化工測量及儀表第3章

1、 表壓力與真空度：表壓力與真空度： 絕對壓力絕對壓力：被測量壓力與真空的差值稱為絕對壓力。被測量壓力與真空的差值稱為絕對壓力。被測壓力大于大氣壓力時，稱被測壓力與大氣壓力差值被測壓力大于大氣壓力時，稱被測壓力與大氣壓力差值為表壓力，當被測壓力小于大氣壓力時，稱其差值為真空度為表壓力，當被測壓力小于大氣壓力時，稱其差值為真空度或負壓?；蜇搲骸?.2.2 彈性元件在壓力測量中的應(yīng)用彈性元件在壓力測量中的應(yīng)用 CXF 膜片和膜盒彈簧管波紋管實物示例實物示例 被測壓力由接頭被測壓力由接頭9引入，迫使彈簧管引入，迫使彈簧管1的自由端的自由端B向右上方擴張移動。自由端向右上方擴張移動。自由端B的彈性變形位

2、移由拉桿的彈性變形位移由拉桿2使扇形齒輪使扇形齒輪3做逆時針偏轉(zhuǎn)，于是指針做逆時針偏轉(zhuǎn)，于是指針5通過同軸的通過同軸的中心齒輪中心齒輪4帶動而做順時針偏轉(zhuǎn)，從而帶動而做順時針偏轉(zhuǎn)，從而在面板在面板6的刻度標尺上顯示出被測壓力的刻度標尺上顯示出被測壓力p的數(shù)值。由于自由端的位移與被測壓力的數(shù)值。由于自由端的位移與被測壓力之間具有比例關(guān)系，因此彈簧管壓力表之間具有比例關(guān)系，因此彈簧管壓力表的刻度標尺是線性的。的刻度標尺是線性的。 游絲游絲7是用來克服扇形齒輪和中心是用來克服扇形齒輪和中心齒輪的間隙所產(chǎn)生的儀表變差的。改變齒輪的間隙所產(chǎn)生的儀表變差的。改變調(diào)整螺釘調(diào)整螺釘8的位置的位置(即改變機械傳

3、動的放即改變機械傳動的放大倍數(shù)大倍數(shù))，可以實現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。，可以實現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。2022-2-2111（1）彈簧管）彈簧管 扁平、中空，橫截面為橢圓形，一端固扁平、中空，橫截面為橢圓形，一端固定定 ，另一端為自由端，另一端為自由端, 弧度為弧度為270。（2） 齒輪、杠桿傳動機構(gòu)齒輪、杠桿傳動機構(gòu)（3） 游絲：克服齒輪間的間隙游絲：克服齒輪間的間隙, 減少減少變差變差(說明變差產(chǎn)生原因說明變差產(chǎn)生原因)。（4） 指針、表盤：顯示指針、表盤：顯示原理圖2022-2-21122. 當彈簧管剛度、幾何形狀確定，量程應(yīng)如何調(diào)整？當彈簧管剛度、幾何形狀確定，量程應(yīng)如何調(diào)整？彈簧管初始幾何形

4、狀（角度、截面）、彈簧管初始幾何形狀（角度、截面）、剛度（材料、壁厚）剛度（材料、壁厚）改變放大機構(gòu)的放大倍數(shù)。改變放大機構(gòu)的放大倍數(shù)。調(diào)整拉桿與扇形齒輪連接點（調(diào)整螺釘）調(diào)整拉桿與扇形齒輪連接點（調(diào)整螺釘）3.具有均勻壁厚的圓形彈簧管能具有均勻壁厚的圓形彈簧管能否否作為測壓元件作為測壓元件？不能不能 應(yīng)變式壓力傳感器ALRAALLRRddddALRDDAAd2dLLDDdd式中 材料的泊松系數(shù) dLL金屬電阻絲的軸向應(yīng)變 。dd)21 (dLLRR電阻的相對變化量忽略電阻率變化影響KRR)21 (d)21 (dAALLRRdddd 對于半導(dǎo)體材料而言，因為半導(dǎo)體材料幾何尺寸對電阻的變化率影響

5、很小，故上式的后兩項可以忽略不計，也就是說，半導(dǎo)體電阻的變化率主要是由d引起的，這一現(xiàn)象也稱為壓阻效應(yīng)。 對于半導(dǎo)體單晶在沿縱向受力時，電阻率的變化為：Ed 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)； E 材料的彈性模量： 縱向應(yīng)變。所以應(yīng)變引起的電阻變化率為KERRd式中K=E，稱為半導(dǎo)體靈敏系數(shù) 利用金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)，可將形變轉(zhuǎn)換為電阻變化，工程上使用的傳感器的傳感器稱為金屬應(yīng)變片，簡稱應(yīng)變片，它是利用極細的金屬絲附著在絕緣的薄片上制造而成的。 應(yīng)變片使用時有方向性，測量時應(yīng)變方向應(yīng)該與敏感柵的軸向（縱向）一致，這樣才能產(chǎn)生較大的信號輸出，如果應(yīng)變方向垂直于敏感柵的軸向，應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻變化非常微小，無法測

6、量?？v向（軸向）橫向 應(yīng)變式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)有許多種形式，現(xiàn)僅以應(yīng)變筒的結(jié)構(gòu)為例介紹其測壓原理。如圖所示，應(yīng)變筒1的上端與外殼2固定在一起，它的下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，兩片應(yīng)變片R1和R2分別用粘合劑粘貼在應(yīng)變筒的外壁上。Rl沿應(yīng)變筒的徑向貼放，R2沿應(yīng)變筒的軸向貼放，要求應(yīng)變片與筒體之間不會發(fā)生滑動現(xiàn)象，并且保持電氣絕緣。 當被測壓力p作用于不銹鋼膜片3上而使應(yīng)變筒作軸向受壓變形時，沿軸向貼放的應(yīng)變片R2，產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變，其阻值變??；而應(yīng)變筒在受到軸向壓縮變形的同時，徑向產(chǎn)生拉伸變形，那么沿著徑向貼放的應(yīng)變片Rl將引起拉伸應(yīng)變，其阻值增大。利用兩個應(yīng)變片，結(jié)合固定電阻構(gòu)成直流惠斯登

7、電橋，可將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓信號進行遠傳和標準化處理。 低壓腔低壓腔低壓腔低壓腔高壓腔高壓腔高壓腔高壓腔 壓阻式壓力傳感器主要由壓阻芯片和外殼組成。如圖所示為典型的壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。壓阻芯片采用周邊固定的硅杯結(jié)構(gòu)，封裝在外殼內(nèi)，硅膜片上的擴散電阻接成電橋形式，用引線引出。構(gòu)成全橋的四片電阻條中，有兩片位于受壓應(yīng)力區(qū)，另外兩片位于受拉應(yīng)力區(qū)，彼此的位置相互對稱于膜片中心。硅膜片兩邊有兩個壓力腔，一個是和被測壓力相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，通常是小管和大氣相通。 )1 (00ttRR 彈性構(gòu)件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響 應(yīng)變片使用時必須和可產(chǎn)生形變的

