来改变转子(或定子)电枢电流 地方向,以维持电动机地持续运转。霍尔无刷电动机取消了 换向器与电刷,而采用霍尔元件来检测转子与定子之间地相 对位置,其输出信号经放大,整形后触发电子电路,从而控制 电枢电流地换向,维持电动
• 机地正常运转
霍尔式无刷电动机
二．开关集成霍尔传感器
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件,稳压 电路,放大器,施密特触发器,OC门（集电极开 路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外 加磁场强度超过规定地工作点时,OC门由高 阻态变为导通状态,输出变为低电;当外加磁场 强度低于释放点时,OC门重新变为高阻态,输 出高电。较典型地开关型霍尔器件如UGN三 0二0等。
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二．开关集成霍尔传感器
开关型霍尔集成电路 （OC门输出）地接线
请按以下电路,将下一页地有关元件连接起来.
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开关型霍尔集成电路 与继电器地接线
?
开关型霍尔集成电路地史密特输出特
回差越 大,抗振动 干扰能力就 越强。
当磁铁从远到近地接近霍尔IC,到多少特斯拉时输出翻转 ？当磁铁从近到远地远离霍尔IC,到多少特斯拉时输出再次翻 转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（Gs）？
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电动自行车地无刷电动机及控制电路
利用 PWM调
速
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去速度 控制器
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光驱用地无刷电动机内部结构
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二．霍尔传感器在扫地机器地应用
• 电机是取决于吸力大小最关键地一点,市面上地扫地机采用 地电机不外乎两种:有刷电机与无刷电机。有刷电机地换向 一直是通过石墨电刷与安装在转子上地环形换向器相接触 来实现地,但是会随着时间地推移,后续会产生各种问题,维 修成本较大。
第11讲 压力检测(霍尔式)
当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍 尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而 使霍尔式传感器产生温度误差。
2 8
传感器与检测技术教程
减小霍尔元件的温度误差
选用温度系数小的元件
采用恒温措施 采用恒流源供电
2 9
恒流源温度补偿
传感器与检测技术教程
霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的 变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与 温度的关系
2 5
1. 不等位电势误差的补偿
传感器与检测技术教程
可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位
电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。
2 6
不等位电势的补偿
传感器与检测技术教程
不等位电势的补偿电路
2 7
2. 温度误差及其补偿
温度误差产生原因：
传感器与检测技术教程
霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变 化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和 霍尔系数都是温度的函数。
2 1
霍尔元件的主要技术指标
热阻
传感器与检测技术教程
RQ
它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上 输入 lmW 的电功率时产生的温升，单位为C／ mW。 所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定 条件下与电阻有关。
2 2
3.6.2 霍尔式压力计工作原理
传感器与检测技术教程
产生线性磁场的磁极
3 1
恒流源温度补偿电路
传感器与检测技术教程
当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时， 旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的 控制电流
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3.6.4 应用
测量原理：
传感器与检测技术教程
压力检测方法
解 仪表量程选择 空压机的缓冲罐的压力视为脉动压力
Ff Kf I0
根据就地观察及能进行高低报警的要求，可选用YX-150型电接点压
力表，测量范围为0 ～ 40MPa。
检验量程下限
No Image
被测压力的最小值不低于满量程的1/3，符合要求。
最大引用误差
No Image
所以选择测量范围为0 ～ 40 Mpa，精度等级为1.5级的YX-150型电接点压力表。
压力检测方法
主要内容
❖液柱测压法
➢压力检测方法 ❖弹性变形法
❖电测压力法
❖弹簧管压力表 ❖霍尔式压力表 ❖差压（压力）变送器
➢压力检测仪表 ✓力平衡式压力变送器
✓微位移式变送器 ✓智能差压（压力）变送器
FAP
压力检测方法及仪表
➢压力的基本概念
垂直而均匀地作用在单位面积上的力
0.810%0 2% 40
MFlFl 弹
性
元
件
结
构
和 特 点
i i1 12
压力检测方法及仪表
弹簧管压力表
刻度盘
中心齿轮 弹簧管
QxKxPAx 游丝
S AP C
指针 扇形齿轮
拉杆 调整螺钉
接头
压力检测方法及仪表
➢电测压力法
测量原理 利用转换元件（如某些机械和电气元件）直接把被测压力变换为电信号来 进行测量的。 1. 弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转换成相应的 电信号，如电阻式、电感式、电容式、霍尔片式、应变式、振弦式等； 2. 非弹性元件组成的快速测压元件，主要利用某些物体的某一物理性质 与压力有关，如压电式、压阻式、压磁式等。
式中 Ｐ——压力（Pa） Ｆ——均匀垂直作用力（N） Ｓ——受力面积（m2）
霍尔测试原理
霍尔测试原理霍尔测试原理是指利用霍尔效应来进行电气测量的一种方法。
霍尔效应是指当导体中的电流通过时，如果在导体上加上一个磁场，就会产生一种电压。
这种电压被称为霍尔电压，它与磁场的大小和方向成正比。
利用这种效应，可以测量电流、磁场和导体的性质。
霍尔测试原理在电子、电气领域有着广泛的应用，下面将详细介绍霍尔测试原理的相关知识。
首先，我们来了解一下霍尔效应的基本原理。
当导体中有电流通过时，电子会受到洛伦兹力的作用，从而导致电子在导体中的移动方向发生偏转。
如果在导体上加上一个垂直于电流方向的磁场，那么受到洛伦兹力的作用，电子就会在导体中产生一个偏转运动，最终导致导体上出现一种电压，这就是霍尔电压。
霍尔电压的大小与电流、磁场的大小和导体的性质有关，可以通过测量霍尔电压来获取这些信息。
在实际的应用中，我们可以利用霍尔测试原理来测量电流。
通过将霍尔元件置于电流所在的导体中，当电流通过时，霍尔元件上就会产生霍尔电压。
通过测量霍尔电压的大小，就可以得到电流的大小。
这种方法可以实现对电流的非接触式测量，具有很高的精度和稳定性。
除了测量电流，霍尔测试原理还可以用于测量磁场。
当导体中有电流通过时，如果在导体周围加上一个磁场，就会产生霍尔电压。
通过测量霍尔电压的大小和方向，就可以获取磁场的大小和方向。
这种方法在磁场测量领域有着广泛的应用，可以实现对磁场的精确测量。
此外，霍尔测试原理还可以用于测量导体的性质。
由于霍尔电压的大小与导体的性质有关，可以通过测量霍尔电压的大小来获取导体的电阻率、载流子浓度等信息。
这对于研究材料的电学性质和导体的质量控制具有重要意义。
总的来说，霍尔测试原理是一种非常重要的电气测量方法，它可以实现对电流、磁场和导体性质的精确测量。
在实际的应用中，霍尔测试原理已经被广泛应用于电子、电气领域，为工程技术和科学研究提供了重要的手段。
