霍爾傳感器探傷

1、東北石油大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 2013 年 7 月 16 日課 程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題 目 探傷式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 測(cè)控技術(shù)與儀器 10-02 班 學(xué)生姓名 劉師 學(xué)生學(xué)號(hào) 100601240207 指導(dǎo)教師 段志偉 宋金波 任務(wù)書(shū)課程課程 傳感器課程設(shè)計(jì)題目題目 探傷式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 姓名 劉師 學(xué)號(hào) 100601240207 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：霍爾傳感器無(wú)損探傷：應(yīng)用在設(shè)備故障診斷、材料缺陷檢測(cè)之中霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。當(dāng)電流通過(guò)金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁

2、場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)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(dǎo)率特性之上。采用霍爾元件檢測(cè)該泄漏磁場(chǎng) B 的信號(hào)變化，可以有效地檢測(cè)出缺陷存在?；疽螅夯疽螅?、此霍爾傳感器正常工作時(shí)能診斷設(shè)備故障。2、此霍爾傳感器正常工作時(shí)能檢測(cè)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(cè)技術(shù)M.北京.高等教育出版社.20022 郁有文.傳感器原理與工程應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社.20013 張福學(xué).傳感器電子學(xué)及其應(yīng)用M.北京.國(guó)防工業(yè)出版社.19904 吳光杰.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.重慶大學(xué)出版社.2011完成期限 2013.7.122013.7.16 指導(dǎo)教師 專(zhuān)業(yè)

3、負(fù)責(zé)人 2013 年 7 月 12 日傳感器課程設(shè)計(jì)摘 要霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，并且運(yùn)用越來(lái)越廣泛，且有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá) 1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕，這與其結(jié)構(gòu)和原理有很大的關(guān)聯(lián)。1用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。在利用霍爾傳感器進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的無(wú)損探傷中，我們根據(jù)無(wú)損探傷原理，在理論的基礎(chǔ)上，討論了霍爾元件在獲取漏磁場(chǎng)變化信號(hào)中的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)易的無(wú)損探傷設(shè)備。探討提高探傷精度的技術(shù)措施，介紹在工程中的應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：

4、霍爾效應(yīng)；原理；無(wú)損探傷；磁場(chǎng)；漏磁 傳感器課程設(shè)計(jì)目錄一 、設(shè)計(jì)要求 .11、功能及意義 .12、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .1二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn) .21、方案說(shuō)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(diǎn)和制作 .32、霍爾元件電磁無(wú)損探傷原理 .3四、電路的工作原理 .4五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 .51、單元電路設(shè)計(jì) .52、參數(shù)計(jì)算 .63、器件選擇 .7六、總結(jié) .7傳感器課程設(shè)計(jì)1探傷式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)一 、設(shè)計(jì)要求1、功能及意義霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)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(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)

5、的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)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(dǎo)體材料制成的磁電轉(zhuǎn)換器件。如果在輸入端通入控制電流 I，當(dāng)有一磁場(chǎng) B 穿過(guò)該器件感磁面，則在輸出端出現(xiàn)霍爾電勢(shì) UH。在磁場(chǎng)力作用下，在金屬或通電半導(dǎo)體中將產(chǎn)生霍耳效應(yīng)，其輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。基于霍耳效應(yīng)的霍耳傳感器常用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，其測(cè)量范圍從 100 到幾千奧斯特。

6、盡管人們?cè)缭?879 年就知道了霍耳效應(yīng)，但直到 20 世紀(jì) 60 年代末期，隨著固態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展，霍耳效應(yīng)才開(kāi)始被人們所應(yīng)用。2、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn) 100 多年以來(lái),它的應(yīng)用發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段： 1.從霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到 20 世紀(jì) 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(yīng)十分微弱所以沒(méi)有引起人們的重視。這段時(shí)期也有人利用霍爾效應(yīng)制成磁場(chǎng)傳感器，但實(shí)用價(jià)值不大，到了 1910 年有人用金屬鉍制成霍爾元件，作為磁場(chǎng)傳感器。但是，由于當(dāng)時(shí)未找到更合適的材料，研究處于停頓狀態(tài)。22.從 20 世紀(jì) 40 年代中期半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)之后，隨著半導(dǎo)體材料、制造工藝和技術(shù)的應(yīng)用