8、彈性構(gòu)件粘貼在一起。當彈性構(gòu)件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時，不論環(huán)境溫度如何變化，電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣，不會產(chǎn)生附加變形。當彈性構(gòu)件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻。 當二者粘貼在一起時，由于受溫度變化t影響產(chǎn)生的變形不同，電阻絲產(chǎn)生的附加電阻變化RL為 tRKRKR)(Sg0000L式中K0為與材料有關(guān)的固定系數(shù)，R0為應(yīng)變片的初始阻值。 設(shè)電阻絲和彈性構(gòu)件在溫度為0時的長度均為L0，它們的線膨脹系數(shù)分別為S和g 。 由于溫度變化而引起應(yīng)變片總電阻相對變化量為： S和g分別為應(yīng)變片和彈性構(gòu)件的線膨脹系數(shù)，0 為電阻絲材料的溫度系數(shù)

9、。 由上式可知，因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)以及彈性構(gòu)件線膨脹系數(shù)有關(guān)。 為了避免環(huán)境溫度對測量的影響，需要在進行應(yīng)變片信號轉(zhuǎn)換時，通過測量電路進行溫度補償，以減小環(huán)境溫度帶來的系統(tǒng)誤差。ttKtKtRRRRR)()(Sg00Sg000Lt0彈性構(gòu)件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響 如211RRUI432RRUIURRRU211acURRRU433bc電路分析?URRRRRRRRUUU)(43213241bcaco4321RRRRnRRRR14321URRRRRRRRRRRRU)()(4433221122121o)()1 (443

10、322112oRRRRRRRRUnnU)()1 (2unfUnnK0)1 ()1 ()( 42nnnf RRRRUURRRURRRRRRRURRRRRRRRUUU)21 (4)2(2)2(2)()(243213241bcacoRRUU4o 差動電橋有兩種結(jié)構(gòu)，分別稱為半橋和全橋。 半橋電路又稱雙臂電橋，結(jié)構(gòu)如圖所示，相鄰橋臂為兩個相同類型的應(yīng)變片傳感器，分別定位于彈性構(gòu)件適當?shù)奈恢蒙稀．攺椥詷?gòu)件產(chǎn)生形變時，兩個應(yīng)變片受到效果相反的作用，即一個應(yīng)變片受拉伸作用時，另一個應(yīng)變片受變化量相同的壓縮作用。其電阻變化情況，一臂為R1+R1，而另一臂為R2R2。由于R1=R2=R3=R4=R，而R1=R2

11、=R，所以 可見，由于差動的補償作用，從理論角度而言，引起非線性誤差的因素互相抵消；同時輸出信號的靈敏度較單臂電橋提高了一倍。 RRUURRRRRRRRUUU2)(43213241bcaco 四個橋臂均由參與測量的應(yīng)變片元件組成，其相鄰橋臂的應(yīng)變片，在彈性構(gòu)件產(chǎn)生形變時，兩個應(yīng)變片受到效果相反的作用。橋路輸出與應(yīng)變片阻值變化的關(guān)系為：RRUUo 可見全橋電路的靈敏度是半橋的2倍，同時全橋電路同樣具有差動電橋的非線性誤差和溫度誤差的補償功能。 AD693AD693是ADI公司推出的一種單片信號調(diào)理器，它具有高精度、多功能的特點。其用途十分廣泛，使用也非常靈活，不僅可用作小信號uI轉(zhuǎn)換器，還可作為

12、各種傳感器(例如鉑熱電阻、熱電偶、電阻應(yīng)變片測量電橋)的信號調(diào)理器。AD693適用于傳感測試系統(tǒng)、工業(yè)過程控制及自動化儀表領(lǐng)域。 AD693的性能特點 1)內(nèi)含可編程輸入放大器、UI轉(zhuǎn)換器和多路輸出式基準電壓源。 2)輸出電流有三種形式：420 mA(單極性)，020 mA(單極性)，128mA(雙極性)。 3)輸入電壓范圍和電流零點均可單獨調(diào)節(jié)，二者互不影響。 4)高精度。 5)利用芯片中的備用放大器，可對由鉑熱電阻(PRTD)、各種熱電偶及電阻應(yīng)變片橋路所產(chǎn)生的信號進行調(diào)理(包括緩沖、放大、與其他信號進行組合等)。備用放大器具有電流輸出和電壓輸出兩種能力，能為外部傳感器提供激勵。 6)具有

13、過電流保護和反向過電壓保護功能。 AD693內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖：可編程輸入放大器(A1)UI轉(zhuǎn)換器輸出級(晶體管VT1)基準電壓及精密分壓器、保護二極管(VD)備用放大器(A2)備用輸出級(高增益達林頓管VT2)。 AD693作為電阻應(yīng)變片測量信號處理電路的連接原理圖 電容式壓力傳感器dAC0)1 ()1 (0CdACx式中 Cx 角位移為時的電容量，即被測壓力對應(yīng)的電容量。 當無被測壓力時， = 0，兩極板面積重合，其電容量為：當有被測壓力時， 0，則(1)改變極板相對覆蓋面積A 如圖所示，1為動極板，2為定極板，為被測壓力引起的電容器動極板的角位移。當動極板有一個角位移變化時，與定極板的覆蓋面

14、積改變，從而改變了兩極板之間的電容量。(2)改變極板間極距d 如圖3-4-2(b)所示，1為動極板，2為定極板，3為彈性元件，p為被測壓力。當動極板產(chǎn)生x的位移變化時，改變了兩極板的間距，從而會引起電容量的變化。電容量C與極板間距d不是線性關(guān)系，而是雙曲線關(guān)系。 )1 (0dxCxdACx 此時Cx與位移x近似線性關(guān)系，當d較小時，對于同樣x變化所引起的電容變化量C可增大，使傳感器的靈敏度提高。 當p=0時，動極板的位移x=0，兩極板間距為d，電容量為C0，表達式同式(3-4-2)。當p0時，動極板會產(chǎn)生位移，使極板間距減小x，則電容量為)1 (dxdAxdACx當xd時，可近似為 變極距式電

15、容傳感器利用彈性元件的形變改變電容極距，以產(chǎn)生于形變相關(guān)的電容變化。它具有較高的靈敏度，但是極距d與電容量C之間的函數(shù)關(guān)系是非線性的，如果采用近似線性化的處理方法，會產(chǎn)生一定的非線性誤差。 為了進一步提高測量的精度和靈敏度，常采用差動結(jié)構(gòu)來組成傳感器。采用差動電容法的好處是靈敏度高、可以減小非線性影響，并且可以減小由于介電常數(shù)受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。 差動式電容原理如右圖所示?？傒敵鲭娙轂閮呻娙荽?lián)，即dxdxCC10)()()(1 4320dxdxdxdxdxCCdxdxCC10)()()(1 4320dxdxdxdxdxCC)(2)(21 24221dxdxdxCCCCCC 設(shè)初始時Cl