通过深入了解霍尔测试原理的相关知识，可以更好地掌握这一测量方法的原理和应用，为相关领域的研究和应用提供有力的支持。
霍尔式压力表
霍尔式压力表
霍尔式压力表是一种基于霍尔效应的压力测量仪表。
这种仪表利用霍尔元件的磁电阻效应来测量压力。
当压力作用在霍尔元件上时，会产生一个电信号，这个电信号与压力的大小成比例关系。
通过测量这个电信号，就可以得到压力的大小。
霍尔式压力表的优点包括高精度、高可靠性、低误差、低漂移、低功耗、长寿命等。
此外，这种仪表还具有体积小、重量轻、易于安装和维护等特点，因此在工业控制、流体测量等领域得到了广泛应用。
需要注意的是，霍尔式压力表在使用过程中需要定期进行校准和维护，以确保其测量准确性和可靠性。
同时，在选择霍尔式压力表时，需要根据实际应用需求和工况条件进行选型，以确保其能够正常工作并达到所需的测量精度。
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载流子受洛仑兹力
FL e B
e ＝ 1.602×10-19 为电子电荷量
霍尔电场强度 电场力
UH EH b
FE eEH
6
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平衡状态 FE FL 0
eEH evB
EH vB
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霍尔元件的主要技术指标
热阻
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RQ
它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上 输入 lmW 的电功率时产生的温升，单位为C／ mW。 所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定 条件下与电阻有关。
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3.6.2 霍尔式压力计工作原理
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产生线性磁场的磁极
U H EH b Bbv
因为
I nve bd
n 为N型半导体中的电子浓度
电子运动平均速度
I v bdne
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可得
1 IB UH ne d IB RH d K H IB
RH ——霍尔常数，由载流材料物理性质决定。 I ——控制电流强度 B ——磁感应强度 d ——霍尔元件厚度
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1. 不等位电势误的补偿
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可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位
电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。
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不等位电势的补偿
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不等位电势的补偿电路
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2. 温度误差及其补偿
温度误差产生原因：
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霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变 化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和 霍尔系数都是温度的函数。
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3.6.3 霍尔元件误差及补偿
1. 不等位电势误差的补偿 2. 温度误差及其补偿
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不等位电势和不等位电阻
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不等位电势Uo
：当霍尔元件的控制电流为 额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为 零，测得的空载霍尔电势。 不等位电势是由霍尔电极 2 和 2′之间的 电阻决定的，ro 称不等位电阻
当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍 尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而 使霍尔式传感器产生温度误差。
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减小霍尔元件的温度误差
选用温度系数小的元件
采用恒温措施 采用恒流源供电
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恒流源温度补偿
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霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的 变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与 温度的关系
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霍尔元件的主要技术指标
额定激励电流
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IH
使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流值称为额定激 励电流。通常用IH 表示。
输入电阻
Ri
它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温 (20±5℃)的环境温度中测取。
输出电阻
Rs
它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(20±5℃) 的条件下测取。
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恒流源温度补偿电路
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当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时， 旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的 控制电流
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3.6.4 应用
测量原理：
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霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是 位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映 霍尔元件的位置。
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第11讲 霍尔式压力传感器 Hall Pressure Sensors
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2
Edwin Herbert Hall
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霍尔效应是磁电效应的一种， 这一现象是美国物理学家霍尔 （E. H. Hall，1855—1938）于 1879年在研究金属的导体热电机 理时发现的。 当电流垂直于外磁场通过导 体时，在导体的垂直于磁场和电 流方向的两个端面之间会出现电 势差，这一现象便是霍尔效应。 这个电势差也被叫做霍尔电势差。
3