7、，出現(xiàn)了各種半導(dǎo)體霍爾元件，特別是鍺的采用推動(dòng)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(chǎng)傳感器。 傳感器課程設(shè)計(jì)23.自 20 世紀(jì) 60 年代開(kāi)始，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了將霍爾半導(dǎo)體元件和相關(guān)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代，隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。霍爾效應(yīng)自 1879 年被發(fā)現(xiàn)至今已有 100 多年的歷史，我國(guó)從 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始研究霍爾器件，經(jīng)過(guò) 30 余年的研究和開(kāi)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(cè)溫側(cè)磁型和開(kāi)關(guān)式的霍爾元件。二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)1、方案說(shuō)明首先我們先將一塊永磁體放在一個(gè)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(méi)有損傷，則金屬管道沒(méi)有破損，即沒(méi)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(cè)電路按照需要連接好，如圖 4 所示，將連接好的電路通過(guò)霍爾元件探頭把它放到被檢測(cè)的金屬管道表面，然后通過(guò)示波器觀察是否有波形輸出來(lái)判斷管道中是否存在損傷。我們通過(guò)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(cè)元件用電路檢測(cè)用磁體磁化元

9、件有波形輸出無(wú)波形輸出有損傷無(wú)損傷圖 1 檢測(cè)流程圖傳感器課程設(shè)計(jì)32、方案論證目前霍爾傳感器的用途越來(lái)越廣，在不同的領(lǐng)域幾乎都有所涉及，特別是霍爾傳感器在磁場(chǎng)方面的應(yīng)用，也就是漏磁檢測(cè)，在不同的領(lǐng)域漏磁檢測(cè)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(cè)管道的無(wú)損探傷檢測(cè)。方案二：利用霍爾元件的漏磁現(xiàn)象檢測(cè)鋼絲繩的損傷。由以上方案經(jīng)過(guò)反復(fù)討論最終確定為用漏磁對(duì)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(diǎn)和制作霍爾器件是一種磁傳感器，用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用，霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)

10、，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá) 1MHZ），耐震動(dòng)，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(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)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(kāi)關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它將

11、許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制?；魻栐捎枚喾N半導(dǎo)體材料制作，如 Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱材料等。2、霍爾元件電磁無(wú)損探傷原理傳感器課程設(shè)計(jì)4電磁無(wú)損探傷原理是建立在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率這一特性之上，通過(guò)測(cè)量鐵磁性材料中由于缺陷所引起的磁導(dǎo)率變化來(lái)檢查缺陷，鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)的作用下被磁化，當(dāng)機(jī)械設(shè)備無(wú)缺陷時(shí)，磁力絕大部分通過(guò)鐵磁材料，此時(shí)在材料的內(nèi)部磁力線均勻分布（見(jiàn)圖 2），當(dāng)有缺陷存在時(shí)，由于材料中缺陷的

12、磁導(dǎo)率遠(yuǎn)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(jiàn)圖 3），采用霍爾元件檢測(cè)該泄漏磁場(chǎng) B 的信號(hào)變化，就能有效地檢測(cè)缺陷的存在。圖 2 外加磁場(chǎng)作用下無(wú)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(chǎng)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(chǎng)作用時(shí)，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(shì)差，在經(jīng)過(guò)特殊工藝制備的半導(dǎo)體材料這種效應(yīng)更為顯著。從而形成了霍爾元件。當(dāng)霍爾元件的探頭經(jīng)過(guò)有缺陷的表面時(shí)，電路有波形輸出，如果被測(cè)物表面平整，則無(wú)波形輸出，以此原理來(lái)檢

13、測(cè)物體是否有缺陷。傳感器課程設(shè)計(jì)5圖 4 霍爾式無(wú)損探傷傳感器電路圖五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、單元電路設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類(lèi)繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。5運(yùn)放如圖有兩個(gè)輸入端 a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個(gè)輸出端o。也分別被稱(chēng)為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)