16、=C2=C0 ，當中間的動極板移動x時，一邊極距減小，Cl-C；一邊極距增大，C2+C。電容C2的容量變化為：電容C1的容量變化為：當xdl時，可利用泰勒級數(shù)將上兩式展開 可見，式中不含有奇次項，故非線性影響大大減小，而靈敏度卻提高了1倍。 基于上述特點，變極距式壓力傳感器基本上采用了差動方式。電容式差壓傳感器的如右圖所示。左右對稱的不銹鋼基座2和3的外側(cè)加工成環(huán)狀波紋溝槽，并焊上波紋隔離膜片1和4?；鶅?nèi)側(cè)有玻璃層5，基座和玻璃層中央開有孔，使隔離膜片1、4與測量膜片7連通。玻璃層內(nèi)表面磨成凹球面，球面除邊緣部分外鍍有一層金屬膜6，金屬膜電容的左、右定極板經(jīng)導(dǎo)線引出，與測量膜片7(即動極板)

17、構(gòu)成兩個串聯(lián)電容C1和C2。測量膜片為彈性子膜片被夾入和焊接在基座中央，將空間分隔成左、右兩部分，并在測量膜片分離的左、右空間中充入硅油。隔離膜片與殼體構(gòu)成左、右兩個測量室，稱為正、負壓室(即高、低壓室)。當分別承受高壓p1和低壓p2時，硅油的不可壓縮性和流動性便將差壓p=p1-p2，傳遞到測量膜片的兩側(cè)。 無壓差時，左、右兩側(cè)初始電容均為C0；有壓差時，動極板變形到虛線位置，它與初始位置之間的假想電容為CA，虛線位置與低壓側(cè)固定極板之間的電容為C2，與高壓側(cè)定極板之間的電容為C1，因此由電容串聯(lián)公式可得 pKCCCCCC1A01212 差動電容的變化值與壓力差成正比 變面積式壓力傳感器原理如

18、下圖所示。被測壓力作用在金屬膜片1上，通過中心柱2和支撐簧片3，使可動電極4隨簧片中心位移而動作?？蓜与姌O4與固定電極5都是金屬材質(zhì)加工成的同心多層圓筒構(gòu)成的，斷面呈梳齒形，其電容量由兩電極交錯重疊部分的面積所決定。 固定電極的中心柱6經(jīng)絕緣支架7與外殼之間絕緣，可動電極則與外殼導(dǎo)通。壓力引起的極間電容變化由中心柱引至電子線路，變?yōu)?20mA直流信號輸出。 對于電容式傳感器的靈敏度和非線性的分析，在一定情況下都可以將電容式傳感器看作為純電容器。通常，多數(shù)的電容器的損耗可以忽略，在工作頻率低的時候其電感效應(yīng)也是可以忽略的。當電容器的損耗和電感效應(yīng)不能被忽略的時候，電容式傳感器的等效電路就要重新考

19、慮。 上圖所示從左至右依次為電容傳感器在一般情況、低頻信號、高頻信號情況下的等效電路。 調(diào)頻測量電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分。當被測量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化。 雖然可將頻率作為測量系統(tǒng)的輸出量，用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄下來。調(diào)頻測量電路原理框圖如下圖所示。 調(diào)頻信號的頻率變化與電容變化成一定的函數(shù)關(guān)系。 LCf21當被測信號為零時，C=0，振蕩器存在固有振蕩頻率f0：)(21010CCCLfi)(2101CCCCLfiff0 調(diào)頻振蕩器原理圖如

20、右圖所示，其振蕩頻率為式中： L 振蕩回路的電感；C 振蕩回路的總電容，C=C1+Ci+C0C；C1+Ci 振蕩回路固有電容和傳感器引線分布電容； C0C 傳感器的電容。當電容容量發(fā)生變化時，C0，振蕩器振蕩頻率為f 含緊耦合電感臂的交流電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響小，大大簡化了電橋的屏蔽和接地，適合于高頻電源下工作。變壓器電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前在測量電容中較多采用。下圖（A）為兩種交流電橋的結(jié)構(gòu)示意圖，（B）為電橋測量電路的原理框圖。 （A）（B） 運算放大器的放大倍數(shù)K非常大，而且輸入阻抗Zi很高。運算放大器的這一特點可以使其作為電容式傳感器的比較理想的測

21、量電路。右圖是運算放大器式電路原理圖。Cx為電容式傳感器，C為固定電容，u是交流電源電壓，uo是輸出信號電壓。由運算放大器工作原理可知 UCCUxO 可見運算放大器的輸出電壓與動極板的板間距離d成正比。運算放大器電路解決了單個變極距型電容傳感器的非線性問題。這就從原理上保證了變極距型電容式傳感器的線性。如果電容傳感器是變面積式或變介電常數(shù)式，可交換C和Cx在電路中的位置，仍可使uo與被測參數(shù)的函數(shù)關(guān)系為線性。dACxdAUCUO又因為所以 二極管雙T型交流電橋電路原理圖如上圖所示。UE是高頻電源，它提供幅值為Ui的對稱方波，D1、D2為特性完全相同的兩個二極管，R1=R2=R，C1、C2為傳感

22、器的兩個差動電容。當傳感器沒有輸入時，C1=C2。電路工作原理如下： 當UE為正半周時，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，于是電容C1充電；在隨后負半周出現(xiàn)時，電容C1上的電荷通過電阻Rl，負載電阻RL放電，流過RL的電流為I1。在負半周內(nèi)，D2導(dǎo)通、D1截止，則電容C2充電；在隨后出現(xiàn)正半周時，C2通過電阻R2負載電阻RL放電，流過RL的電流為I2。 輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1、C2的差值有關(guān)。當電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2的函數(shù)。 )()()()2()(21E21E2LLL2c1cLL0CCKfUCCTURRRRRRIIRRRRU在負載RL上產(chǎn)

23、生的電壓為 差動脈沖調(diào)寬電路又稱脈沖調(diào)制電路，如右圖所示，利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨傳感器電容量變化而變化。當C1=C2時，輸出電壓Uo為等寬矩形波；當C1C2時，Uo為不等寬矩形波，其占空比的變化和差動電容的容量變化有關(guān)。通過低通濾波器就能得到對應(yīng)被測電容量變化的直流信號。 設(shè)傳感器為差動電容傳感器，分別為C1和C2。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的輸出端A為高電位時，B端為低電位，則其通過R1對C1充電。當充到C點電位高于參比電位Uf時，比較器A1翻轉(zhuǎn)，將使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。在翻轉(zhuǎn)前，B點為低電位，電容C2通過二極管VD2迅速放電，D點電位迅速降為零值。一旦雙穩(wěn)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后，A點變?yōu)榈碗娢?，B