Edwin Herbert Hall (1855-1938)
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洛仑兹力
FL evB
B
磁感应 强度
控制电流
FL v FE
I UH
电子速度
霍尔电势
电场力
FE eEH
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半导体薄片置于磁场 B 中，当它的电流 I 方向与
磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和 磁场方向的两个面之间产生电动势 UH ，这种现 象称 霍尔效应。
应用：
位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度
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产生梯度磁场的示意图
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位移量较小，适于测量微位移和机械振动
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霍尔式压力传感器
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1. 弹簧管 2. 磁铁 3. 霍尔片
3 5
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加速度传感器
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传感器与检测技术教程
2 0
霍尔元件的主要技术指标
不等位电势及零位电阻
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r0
当霍尔元件通以控制电流 IH 而不加外磁场时， 它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电 势就称为不等位电势(或零位电势)。
寄生直流电势
V
当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时， 霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。 其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应， 而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电 势V。
并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直 流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达 1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。
例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为
电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开 方、乘方以及微积分等运算的运算器等。
1 1
霍尔元件
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另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出 极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为 外壳。
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霍尔元件
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图(b) 是霍尔元件通用的图形符号
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霍尔元件
图(c)
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霍尔电极在基片 上的位置及它的宽度 对霍尔电势数值影响 很大。通常霍尔电极 位于基片长度的中间， 其宽度远小于基片的 长度。
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霍尔常数
1 RH ne
霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：
金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍 尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。 霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。
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U H K H BI
RH 1 KH d ned
图(d)是基本测量电
路。
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霍尔元件
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霍尔元件结构: 霍尔片，四极引线，壳体
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测量电路
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霍尔元件的基本测量电路如图所示。 激励电流
由电源E供给，可变电阻 RP 用来调节激励电流I 的大小。RL 为输出霍尔电势 UH 的负载电阻。通 常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。
霍尔元件灵敏度
半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度） 比空穴迁移率高
因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件
1 0
霍尔传感器的特点
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霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基
于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感 器。
由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，
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1 2
霍尔元件
霍尔元件材料
1．锗(Ge)，N型及P型均可。 2．硅(Si)，N型及P型均可。
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3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相
似。
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霍尔元件
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霍尔元件
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霍尔元件
图(a)中，从矩 形薄片半导体基 片上的两个相互 垂直方向侧面上， 引出一对电极， 其中1-1电极用 于加控制电流， 称控制电极。
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K H K HO (1 T )
KH0 为温度T0时的KH值； △T 温度变化量； 霍尔电势的温度系数。
3 0
传感器与检测技术教程
• 大多数霍尔元件的温度系数是正值时，它们的霍尔电 势随温度的升高而增加(1+ △t )倍。 • 同时，让控制电流 I 相应地减小，能保持 KHI 不变就抵 消了灵敏系数值增加的影响。