14、電壓 U 加在 a 端和公共端（公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn)。）之間，且其實(shí)際方向從 a 端高于公共端時(shí)，輸出電壓 U 實(shí)際方向則自公共端指向 o 端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓 U+加在 b 端和公共端之間，U-與 U+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。傳感器課程設(shè)計(jì)6圖 5 運(yùn)算放大器2、參數(shù)計(jì)算霍爾元件是一個(gè)四端子元件，由矩形半導(dǎo)體薄片構(gòu)成，當(dāng)霍爾元件 a、b 端通以恒定電流 I 時(shí)，在其表面垂直方向施加磁場(chǎng) B，則在 c、d 端累積電荷形成與控制電流、磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的霍爾電勢(shì) UH（見(jiàn)圖 6），其關(guān)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(guò)霍爾元件的電流；B-加在霍爾元件上的磁場(chǎng)磁力線密度；傳感器課程設(shè)計(jì)7從上面的公式可以看出，霍爾電壓正比于電流強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，且與霍爾元件的形狀有關(guān)。在電流強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)所加磁場(chǎng)方向改變時(shí)，霍爾電壓的符號(hào)也隨之改變因此，霍爾元件可以用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)需要 6 個(gè)電阻，一個(gè)直流電源，一個(gè) UA714，及一個(gè)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(hào)元器件類(lèi)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(jié)在現(xiàn)實(shí)生活中，由于輸油管道長(zhǎng)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(rèn)為可以將此設(shè)計(jì)運(yùn)用到輸油管道的檢測(cè)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(lái)的具有測(cè)量、控制、保護(hù)等功能的新一代傳感器，已成為當(dāng)今傳感器中最具代表性的產(chǎn)品，在國(guó)際工業(yè)市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛。霍爾元件是一種磁電轉(zhuǎn)換元件，當(dāng)霍爾元件(帶電半導(dǎo)體)置于磁力線和電流方向垂直的磁場(chǎng)中

17、時(shí)，在半導(dǎo)體和電流垂直的方向上產(chǎn)生電壓。在沒(méi)有磁場(chǎng)力作用的N型傳感器課程設(shè)計(jì)8半導(dǎo)體上，電子運(yùn)動(dòng)不受干擾，如果將它置于磁場(chǎng)中，在洛侖茲力的作用下，電子按曲線運(yùn)動(dòng)，電流線向右偏離，電子在半導(dǎo)體的右邊積累，而空穴在左邊積累。隨著電荷的積累，電場(chǎng)力和磁場(chǎng)產(chǎn)生新的力平衡，這時(shí)電子仍按原來(lái)方向移動(dòng)，在半導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)度變化成正比?；魻栃?yīng)的實(shí)質(zhì)就是將一個(gè)磁場(chǎng)能量通過(guò)霍爾元件轉(zhuǎn)化成電壓量，霍爾傳感器是將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電路等制成一體的器件。經(jīng)過(guò)了這么多周的傳感實(shí)踐終于結(jié)束了，我收獲良多。首先，經(jīng)過(guò)這次無(wú)損探傷實(shí)踐，我對(duì)霍爾元件的了解更多了，在實(shí)踐

18、的過(guò)程中，首先要注意的就是電路圖的設(shè)計(jì)，一定要簡(jiǎn)單，作為一個(gè)大學(xué)生，我們的水平有限，不可能設(shè)計(jì)出像那種買(mǎi)的探傷儀那樣標(biāo)準(zhǔn)，一定要先想好自己想要設(shè)計(jì)出的準(zhǔn)度，不要設(shè)計(jì)太精準(zhǔn)，也不可能設(shè)計(jì)出那種可以用于實(shí)踐的探傷儀，所以我們要盡可能的簡(jiǎn)化，用我們學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)電路圖。這次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，我們遇到了很多的困難，書(shū)上的和實(shí)踐畢竟是不同的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)踐，是不可能真正的掌握我們所學(xué)是知識(shí)的。經(jīng)過(guò)本次實(shí)踐，我學(xué)到了很多書(shū)本上沒(méi)有的知識(shí)。傳感器課程設(shè)計(jì)9參考文獻(xiàn)1 陳杰.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.北京.高等教育出版社.20022 郁有文.傳感器原理與工程應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社.20013 張福學(xué).傳感器電子學(xué)及其應(yīng)用M.北京.國(guó)防工業(yè)出版社.19904 吳光杰.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.重慶大學(xué)出版社.20115 王躍林.傳感器性能的等效電學(xué)模擬J.傳感器性能研究.1999.(2):248-2496劉松平.無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)J.無(wú)損檢測(cè).2004.26(9):32東北石