霍爾
壓力變送器是利用霍爾效應(yīng)將彈性元件的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電勢(shì)信號(hào)的變送器。霍爾效應(yīng)是一種電磁現(xiàn)象,即將通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體(載流導(dǎo)體)置于與電流方向垂直的磁場(chǎng)中時(shí),由于磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)載流子(如電子)有作用力(洛侖茲力PY),載流子(電子)將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使電子聚集在導(dǎo)體或半導(dǎo)體一側(cè),而另一側(cè)則聚集正電荷,形成了電場(chǎng)。同時(shí)該電場(chǎng)又對(duì)運(yùn)動(dòng)載流子(電子)產(chǎn)生電場(chǎng)力Fe,阻止電子的聚集。當(dāng)時(shí),電子聚集達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,此時(shí)在薄片(霍爾片).上垂直于電流和磁場(chǎng)方向的兩個(gè)側(cè)面之間會(huì)出現(xiàn)電位差,稱之為霍爾電勢(shì)。該現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng),如圖4-37所示。
霍爾電勢(shì)的大小可用下式表示:
式中
RH—霍爾系數(shù),由半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)所決定;
I—流經(jīng)霍爾元件的電流;
B—磁感應(yīng)強(qiáng)度;
d—霍爾元件的厚度。
霍爾壓力變送器的結(jié)構(gòu)如圖4-38所示,其中磁場(chǎng)部分由兩對(duì)磁極組成,磁力線分布如圖4-38(b)所示,由圖可知霍爾片所處位置的磁力線呈線性不均勻分布?;魻柶面N、銻化銦等半導(dǎo)體材料制造,并置于絕緣基片上。絕緣基片固定在彈性元件的自由端?;魻柶ㄟ^的電流由穩(wěn)壓直流電源供給,霍爾電勢(shì)由引線接至顯示儀表。
當(dāng)被測(cè)壓力為零時(shí),彈性元件自由端不產(chǎn)生位移,霍爾片正好處于磁場(chǎng)氣隙中部。由于左右兩側(cè)磁場(chǎng)方向相反、數(shù)值相等,因此左右兩側(cè)霍爾電勢(shì)相互抵消,UH輸出為零。當(dāng)有被測(cè)壓力加入彈性元件時(shí),彈性元件自由端將帶動(dòng)霍爾片位移,使霍爾片偏離氣隙中部,因此左右兩側(cè)產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)值不相等,霍爾片有霍爾電勢(shì)UH輸出,UH與彈性元件的'位移呈線性關(guān)系。
霍爾壓力變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)特性好,壽命長(zhǎng);其缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差,需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
上述壓力變送器一般都是先將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為彈性元件的位移信號(hào),然后再將位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。被測(cè)壓力是由彈性元件所產(chǎn)生的彈性反力實(shí)現(xiàn)平衡。另有一類利用其他外力與被測(cè)壓力平衡的所謂力平衡式壓力變送器,這類壓力變送器的彈性元件主要起隔離密封介質(zhì)作用,因此可以避免彈性元件本身彈性滯后、溫度特性等問題造成的誤差,以得到較高的測(cè)量精度。