霍爾傳感器探傷

1、東北石油大學課 程 設 計 2013 年 7 月 16 日課 程 傳感器課程設計 題 目 探傷式傳感器應用電路設計 院 系 電氣信息工程學院 專業(yè)班級 測控技術與儀器 10-02 班 學生姓名 劉師 學生學號 100601240207 指導教師 段志偉 宋金波 任務書課程課程 傳感器課程設計題目題目 探傷式傳感器應用電路設計專業(yè) 測控技術與儀器 姓名 劉師 學號 100601240207 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：霍爾傳感器無損探傷：應用在設備故障診斷、材料缺陷檢測之中霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁

2、場，則金屬箔片兩側面會出現(xiàn)橫向電位差。其探傷原理是建立在鐵磁性材料的高磁導率特性之上。采用霍爾元件檢測該泄漏磁場 B 的信號變化，可以有效地檢測出缺陷存在?；疽螅夯疽螅?、此霍爾傳感器正常工作時能診斷設備故障。2、此霍爾傳感器正常工作時能檢測材料缺陷。主要參考資料：主要參考資料：1 陳杰.傳感器與檢測技術M.北京.高等教育出版社.20022 郁有文.傳感器原理與工程應用M.西安電子科技大學出版社.20013 張福學.傳感器電子學及其應用M.北京.國防工業(yè)出版社.19904 吳光杰.傳感器與檢測技術M.重慶大學出版社.2011完成期限 2013.7.122013.7.16 指導教師 專業(yè)

3、負責人 2013 年 7 月 12 日傳感器課程設計摘 要霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化，并且運用越來越廣泛，且有許多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達 1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕，這與其結構和原理有很大的關聯(lián)。1用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。在利用霍爾傳感器進行機械設備的無損探傷中，我們根據(jù)無損探傷原理，在理論的基礎上，討論了霍爾元件在獲取漏磁場變化信號中的特點，設計出簡易的無損探傷設備。探討提高探傷精度的技術措施，介紹在工程中的應用實例。關鍵詞關鍵詞：

4、霍爾效應；原理；無損探傷；磁場；漏磁 傳感器課程設計目錄一 、設計要求 .11、功能及意義 .12、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .1二、設計方案及其特點 .21、方案說明 .22、方案論證 .2三、傳感器工作原理 .31、霍爾元件定義及其特點和制作 .32、霍爾元件電磁無損探傷原理 .3四、電路的工作原理 .4五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇 .51、單元電路設計 .52、參數(shù)計算 .63、器件選擇 .7六、總結 .7傳感器課程設計1探傷式傳感器應用電路設計一 、設計要求1、功能及意義霍爾效應是磁電效應的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879 年在研究金屬的導電機構時發(fā)現(xiàn)

5、的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等方面?；魻栃茄芯堪雽w材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)?；魻柶骷且环N采用半導體材料制成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控制電流 I，當有一磁場 B 穿過該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢 UH。在磁場力作用下，在金屬或通電半導體中將產(chǎn)生霍耳效應，其輸出電壓與磁場強度成正比。基于霍耳效應的霍耳傳感器常用于測量磁場強度，其測量范圍從 100 到幾千奧斯特。

6、盡管人們早在1879 年就知道了霍耳效應，但直到 20 世紀 60 年代末期，隨著固態(tài)電子技術的發(fā)展，霍耳效應才開始被人們所應用。2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀霍爾效應被發(fā)現(xiàn) 100 多年以來,它的應用發(fā)展經(jīng)歷了三個階段： 1.從霍爾效應的發(fā)現(xiàn)到 20 世紀 40 年代前期。最初由于金屬材料中的電子濃度很大而霍爾效應十分微弱所以沒有引起人們的重視。這段時期也有人利用霍爾效應制成磁場傳感器，但實用價值不大，到了 1910 年有人用金屬鉍制成霍爾元件，作為磁場傳感器。但是，由于當時未找到更合適的材料，研究處于停頓狀態(tài)。22.從 20 世紀 40 年代中期半導體技術出現(xiàn)之后，隨著半導體材料、制造工藝和技術的應用

7、，出現(xiàn)了各種半導體霍爾元件，特別是鍺的采用推動了霍爾元件的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場傳感器。 傳感器課程設計23.自 20 世紀 60 年代開始，隨著集成電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了將霍爾半導體元件和相關的信號調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進入 20 世紀 80 年代，隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機械加工技術的進展，霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展，出現(xiàn)了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感器，實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化?；魻栃?1879 年被發(fā)現(xiàn)至今已有 100 多年的歷史，我國從 20 世紀 70 年代開始研究霍爾器件，經(jīng)過 30 余年的研究和開發(fā)，目前已經(jīng)能生