24、點變?yōu)楦唠娢?。這時將在反方向上重復(fù)上述過程，即C2充電，C1放電。 對于脈沖寬度調(diào)制電路，不論是改變差動平行板電容的極板間距離，還是改變差動電容極板面積，其變化量與輸出電壓之間均成線性關(guān)系。101212112121oUdxUddddUCCCCU12121oUCCCCU101212112121oUAsUAAAAUCCCCU 當R1= R2時，可推導(dǎo)出電路中A、B兩點之間電壓的直流分量Uo為 式中 U1雙穩(wěn)觸發(fā)器的高電平電壓。當差動電容傳感器為變間隙式時當差動電容傳感器為變面積式時 CS2001是集成化的電容傳感器專用信號調(diào)理電路，可將傳感器的電容量直接轉(zhuǎn)換成直流電壓信號輸出，外圍電路簡單，使用方

25、便。它采用電荷補償反饋環(huán)的原理，當電容傳感器為差動形式且中心值為25pF時，靈敏度最高，達200mVpF,，對于單電容傳感器，只需再加一個相同標稱值的固定參比電容，即可構(gòu)成準差分輸入式的電容傳感測量電路。 CS200l的典型應(yīng)用電路 其內(nèi)部電路框圖如上圖所示，主要包括加法器、放大器A1、定時器、低通濾波器和放大器A2。各引腳的功能如下：UDD、USSD分別接電源的正、負極。USSA為模擬電路的負電源端，該端與USSD端可一同接到電源的負極USS上。AGND為模擬地。 Uo為模擬電壓輸出端，UM為充電補償回路的輸出端(未經(jīng)過緩沖器)。CF為帶寬調(diào)節(jié)端，在UM、CF端之間接上電容CF即可調(diào)節(jié)帶寬。

26、OFADJ為失調(diào)電壓調(diào)整端。C1、C2分別接電容式傳感器的高端、低端，CM為C1、C2的公共端。 2022-2-21592022-2-21602022-2-2161信號：信號： 統(tǒng)一信號統(tǒng)一信號連接：四線制、連接：四線制、 兩線制兩線制 兩線制與四線制變送器相比，具有三個優(yōu)點：兩線制與四線制變送器相比，具有三個優(yōu)點： 1、節(jié)省電纜和安裝費用。、節(jié)省電纜和安裝費用。 2、只需用一根穿線管道。、只需用一根穿線管道。 3、易燃易爆的環(huán)境中，只需另配一只安全柵。、易燃易爆的環(huán)境中，只需另配一只安全柵。 要實現(xiàn)兩線制傳輸，必須采用有活零點的電流信號，當變要實現(xiàn)兩線制傳輸，必須采用有活零點的電流信號，當變

27、送器輸出為零信號時，應(yīng)保證它內(nèi)部的半導(dǎo)體器件必須有正送器輸出為零信號時，應(yīng)保證它內(nèi)部的半導(dǎo)體器件必須有正常的工作點。國際統(tǒng)一電流信號采用常的工作點。國際統(tǒng)一電流信號采用420mADC。2022-2-216263 兩線制變送器要正常工作必須滿足如下條件：兩線制變送器要正常工作必須滿足如下條件： 1、變送器正常工作電流、變送器正常工作電流IIomin(4mA) 2、在下列電壓條件下，變送器能保持正常工作、在下列電壓條件下，變送器能保持正常工作 VT（EminIomax(RLmax+r)） VT 變送器最小端電壓變送器最小端電壓VT12V Emin 電源電壓的最小值電源電壓的最小值 Iomax 輸出

28、電流的上限值輸出電流的上限值 RLmax 變送器的最大負載電阻值變送器的最大負載電阻值 r 連接導(dǎo)線的電阻值連接導(dǎo)線的電阻值 如果負載電阻要增加，電源電壓需增大；反之，電源電壓可減少。如果負載電阻要增加，電源電壓需增大；反之，電源電壓可減少。 例如：電容式差壓變送器負載電阻為例如：電容式差壓變送器負載電阻為0600時，電源時，電源24V； 負載電阻為負載電阻為01650時，電源時，電源45V。 3、變送器的最小有效功率、變送器的最小有效功率P Iomin(EminIominRLmax)2022-2-21642022-2-2165 簡單的自感式傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖所示。它由線圈、鐵心和銜鐵三部分組

29、成。鐵心和銜鐵均由導(dǎo)磁材料制成。在鐵心與銜鐵之間為空氣隙，氣隙厚度為。壓力傳感元件與銜鐵相連，傳感元件的位移會引起空氣隙變化，從而改變磁路的磁阻，使線圈電感值發(fā)生變化。由電工學(xué)可知，線圈中的電感可以表示為M2RNL AAlRM012式中 l導(dǎo)磁體的長度； 導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率 0空氣的導(dǎo)磁率； A1導(dǎo)磁體的截面積 A氣隙的截面積； 氣隙的厚度。式中 N 線圈匝數(shù)； RM 磁路總磁阻。當空氣隙厚度較小時，可以忽略磁路的鐵損，總磁阻可以表示為一般導(dǎo)磁體的磁阻與空氣隙的磁阻相比要小的多，所以線圈的磁路總磁阻可以近似表示為AR0M2220ANL 由上式可知，當線圈匝數(shù)N確定之后，只要改變和A均可以引起電感L

30、的變化，因此自感式傳感器可分為改變氣隙厚度和改變氣隙面積兩種，改變氣隙厚度使用較廣泛。 而線圈的電感可表示為02002ANL)(2020ANL)()(20000200LANLLL)11()(0000LL 下面分析變氣隙式電感傳感器的輸出特性。設(shè)銜鐵處于起始位置時，初始氣隙厚度為0，對應(yīng)的初始電感為： 當銜鐵上移時，傳感器的氣隙減小=0-，對應(yīng)的電感量為電感的變化量為電感的相對變化量為 若 / 越小，非線性誤差越小，但這樣又會使得傳感器的測量范圍減小。自感式傳感器一般取 / =0.10.2。3020020000)()()(1 LL)(000LLLL302000)()(LL當/0 1時，上式可展開

