占宏　喬利國

摘 要：針對化工液體的微小壓強(qiáng)測量中所存在的測量復(fù)雜、精度低的問題，設(shè)計(jì)一種基于霍爾效應(yīng)的測量流體微小壓強(qiáng)變化的裝置。該測量裝置通過前端受力裝置來承受液體壓強(qiáng)的變化而產(chǎn)生一定的位移，并轉(zhuǎn)換成霍爾電動(dòng)勢，經(jīng)放大調(diào)理電路，最后接電壓表顯示相應(yīng)的電壓值。根據(jù)輸出電壓與液體壓強(qiáng)之間的關(guān)系即可得到相應(yīng)深度的壓強(qiáng)大小。在實(shí)驗(yàn)中，電壓表精確到1mV，最小可測量到0.792Pa的壓強(qiáng)變化，其測量精度較高。該裝置體積小、通用性強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微小壓強(qiáng)；霍爾效應(yīng)；測量裝置；化工液體

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：For the complex measurement and lowaccuracy problems of the micro pressure measurement in the chemical liquid， a micro pressure measurement device based on Hall Effect was designed.Through the front loading device to withstand the change of liquid pressure， it generates a certain displacement and converts into the Hall electromotive force， then via the amplified conditioning circuit， it shows the corresponding voltage. According to the relationship between the output voltage and the fluid pressure， we can get the pressure magnitude of the corresponding depth. In the experiment， if the voltmeter is accurate to 1mV， the minimum measurable pressure change can reach 0.792Pa， so it has higher measurement accuracy. The device is small in size，and has strong commonality and good application prospect.

Key words：micro pressure； hall effect； measurement device； chemical liquid

1 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，化工產(chǎn)品的需求量不斷地?cái)U(kuò)大。由于化工產(chǎn)品的危險(xiǎn)性較大，因此其生產(chǎn)過程、運(yùn)輸過程和卸載過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測至關(guān)重要，而液體壓強(qiáng)的微小變化是實(shí)時(shí)監(jiān)測中的關(guān)鍵測量參數(shù)之一[1]?，F(xiàn)代儀器儀表正向著智能化方向發(fā)展，在這種化工產(chǎn)品微小壓強(qiáng)的測量場合中，對測量的精度、通用性、安全性等提出了新的要求[2]。現(xiàn)有的活塞式壓強(qiáng)計(jì)、差壓變送器式壓強(qiáng)儀等測量設(shè)備通常體積較大，操作十分復(fù)雜，精度不高，通用性不強(qiáng)。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于霍爾效應(yīng)的微小壓強(qiáng)測量裝置。該測量裝置通過受力裝置來承受液體壓強(qiáng)的變化而產(chǎn)生一定的位移，并轉(zhuǎn)換成霍爾電動(dòng)勢，經(jīng)放大電路，最后接電壓表顯示相應(yīng)的電壓值[3-4]。由液體壓強(qiáng)與電壓之間的關(guān)系即可得到相應(yīng)壓強(qiáng)的微小變化。該裝置與傳統(tǒng)儀器相比，將微小電壓這一非電量轉(zhuǎn)化為電量來進(jìn)行測量，不僅測量方便、速度快、而且精度高。

2 設(shè)計(jì)原理

本裝置的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。首先，由受力裝置所承受的壓強(qiáng)變化來產(chǎn)生微小位移，然后利用霍爾效應(yīng)將霍爾芯片在均勻梯度磁場的位移轉(zhuǎn)換為霍爾電動(dòng)勢，經(jīng)放大電路，最后由電壓表顯示相應(yīng)的電壓值。

3 裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)原理，本文所設(shè)計(jì)的基于霍爾效應(yīng)的微小壓強(qiáng)測量裝置主要由由前端受力裝置、霍爾檢測裝置、放大裝置、顯示裝置和直流電流源五個(gè)部分構(gòu)成，其整體硬件模塊圖如圖4所示。

