基于霍尔效应的微小压强测量装置的设计与实现

占宏　乔利国

摘 要：针对化工液体的微小压强测量中所存在的测量复杂、精度低的问题，设计一种基于霍尔效应的测量流体微小压强变化的装置。该测量装置通过前端受力装置来承受液体压强的变化而产生一定的位移，并转换成霍尔电动势，经放大调理电路，最后接电压表显示相应的电压值。根据输出电压与液体压强之间的关系即可得到相应深度的压强大小。在实验中，电压表精确到1mV，最小可测量到0.792Pa的压强变化，其测量精度较高。该装置体积小、通用性强，具有较好的应用前景。

关键词：微小压强；霍尔效应；测量装置；化工液体

中图分类号：TP274 文献标识码：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

随着国家经济的发展，化工产品的需求量不断地扩大。由于化工产品的危险性较大，因此其生产过程、运输过程和卸载过程中的实时监测至关重要，而液体压强的微小变化是实时监测中的关键测量参数之一[1]。现代仪器仪表正向着智能化方向发展，在这种化工产品微小压强的测量场合中，对测量的精度、通用性、安全性等提出了新的要求[2]。现有的活塞式压强计、差压变送器式压强仪等测量设备通常体积较大，操作十分复杂，精度不高，通用性不强。针对上述问题，本文设计了一种基于霍尔效应的微小压强测量装置。该测量装置通过受力装置来承受液体压强的变化而产生一定的位移，并转换成霍尔电动势，经放大电路，最后接电压表显示相应的电压值[3-4]。由液体压强与电压之间的关系即可得到相应压强的微小变化。该装置与传统仪器相比，将微小电压这一非电量转化为电量来进行测量，不仅测量方便、速度快、而且精度高。

2 设计原理

本装置的设计思路如图1所示。首先，由受力装置所承受的压强变化来产生微小位移，然后利用霍尔效应将霍尔芯片在均匀梯度磁场的位移转换为霍尔电动势，经放大电路，最后由电压表显示相应的电压值。

3 装置设计与实现

根据上述的设计原理，本文所设计的基于霍尔效应的微小压强测量装置主要由由前端受力装置、霍尔检测装置、放大装置、显示装置和直流电流源五个部分构成，其整体硬件模块图如图4所示。

受力装置采用和测量装置等面积的轻薄板。检测装置利用现行通用且精度较高的SS495A为核心器件，并由两块等面积的强性磁体来产生梯度磁场，同时采用抗腐蚀的PV管制成封装结构。采用通用的基于LF353N的直流电流源作为恒流源，其主要电路如图5所示。其中，Vin为电压输入端，通过两个LF353N反向连接，可以得到稳定的输出电流。放大装置主要电路如图6所示，采用微电流运算放大器LM318，其开环增益为106dB，运行稳定，抗干扰能力强，适用于测量低频小信号的电路，放大倍数超过105[3-4，7-8]。

4 性能测试与分析

实验测试时采用实验室用250ml量筒并向其中注入约120ml水作为测试环境，将所设计的测量装置置于量筒中，外接电压表采用2V档位，当液位每变化8mm读出相应的电压值。

实验测量结果如图8所示，对所测数据进行拟合所得曲线y=-0.001315x+1.217（y代表电压，x代表压强）。其相关系数为r≈-0.9950，可见电压和压强间负相关性很强。由相关指数R2≈0.9902，可知电压与压强间的回归效果很好，两者间线性相关度较高。当测量装置所在液位中流体压强变化为392Pa，所测得的电压变化为0.495V。通用的电压表精确到1mV，最小可测量到0.792Pa的压强变化。

上述实验测试表明：该装置对流体的微小压强的测量可以达到0.792Pa，其测量精度较高。如果将设计中所涉及到的霍尔芯片、放大器以及电压表用精度更好的相似装置所代替，则对流体的微小压强的精度会更高。

5 结 论

本文针对实际化工产品中液体微小压强的测量问题，设计了一种基于霍尔效应的测量流体微小压强变化的装置。该测量装置将压强的变化转化为微小位移的变化，利用经典的霍尔效应将位移的变化转换为霍尔电动势的变化。该装置有别于传统的测量，它直接将非电量转化为电量进行测量，不仅精度高、方便测量，而且速度快。

实验时采用水进行测试，当电压变化1mV时，最小可测量到0.792Pa的微小压强变化。由于液体的密度不同，在实际应用当中只需在不同的液体中提前进行测试，定好基准和比例关系，即可应用于不同液体中微小压强的测量。由此可见，该装置不仅精度高、体积小、操作方便，而且通用性较强。如能推广使用，可有效节省资源，具有广泛的应用前景。

参考文献

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