31、成級數(shù)形式 同理，當銜鐵下移時，傳感器的氣隙增大，=0+，電感的變化量為同樣L L/L L0可展開成級數(shù)00LL 由上式可知L L/L L0與/0為非線性特性。但當/0 1 ，若忽略二次項以上的高次項，則有流電橋的相鄰橋臂，與另外兩個固定電阻組成交流電橋。U為橋路交流電源，U0為橋路交流輸出。 為了減少變氣隙式傳感器的非線性誤差，常采用限制測量范圍即減小銜鐵移動范圍的方法，構(gòu)成如圖所示的差動結(jié)構(gòu)。 起始位置時，銜鐵處于中間位置，上、下兩側(cè)氣隙相同，即1=2=0，則Z1=Z2=Z0，故橋路輸出電壓Uo=0，電橋處于平衡狀態(tài)。 它的特點是上、下兩個完全對稱的自感傳感器合用一個活動銜鐵，傳感器的兩只

32、電感線圈作為交 當銜鐵偏離中間位置，向上或者向下移動時，使兩只電感線圈的電感量一個增一個減，12。此時傳感器的電感變化量為：式中L0為銜鐵在中間位置時，單個線圈的初始電感量。53021)()(2LLLL 由于不存在偶數(shù)項，顯然其非線性遠小于單個電感傳感器。同時，它比單個傳感器的靈敏度提高了1倍。 當電橋失去平衡，橋路輸出U0的大小與銜鐵移動的大小成比例，其相位則與銜鐵移動的方向有關(guān)。 對于高Q值(Q=L0/R0，它是自感傳感器的品質(zhì)因數(shù)，Q值大表明線圈制造質(zhì)量好)的差動式傳感器，橋路輸出可近似表示為：橋路輸出電壓可表示為：000000000224LjRLjULLjRjUU式中 激勵電壓的角頻率

33、； Z0 單個電感線圈阻抗； R0 單個電感線圈電阻 上式表明橋路輸出電壓幅值與銜鐵位移量成正比，相位則與銜鐵移動方向有關(guān)。KUU002 變壓器式電橋結(jié)構(gòu)如右圖所示。圖中相鄰兩工作臂為Z1、Z2，是差動電感傳感器的兩個線圈的阻抗；另兩臂為變壓器次級線圈的兩半(每臂電壓為U/2)，輸出電壓取自A、B兩點。 假定0點為零電位，且傳感器線圈為高Q值，其線圈電阻遠遠小于其感抗，即rL，則可以推導(dǎo)其輸出特性公式為UUZZZUUU21121BA0 在初始位置，即銜鐵位于差動電感傳感器中間時，由于兩線圈完全對稱，因此Z1=Z2=Z0，此時橋路平衡，即。 00U 當銜鐵上移時，上線圈阻抗增加，即Z1=Z+Z，

34、而下線圈阻抗減少，為Z1=Z-Z，此時輸出電壓為 UZZUUZZZU2211210因為在Q值很高時，線圈內(nèi)阻可以忽略，所以 ULLULjLjU22o同理銜鐵下移時，可推導(dǎo)出 ULLU2o 由此可見，銜鐵上移和下移時，輸出電壓相位相反，且隨L的變化輸出電壓也相應(yīng)地改變。據(jù)此，經(jīng)適當電路處理可判別位移的大小及方向。 右圖（a）為將感抗變化轉(zhuǎn)換為交流信號幅值的調(diào)幅電路。傳感器L與固定電容C、變壓器T串聯(lián)在一起，接入外接電源u后，變壓器的次級將有電壓u0輸出。輸出電壓的頻率與電源頻率相同，幅值隨L變化。 圖(b)所示為輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線，其中L0為諧振點的電感值。實際應(yīng)用時，可以使用特性曲線一

35、側(cè)接近線性的一段。這種電路的靈敏度很高，但線性度差，適用于對線性度要求不高的場合。(a) (b) 右圖（a）為將感抗變化轉(zhuǎn)換為交流信號幅值的調(diào)頻電路。把傳感器電感L和一個固定電容C接入一個振蕩回路中，其振蕩頻率為 當L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)頻率大小即可測出被測量值。圖（b）為頻率和電感變化的關(guān)系。 (a) (b) LCf21 右圖所示是變隙電感式壓力計的結(jié)構(gòu)圖。它由波紋管、鐵心、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。 當壓力進入波紋管時，波紋管的頂端在壓力p的作用下產(chǎn)生與壓力p大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流的大小反映

36、了被測壓力的大小。 右圖所示為變隙式差動電感壓力傳感器。它主要由彈簧管、銜鐵、鐵心和線圈等組成。 當被測壓力進入彈簧管時，彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動，使線圈l和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化，即一個電感量增大，另一個電感量減小。 電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。 互感式傳感器將被測的位移或形變轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化，這種傳感器是根據(jù)變壓器的原理進行轉(zhuǎn)換的，且次級繞組都是采用差動形式連接，故也稱為差動變壓器式傳感器。其結(jié)構(gòu)形式有多種，但工作原

37、理基本相同，現(xiàn)僅以目前采用較多的螺管式結(jié)構(gòu)為例進行介紹。 螺管式差動變壓器如圖所示。它由一個初級線圈、兩個次級線圈及鐵心組成。其結(jié)構(gòu)類似變壓器，初級線圈作為激勵相當于變壓器原邊；完全對稱的兩個次級線圈形成變壓器的副邊。差動變壓器為非閉合磁路，原、副邊之間的互感隨鐵芯移動作相應(yīng)的變化。 差動變壓器原理如圖所示。兩個次級線圈反相串聯(lián)，當初級線圈通以適當頻率的激勵電壓時，兩個次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓分別為U1和U2，它們的大小取決于鐵心的位置，輸出電壓為U0=U1-U2。當鐵心處于兩次級線圈的中間位置時， U1=U2 ，U0= 0；當鐵芯偏離中間位置向上(或向下)移動時，互感M1(或M2)增大，輸出電

38、壓U0 0 ，但向上和向下移動時的輸出電壓相位相差180。 差動變壓器的等效電路如圖所示。 圖中Lp、 Rp初級線圈電感和損耗電阻； M1、M2 初級線圈與兩個次級線圈之間的互感系數(shù)； Up 激勵電壓； U0 輸出電壓； LS1、LS2 兩個次級線圈的電感； RS1、RS2 兩個次級線圈的損耗電阻。 式中 激勵電壓的角頻率 根據(jù)變壓器原理，當次級開路時，初級線圈的交流電流為pppPLjRUI次級線圈的感應(yīng)電壓為 p11IMjUp22IMjU差動變壓器的輸出電壓為 ppp210)(LjRUMMjU2p2pp210)()(LRUMMU輸出電壓的有效值為 可見，當初級線圈結(jié)構(gòu)和激勵電壓一定，輸出電壓