8、產(chǎn)各種性能的霍爾元件，例如普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測溫側磁型和開關式的霍爾元件。二、設計方案及其特點1、方案說明首先我們先將一塊永磁體放在一個小管道上，使其金屬管道被完全磁化。使磁感線在管道內(nèi)部均勻分布，如果管道內(nèi)部沒有損傷，則金屬管道沒有破損，即沒有漏磁；如果管道內(nèi)部存在損傷，則金屬管道損壞，有漏磁。其次我們先將檢測電路按照需要連接好，如圖 4 所示，將連接好的電路通過霍爾元件探頭把它放到被檢測的金屬管道表面，然后通過示波器觀察是否有波形輸出來判斷管道中是否存在損傷。我們通過示波器觀察到示波器上有不規(guī)則波形輸出，由此我們得出了我們選用的管道存在損傷。被檢測元件用電路檢測用磁體磁化元

9、件有波形輸出無波形輸出有損傷無損傷圖 1 檢測流程圖傳感器課程設計32、方案論證目前霍爾傳感器的用途越來越廣，在不同的領域幾乎都有所涉及，特別是霍爾傳感器在磁場方面的應用，也就是漏磁檢測，在不同的領域漏磁檢測的方法也使不同的，因此我們方案如下：方案一：利用霍爾元件的漏磁檢測管道的無損探傷檢測。方案二：利用霍爾元件的漏磁現(xiàn)象檢測鋼絲繩的損傷。由以上方案經(jīng)過反復討論最終確定為用漏磁對管道的探傷確定為我們的最佳方案。3三、傳感器工作原理1、霍爾元件定義及其特點和制作霍爾器件是一種磁傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用，霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點

10、，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達 1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好、霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達m級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達55150。4按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它將

11、許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數(shù)、轉速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。霍爾元件可用多種半導體材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多層半導體異質結構量子阱材料等。2、霍爾元件電磁無損探傷原理傳感器課程設計4電磁無損探傷原理是建立在鐵磁性材料的高磁導率這一特性之上，通過測量鐵磁性材料中由于缺陷所引起的磁導率變化來檢查缺陷，鐵磁性材料在外加磁場的作用下被磁化，當機械設備無缺陷時，磁力絕大部分通過鐵磁材料，此時在材料的內(nèi)部磁力線均勻分布（見圖 2），當有缺陷存在時，由于材料中缺陷的

12、磁導率遠比鐵磁材料本身小，至使磁力線發(fā)生彎曲，并且有一部分磁力線泄漏出材料表面（見圖 3），采用霍爾元件檢測該泄漏磁場 B 的信號變化，就能有效地檢測缺陷的存在。圖 2 外加磁場作用下無缺陷的鐵磁性材料內(nèi)部磁力線分布圖 3 表面缺陷引起的磁力線彎曲現(xiàn)象及磁場泄漏情況四、電路的工作原理通電的載體在受到垂直于載體平面的外磁場作用時，則載流子受到洛倫茲力的作用，并有向兩邊聚集的傾向，由于自由電子的聚集(一邊多一邊必然少)從而形成電勢差，在經(jīng)過特殊工藝制備的半導體材料這種效應更為顯著。從而形成了霍爾元件。當霍爾元件的探頭經(jīng)過有缺陷的表面時，電路有波形輸出，如果被測物表面平整，則無波形輸出，以此原理來檢

13、測物體是否有缺陷。傳感器課程設計5圖 4 霍爾式無損探傷傳感器電路圖五、單元電路設計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設計運算放大器（簡稱“運放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡共同組成某種功能模塊。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現(xiàn)數(shù)學運算，故得名“運算放大器”。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發(fā)展，大部分的運放是以單芯片的形式存在。運放的種類繁多，廣泛應用于電子行業(yè)當中。5運放如圖有兩個輸入端 a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當

