霍爾傳感器探傷要點

1、東北石油大學課程設計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班學生姓名劉姬學生學號100601240207指導教師段志偉宋金波任務書課程傳感器課程設計專業(yè)測控技術與儀器姓名 劉師 學號 100601240207主要內容：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

2、，可以有效地檢測出缺陷存在。基本要求：1、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:1陳杰.傳感器與才測技術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)負責人2013年7月12日傳感器課程設計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，

3、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：霍爾效應；原理；無損探傷；磁場；漏磁目錄一、設計要求 11、功能及意義 12、國內外發(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 3三、傳感器工作原理 31

4、、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傳感器課程設計探傷式傳感器應用電路設計、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)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。霍爾效應是研究半導體材料 性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定

5、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)。霍爾器件是一種采用半導體材 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?；诨舳幕舳鷤鞲衅鞒?用于測量磁場強度，具測量范圍從100到幾千奧斯特。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)

6、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年有人用金屬鈿制成霍爾元件，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，出現(xiàn)了各種半導體霍爾元件，特別是錯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。3 .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 件和相關的信號調節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進入2

7、0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?879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 磁感線在管道內部均勻分布，如果管道內部沒有損傷，則金屬管道沒有破損，即 沒有漏磁；如果管道

8、內部存在損傷，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。圖1檢測流程圖2、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)

9、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。網(wǎng)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，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。霍爾線性器件的精度高、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，可達一 55c150c。4按照霍爾器

10、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?；魻栐?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電磁無損探傷

11、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

12、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，以此原理來檢測物體是否有缺陷。5,：r3 ：zo：1：0dkn:輸出波形- c霍爾元件：r5 ：4.7k)、r2ikq:r6 ：-t- i-4jkg4-ua7u1(kjkquo:二 112 v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

13、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。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

14、+兩者的實際方向相對公共端 恰好相同。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：uh=rh ib/d(1)圖6霍爾元件的工作原理圖uh-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;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

15、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。6ri、r2為阻值是1kq電阻；r3、%為阻值是100kq電阻；r5、r6為阻值是4.7kq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)需要的元器件清單表1元器件清單序號兀器件規(guī)格數(shù)量備注1電阻100kq22電阻1kq23電阻4.7k q24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

16、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?；魻杺鞲衅魇墙鼛啄臧l(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?是一種磁電轉換元件，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

17、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?；魻栃?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。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.東北石油大學課程設計成績評