39、主要由互感M1和M2的大小所決定。輸出電壓的相位反映了鐵心移動的方向；輸出電壓的幅值反映了鐵心移動的距離。 理想情況下，鐵心處于中間位置時，輸出電壓Uo=0。但實際上，由于兩個次級線圈結(jié)構(gòu)上的不完全對稱，以及激勵電壓中所含高次諧波等因素的影響，使得輸出電壓并不等于零，而是有一個微小電壓Ux，稱為零點殘余電壓，電壓值一般在幾十毫伏以下，必須設(shè)法消除，否則將會影響測量的精度。 差動整流電路將差動變壓器的兩個次級電壓分別整流，然后把整流后的電壓差值作為輸出。由圖所示，差動變壓器的兩個次級線圈分別接在了兩個獨立的電橋上進行全波整流，負載電阻均為R。無論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，兩個電橋之間的

40、連接使電路總的輸出必須為兩個整流橋路的的差值，即。 210UUU 整流輸出信號波形如下圖所示：(a)鐵芯無位移鐵芯無位移 (b)鐵芯上移鐵芯上移 (c)鐵芯下移鐵芯下移 AD598是集成化的差動變壓器信號調(diào)理電路，通過與差動變壓器的配合，可將機械位移轉(zhuǎn)換為單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。 AD598是一種完整的單片式線位移差動變壓器(LVDT)信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AD598與LVDT配合，能夠?qū)VDT的機械位置轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。AD598將所有的電路功能都集中在一塊芯片上，只要增加幾個外接無源元件，就能確定勵磁頻率和輸出電壓的幅值。在芯片內(nèi)部，AD598將LVDT處理的

41、次級輸出信號按比例地轉(zhuǎn)換成直流信號。 AD598各部分的功能框圖如圖所示。AD598內(nèi)部主要由初級激勵信號產(chǎn)生部分和次級傳感信號調(diào)理部分組成，前者包括用來產(chǎn)生LVDT初級勵磁信號的低失真正弦波振蕩器及其輸出放大器，后者包括接收LVDT次級輸出的兩個正弦信號的輸入級、除法器、濾波器及其輸出放大器，其中除法器的功能是將來自LVDT次級的這兩個信號之差除以這兩個信號之和。 霍爾元件 霍爾傳感器的傳感元件使用硅（霍爾傳感器的傳感元件使用硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge）、銻化銦（）、銻化銦（InSb）、）、砷化銦（砷化銦（InAs）等半導(dǎo)體材料制造。這類材料制造的半導(dǎo)體薄片，在磁場）等半導(dǎo)體材料制造。這類

42、材料制造的半導(dǎo)體薄片，在磁場和電流的共同作用下會產(chǎn)生和電流的共同作用下會產(chǎn)生“霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)”。 一個半導(dǎo)體薄片，若使控制電流一個半導(dǎo)體薄片，若使控制電流I通過它的通過它的兩個相對側(cè)面，在與電流垂直的另外兩個相對兩個相對側(cè)面，在與電流垂直的另外兩個相對側(cè)面施加磁感應(yīng)強度為側(cè)面施加磁感應(yīng)強度為B的磁場，那么在半導(dǎo)的磁場，那么在半導(dǎo)體薄片與電流和磁場均垂直的另外兩個側(cè)面上體薄片與電流和磁場均垂直的另外兩個側(cè)面上將產(chǎn)生電勢信號將產(chǎn)生電勢信號UH 。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，產(chǎn)生的電勢稱為霍爾電勢，其大小與控制電流產(chǎn)生的電勢稱為霍爾電勢，其大小與控制電流I與磁感應(yīng)強度與磁感應(yīng)強度

43、B的乘積成正比。的乘積成正比。 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。如圖所霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。如圖所示。假設(shè)在示。假設(shè)在N型半導(dǎo)體薄片的垂直方向上加一磁感應(yīng)強度為型半導(dǎo)體薄片的垂直方向上加一磁感應(yīng)強度為B的恒定磁場，的恒定磁場，在半導(dǎo)體薄片相對兩側(cè)加一控制電流在半導(dǎo)體薄片相對兩側(cè)加一控制電流I時，半導(dǎo)體材料中的電子運動由于受時，半導(dǎo)體材料中的電子運動由于受到洛倫茲力的作用，而使電子運動的軌道發(fā)生偏移，沿圖中虛線所示的軌跡到洛倫茲力的作用，而使電子運動的軌道發(fā)生偏移，沿圖中虛線所示的軌跡運動，一個端面有電子積累顯負極型，另一個端面因失去電子

44、而顯正極性，運動，一個端面有電子積累顯負極型，另一個端面因失去電子而顯正極性，因此在與磁場因此在與磁場B和電流和電流I均垂直的兩個端面上出現(xiàn)電位差。均垂直的兩個端面上出現(xiàn)電位差。 霍爾電勢霍爾電勢UH的大小與半導(dǎo)體材料、控制電流的大小與半導(dǎo)體材料、控制電流I、磁感應(yīng)強度、磁感應(yīng)強度B以及霍爾以及霍爾元件的幾何尺寸等有關(guān)。可用下式表示元件的幾何尺寸等有關(guān)?？捎孟率奖硎?dIBRnedIBUHHdRKHHIBKUHH KH稱為霍爾元件的靈敏度，它表示了單位電流和單位磁場作用下，開稱為霍爾元件的靈敏度，它表示了單位電流和單位磁場作用下，開路時霍爾電勢的大小。它與元件的厚度成反比，霍爾片越薄，靈敏度系

45、數(shù)路時霍爾電勢的大小。它與元件的厚度成反比，霍爾片越薄，靈敏度系數(shù)就越大。但在考慮提高靈敏度的同時，必須兼顧元件的強度和內(nèi)阻。就越大。但在考慮提高靈敏度的同時，必須兼顧元件的強度和內(nèi)阻。 式中式中 I 控制電流；控制電流；B 磁感應(yīng)強度；磁感應(yīng)強度； n 半導(dǎo)體材料單位體積內(nèi)的電子數(shù)半導(dǎo)體材料單位體積內(nèi)的電子數(shù)； e 電子電量；電子電量；d 霍爾片厚度；霍爾片厚度； RH 霍爾常數(shù)，霍爾常數(shù)，RH=1/ne，它反映了，它反映了材料霍爾效應(yīng)的強弱，其大小由材料所決定材料霍爾效應(yīng)的強弱，其大小由材料所決定。，則得到，則得到設(shè)設(shè)(1)額定控制電流額定控制電流 當霍爾器件的控制電流使器件本身在空氣中產(chǎn)

46、生當霍爾器件的控制電流使器件本身在空氣中產(chǎn)生10溫升時，對應(yīng)的控溫升時，對應(yīng)的控制電流值稱為額定控制電流。以器件允許的最大溫升為限制，所對應(yīng)的控制制電流值稱為額定控制電流。以器件允許的最大溫升為限制，所對應(yīng)的控制電流值稱為最大允許控制電流。因霍爾電勢隨控制電流的增加而線性增加，電流值稱為最大允許控制電流。因霍爾電勢隨控制電流的增加而線性增加，所以實際應(yīng)用中總希望選用盡可能大的控制電流，因而需要知道器件的最大所以實際應(yīng)用中總希望選用盡可能大的控制電流，因而需要知道器件的最大允許控制電流。允許控制電流。(2)輸入電阻輸入電阻 指在沒有外磁場和室溫變化的條件下，電流輸入端的電阻值?；魻柶骷冈跊]有外