受力裝置采用和測量裝置等面積的輕薄板。檢測裝置利用現(xiàn)行通用且精度較高的SS495A為核心器件，并由兩塊等面積的強(qiáng)性磁體來產(chǎn)生梯度磁場，同時(shí)采用抗腐蝕的PV管制成封裝結(jié)構(gòu)。采用通用的基于LF353N的直流電流源作為恒流源，其主要電路如圖5所示。其中，Vin為電壓輸入端，通過兩個(gè)LF353N反向連接，可以得到穩(wěn)定的輸出電流。放大裝置主要電路如圖6所示，采用微電流運(yùn)算放大器LM318，其開環(huán)增益為106dB，運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，適用于測量低頻小信號(hào)的電路，放大倍數(shù)超過105[3-4，7-8]。

4 性能測試與分析

實(shí)驗(yàn)測試時(shí)采用實(shí)驗(yàn)室用250ml量筒并向其中注入約120ml水作為測試環(huán)境，將所設(shè)計(jì)的測量裝置置于量筒中，外接電壓表采用2V檔位，當(dāng)液位每變化8mm讀出相應(yīng)的電壓值。

實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如圖8所示，對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合所得曲線y=-0.001315x+1.217（y代表電壓，x代表壓強(qiáng)）。其相關(guān)系數(shù)為r≈-0.9950，可見電壓和壓強(qiáng)間負(fù)相關(guān)性很強(qiáng)。由相關(guān)指數(shù)R2≈0.9902，可知電壓與壓強(qiáng)間的回歸效果很好，兩者間線性相關(guān)度較高。當(dāng)測量裝置所在液位中流體壓強(qiáng)變化為392Pa，所測得的電壓變化為0.495V。通用的電壓表精確到1mV，最小可測量到0.792Pa的壓強(qiáng)變化。

上述實(shí)驗(yàn)測試表明：該裝置對流體的微小壓強(qiáng)的測量可以達(dá)到0.792Pa，其測量精度較高。如果將設(shè)計(jì)中所涉及到的霍爾芯片、放大器以及電壓表用精度更好的相似裝置所代替，則對流體的微小壓強(qiáng)的精度會(huì)更高。

5 結(jié) 論

本文針對實(shí)際化工產(chǎn)品中液體微小壓強(qiáng)的測量問題，設(shè)計(jì)了一種基于霍爾效應(yīng)的測量流體微小壓強(qiáng)變化的裝置。該測量裝置將壓強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為微小位移的變化，利用經(jīng)典的霍爾效應(yīng)將位移的變化轉(zhuǎn)換為霍爾電動(dòng)勢的變化。該裝置有別于傳統(tǒng)的測量，它直接將非電量轉(zhuǎn)化為電量進(jìn)行測量，不僅精度高、方便測量，而且速度快。

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用水進(jìn)行測試，當(dāng)電壓變化1mV時(shí)，最小可測量到0.792Pa的微小壓強(qiáng)變化。由于液體的密度不同，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中只需在不同的液體中提前進(jìn)行測試，定好基準(zhǔn)和比例關(guān)系，即可應(yīng)用于不同液體中微小壓強(qiáng)的測量。由此可見，該裝置不僅精度高、體積小、操作方便，而且通用性較強(qiáng)。如能推廣使用，可有效節(jié)省資源，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃立成. 一種化工液體運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)計(jì)算[C]. 四川省第九九屆（2009年）汽車學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集， 2009： 259-263.

[2] 劉榮先， 李凡， 崔守鷙. 霍爾式直線小位移傳感器的設(shè)計(jì)[J]. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2013，16（4）： 47-50.

[3] 張宏建， 蒙建波. 自動(dòng)檢測技術(shù)與裝置[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2004.

[4] 童詩白， 華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[5] 陳中鈞， 俞眉孫. 霍爾效應(yīng)法測磁場實(shí)驗(yàn)的探討[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)， 2013， 11（5）： 224-227.

[6] 周珺. 用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)微小位移的自動(dòng)化測量[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表， 2011（6）： 41-43.

[7] 劉光亞. 霍爾承壓水位信號(hào)傳感器及應(yīng)用[J]. 船電技術(shù)， 2005（6）： 51-53.

[8] 李小波， 吳浩， 許朋，等. 基于LabVIEW的超聲波液壓測量系統(tǒng)小波分析儀設(shè)計(jì)[J]. 2006（3）： 197-201.