14、電壓 U 加在 a 端和公共端（公共端是電壓為零的點，它相當于電路中的參考結點。）之間，且其實際方向從 a 端高于公共端時，輸出電壓 U 實際方向則自公共端指向 o 端，即兩者的方向正好相反。當輸入電壓 U+加在 b 端和公共端之間，U-與 U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同。傳感器課程設計6圖 5 運算放大器2、參數(shù)計算霍爾元件是一個四端子元件，由矩形半導體薄片構成，當霍爾元件 a、b 端通以恒定電流 I 時，在其表面垂直方向施加磁場 B，則在 c、d 端累積電荷形成與控制電流、磁場強度成正比的霍爾電勢 UH（見圖 6），其關系為： (1)d/UHIBRH 圖 6 霍爾元件的工作原理圖UH

15、-霍爾電壓；RH-霍爾系數(shù)；d-霍爾元件的厚度；I-通過霍爾元件的電流；B-加在霍爾元件上的磁場磁力線密度；傳感器課程設計7從上面的公式可以看出，霍爾電壓正比于電流強度和磁場強度，且與霍爾元件的形狀有關。在電流強度恒定以及霍爾元件形狀確定的條件下，霍爾電壓正比于磁場強度。當所加磁場方向改變時，霍爾電壓的符號也隨之改變因此，霍爾元件可以用來測量磁場的大小及方向。6R1、R2為阻值是 1K 電阻；R3、R4為阻值是 100K 電阻；R5、R6為阻值是 4.7K 電阻；Uo 為 12V 的直流電源。3、器件選擇本實驗需要 6 個電阻，一個直流電源，一個 UA714，及一個霍爾元件。系統(tǒng)需要的元器件清

16、單表 1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1電阻100K22電阻1K23電阻4.7K24直流電源12V15UA7141六、總結在現(xiàn)實生活中，由于輸油管道長期使用中易產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷，也容易受到地基不穩(wěn)、意外事故等影響產(chǎn)生位貌變化，如果產(chǎn)生的裂紋或損傷較小，就不容易被發(fā)現(xiàn)。由此我們認為可以將此設計運用到輸油管道的檢測上，有效的解決了輸油管道產(chǎn)生的一些不易被發(fā)現(xiàn)的小損傷。霍爾傳感器是近幾年發(fā)展起來的具有測量、控制、保護等功能的新一代傳感器，已成為當今傳感器中最具代表性的產(chǎn)品，在國際工業(yè)市場上應用廣泛?；魻栐且环N磁電轉換元件，當霍爾元件(帶電半導體)置于磁力線和電流方向垂直的磁場中

17、時，在半導體和電流垂直的方向上產(chǎn)生電壓。在沒有磁場力作用的N型傳感器課程設計8半導體上，電子運動不受干擾，如果將它置于磁場中，在洛侖茲力的作用下，電子按曲線運動，電流線向右偏離，電子在半導體的右邊積累，而空穴在左邊積累。隨著電荷的積累，電場力和磁場產(chǎn)生新的力平衡，這時電子仍按原來方向移動，在半導體兩邊產(chǎn)生霍爾電壓，且霍爾元件輸出的霍爾電壓與磁場強度變化成正比。霍爾效應的實質就是將一個磁場能量通過霍爾元件轉化成電壓量，霍爾傳感器是將霍爾元件、放大器、溫度補償電路及穩(wěn)壓電路等制成一體的器件。經(jīng)過了這么多周的傳感實踐終于結束了，我收獲良多。首先，經(jīng)過這次無損探傷實踐，我對霍爾元件的了解更多了，在實踐

18、的過程中，首先要注意的就是電路圖的設計，一定要簡單，作為一個大學生，我們的水平有限，不可能設計出像那種買的探傷儀那樣標準，一定要先想好自己想要設計出的準度，不要設計太精準，也不可能設計出那種可以用于實踐的探傷儀，所以我們要盡可能的簡化，用我們學過的知識來設計電路圖。這次實驗的過程中，我們遇到了很多的困難，書上的和實踐畢竟是不同的，沒有經(jīng)過實踐，是不可能真正的掌握我們所學是知識的。經(jīng)過本次實踐，我學到了很多書本上沒有的知識。傳感器課程設計9參考文獻1 陳杰.傳感器與檢測技術M.北京.高等教育出版社.20022 郁有文.傳感器原理與工程應用M.西安電子科技大學出版社.20013 張福學.傳感器電子學及其應用M.北京.國防工業(yè)出版社.19904 吳光杰.傳感器與檢測技術M.重慶大學出版社.20115 王躍林.傳感器性能的等效電學模擬J.傳感器性能研究.1999.(2):248-2496劉松平.無損檢測新技術J.無損檢測.2004.26(9):32東北石