47、磁場和室溫變化的條件下，電流輸入端的電阻值?；魻柶骷ぷ鲿r需要加控制電流，這就需要知道控制電極間的電阻，即輸入電阻。工作時需要加控制電流，這就需要知道控制電極間的電阻，即輸入電阻。(3)輸出電阻輸出電阻 霍爾電極之間的電阻，稱輸出電阻。輸出電阻在無外接負載時測得?；魻栯姌O之間的電阻，稱輸出電阻。輸出電阻在無外接負載時測得。(4)乘積靈敏度乘積靈敏度SH 在單位控制電流在單位控制電流Ic和單位磁感應(yīng)強度和單位磁感應(yīng)強度B的作用下，霍爾器件輸出端開路的作用下，霍爾器件輸出端開路時測得的霍爾電壓時測得的霍爾電壓SH稱為乘積靈敏度，其單位為稱為乘積靈敏度，其單位為v/(AT)。乘積靈敏度還可。乘積靈敏

48、度還可以表示為以表示為SH=RHd=u/d 。由此看出，半導(dǎo)體材料的電子遷移率。由此看出，半導(dǎo)體材料的電子遷移率u越大，或越大，或半導(dǎo)體晶片厚度越薄，則乘積靈敏度半導(dǎo)體晶片厚度越薄，則乘積靈敏度SH越大。越大。(5)不等位電動勢不等位電動勢U0 當霍爾器件的控制電流為額定值當霍爾器件的控制電流為額定值Ic時，若器件所處位置的磁感應(yīng)強度為時，若器件所處位置的磁感應(yīng)強度為零，則它的霍爾電動勢應(yīng)該為零，但實際不為零，這時測得的空載霍爾電勢零，則它的霍爾電動勢應(yīng)該為零，但實際不為零，這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電動勢稱為不等位電動勢U0。這是由于在生產(chǎn)中工藝條件的限制，會出現(xiàn)霍爾電。這是由于在生產(chǎn)

49、中工藝條件的限制，會出現(xiàn)霍爾電壓輸出端的兩個電極位置不能完全對稱、厚度不均勻或焊接不良等現(xiàn)象。壓輸出端的兩個電極位置不能完全對稱、厚度不均勻或焊接不良等現(xiàn)象。U0越小，霍爾器件性能越好。越小，霍爾器件性能越好。(6)寄生直流電動勢寄生直流電動勢 當沒有外加磁場，霍爾器件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出除了交當沒有外加磁場，霍爾器件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出除了交流不等位電動勢外，還有一個直流電動勢，稱寄生直流電動勢。此外，兩個流不等位電動勢外，還有一個直流電動勢，稱寄生直流電動勢。此外，兩個霍爾電極熔點的不一致，造成兩焊點熱容量、散熱狀態(tài)的不一致，因而引起霍爾電極熔點的不一致，造成兩焊點

50、熱容量、散熱狀態(tài)的不一致，因而引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電動勢，也是寄生直流電動勢的一部分。寄生直流兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電動勢，也是寄生直流電動勢的一部分。寄生直流電動勢是霍爾器件零位誤差的一部分。電動勢是霍爾器件零位誤差的一部分。(7)霍爾電動勢溫度系數(shù)霍爾電動勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強度在一定磁感應(yīng)強度B和控制電流和控制電流Ic作用下，環(huán)境溫度每變化作用下，環(huán)境溫度每變化1，霍爾電，霍爾電壓壓UH的相對變化值稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用的相對變化值稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用表示，其單位為表示，其單位為。越小表明霍爾器件的溫度穩(wěn)定性越好。越小表明霍爾器件的溫度穩(wěn)定性越好。 由上述霍爾電勢產(chǎn)生的原

51、理可知，對于材料和結(jié)構(gòu)已定的由上述霍爾電勢產(chǎn)生的原理可知，對于材料和結(jié)構(gòu)已定的霍爾元件，其霍爾電勢僅與霍爾元件，其霍爾電勢僅與B和和I有關(guān)。若控制電流有關(guān)。若控制電流I一定，改一定，改變磁感應(yīng)強度變磁感應(yīng)強度B，則會使得霍爾電勢，則會使得霍爾電勢UH變化，霍爾式壓力傳變化，霍爾式壓力傳感器正是采用了這樣一種檢測方式。感器正是采用了這樣一種檢測方式。 如右圖所示，分別為以彈簧管作如右圖所示，分別為以彈簧管作為彈性元件測量壓力的壓力表結(jié)構(gòu)，為彈性元件測量壓力的壓力表結(jié)構(gòu)，被測壓力由使彈性元件產(chǎn)生形變，采被測壓力由使彈性元件產(chǎn)生形變，采用各自的機械連接方式，使霍爾片發(fā)用各自的機械連接方式，使霍爾片發(fā)

52、生位移。在霍爾片的上、下垂直安裝生位移。在霍爾片的上、下垂直安裝兩對磁極，使霍爾片處于兩對磁極形兩對磁極，使霍爾片處于兩對磁極形成的非均勻磁場中?；魻柶乃膫€端成的非均勻磁場中?；魻柶乃膫€端面引出四根導(dǎo)線，其中與磁鋼相平行的兩根導(dǎo)線和恒流穩(wěn)壓電源相連，另外兩根導(dǎo)線用來輸出霍爾電勢信號。 當無壓力時，霍爾片處于兩對極靴之間的對稱位置時，由于霍爾片兩側(cè)所通過的磁通大小相等、方向相反，故由兩個相反方向磁場作用而產(chǎn)生的霍爾電勢大小相等，極性相反。因此霍爾片兩端輸出的總電勢UH為零。當傳感器通入被測壓力p后，彈性元件的位移帶動霍爾片做偏離其平衡位置的移動，這時霍爾片兩端所產(chǎn)生的兩個極性相反的電勢之和就

53、不再為零，由于沿霍爾片位移方向磁感應(yīng)強度的分布呈均勻梯度狀態(tài)，故由霍爾片兩端輸出的霍爾電勢與彈性元件的位移成線性關(guān)系。從而實現(xiàn)了壓力-位移-霍爾電勢的轉(zhuǎn)換。（1）不等位電動勢及其補償）不等位電動勢及其補償 不等位電動勢是零位誤差的主要成分。它是由于器件輸出極焊接不對不等位電動勢是零位誤差的主要成分。它是由于器件輸出極焊接不對稱，厚薄不均勻。兩個輸出極接觸不良等原因造成的，可以通過橋路平衡稱，厚薄不均勻。兩個輸出極接觸不良等原因造成的，可以通過橋路平衡的原理加以補償。的原理加以補償。 在分析不等位電動勢時，可以把霍爾器件在分析不等位電動勢時，可以把霍爾器件等效為一個電橋。如圖所示，等效為一個電橋

54、。如圖所示，4個橋臂電阻分個橋臂電阻分別為別為r1、r2、r3、r4。當兩個霍爾電動勢電極處。當兩個霍爾電動勢電極處于同一等位面時，于同一等位面時，r1= r2= r3=r4，電橋平衡，這，電橋平衡，這時輸出電壓時輸出電壓Uo等于零；當霍爾電動勢電極不在等于零；當霍爾電動勢電極不在同一等位面上時，同一等位面上時，( (如如r3增大，增大，r4減小減小) )，則電橋，則電橋失去平衡，輸出電壓失去平衡，輸出電壓Uo就不等于零?；謴?fù)電橋就不等于零?；謴?fù)電橋平衡的辦法是減小平衡的辦法是減小r2、r3。如果在制造過程中確。如果在制造過程中確知知霍爾電極偏離等位面的方向，就應(yīng)采用機械修磨或化學(xué)腐蝕的方法來

55、減小霍爾電極偏離等位面的方向，就應(yīng)采用機械修磨或化學(xué)腐蝕的方法來減小不等值電動勢。不等值電動勢。 對已經(jīng)制成的霍爾器件，可以采用對已經(jīng)制成的霍爾器件，可以采用外接補償線路進行補償。如圖所示為一外接補償線路進行補償。如圖所示為一種常見的具有溫度補償?shù)牟坏任浑妱觿莘N常見的具有溫度補償?shù)牟坏任浑妱觿菅a償電路。該補償電路接成橋式電路，補償電路。該補償電路接成橋式電路，其工作電壓由霍爾器件的控制電壓提供；其工作電壓由霍爾器件的控制電壓提供；其中一個橋臂為熱敏電阻其中一個橋臂為熱敏電阻Rt，且，且Rt與霍爾與霍爾器件的等效電阻的溫度特性相同。在該器件的等效電阻的溫度特性相同。在該電橋的負載電阻電橋的負載電

56、阻Rr2上取出電橋的部分輸上取出電橋的部分輸出電壓出電壓(稱為補償電壓稱為補償電壓)，與霍爾器件的輸，與霍爾器件的輸出電壓反接。在磁感應(yīng)強度出電壓反接。在磁感應(yīng)強度B為零時，調(diào)為零時，調(diào)（1）不等位電動勢及其補償）不等位電動勢及其補償節(jié)節(jié)Rrl和和Rr2，使補償電壓抵消霍爾器件此時輸出的不等位電動勢，從而使，使補償電壓抵消霍爾器件此時輸出的不等位電動勢，從而使B=0時總輸出電壓為零。時總輸出電壓為零。 采用橋式補償電路，可以在霍爾器件的整個工作溫度范圍內(nèi)對不等位電采用橋式補償電路，可以在霍爾器件的整個工作溫度范圍內(nèi)對不等位電動勢進行良好的補償，并且對不等位電動勢的恒定部分和變化部分的補償可動勢

57、進行良好的補償，并且對不等位電動勢的恒定部分和變化部分的補償可相互獨立地進行調(diào)節(jié)，從而可達到相當高的補償精度。相互獨立地進行調(diào)節(jié)，從而可達到相當高的補償精度。 (2)溫度誤差及其補償溫度誤差及其補償 由于半導(dǎo)體材料載流子濃度和遷移率隨著溫度變化，引起電阻率由于半導(dǎo)體材料載流子濃度和遷移率隨著溫度變化，引起電阻率也隨溫度變化，因此，霍爾器件的性能參數(shù)，如內(nèi)阻、霍爾電動勢等也隨溫度變化，因此，霍爾器件的性能參數(shù)，如內(nèi)阻、霍爾電動勢等對溫度的變化也是很敏感的。對溫度的變化也是很敏感的。 為了減小霍爾器件的溫度誤差，除為了減小霍爾器件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的材料選用溫度系數(shù)小的材料(如砷化銦如砷

58、化銦)或采或采取恒溫措施外，用恒流源供電方式（如取恒溫措施外，用恒流源供電方式（如下圖所示下圖所示) )往往可以得到比較明顯的效往往可以得到比較明顯的效果。恒流源供電的作用是減小器件內(nèi)阻果。恒流源供電的作用是減小器件內(nèi)阻隨溫度變化所引起的控制電流變化，但隨溫度變化所引起的控制電流變化，但是采用恒流源供電還不能完全解決霍爾是采用恒流源供電還不能完全解決霍爾電動勢的穩(wěn)定性問題，還必須配合其他電動勢的穩(wěn)定性問題，還必須配合其他補償線路。補償線路。 恒流源補償電路 應(yīng)用液柱測量壓力的方法是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管是其中一種典型結(jié)構(gòu)其形式如下圖所示。 根據(jù)靜力平衡原理

59、可知，在U形管2-2截面上，右邊被測壓力p及被測流體的質(zhì)量應(yīng)與左邊被測壓力pA及液柱h的質(zhì)量相平衡，即ApghAghApAA式中 A U形管截面積； 工作液的密度； 被測介質(zhì)的密度；g 重力加速度； h 左右兩邊液柱差； pA 被測較低一側(cè)的壓力； p 被測較高一側(cè)的壓力。 ghpppA) (由上式可得 若pA為大氣壓，被測介質(zhì)為氣體時，d，則d2D2可以忽略不計，上式可近似表示為由前式可得： 用U形管或單管壓力計來測量微小的壓力時，因為液柱高度變化很小，讀數(shù)困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計的玻璃管制成斜管，如圖所示。大容器通入被測壓力P，斜管通大氣壓力PA，則P與液柱之間的關(guān)系

60、為：ghhp)(21211LAAh22121DdLAALhsin2Lh KLgLDdp)(sin22與單管壓力計相似，有又所以式中 L 斜管內(nèi)液柱的長度； 斜管傾斜角。 因為大容器的直徑D遠大于玻璃管的直徑d，則h1的微小變化會使斜管內(nèi)的液柱長度發(fā)生明顯變化，所以液面高度差也可以近似表示為sin221LhhhhsingLp 由于Lh2，所以斜管壓力計比單管壓力計更靈敏。改變斜管的傾斜角度 ，可以改變斜管壓力計的測量范圍。所以，前式可近似表示為 在使用液柱式測壓法進行壓力測量時，由于毛細管和液體表面張力的作用，會引起玻璃管內(nèi)的液面呈彎月狀，見右圖所示。如果工作液對管壁是浸潤的(水)，則在管內(nèi)形成