在漏磁法探傷中霍爾傳感器電子電路設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 i 頁(yè)探傷式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)摘 要霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，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)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。采用霍爾傳感器，檢測(cè)結(jié)果直接以電信號(hào)輸出，經(jīng)放大器放大，輸入到報(bào)警電路，進(jìn)行報(bào)警?；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 ic，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) vh。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?；诨舳?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 10oe

2、到幾千奧斯特。盡管人們?cè)缭?1879 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。關(guān)鍵字：霍爾傳感器， 霍爾效應(yīng)，無(wú)損探傷，報(bào)警電路 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 ii 頁(yè)目錄1 緒論.11.1 霍爾傳感器發(fā)展?fàn)畎l(fā)展.12 設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn).22.1 電路方案說(shuō)明.22.2 方案論證.23 傳感器工作原理.33.1 霍爾傳感器的特性.33.1.1 線性型霍爾傳感器的特性.33.1.2 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的特性.33.1.3 基本補(bǔ)償電路.33.2 霍爾傳感器.33.2.1 磁阻傳感器.44 霍爾傳感器應(yīng)用.44.1 線性型霍爾傳感器.44.1

3、.1 電流傳感器.44.1.2 位移測(cè)量.44.2 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器.54.2.1 測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù).54.2.2 霍爾效應(yīng)還能夠測(cè)量磁場(chǎng).5課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 iii頁(yè)4.2.3 電磁無(wú)損探傷.55 霍爾傳感器的工作原理.55.1.霍爾效應(yīng)原理.55.1.1 直放式電流傳感器.65.1.2 磁平衡式電流傳感器.75.2 霍爾元件電磁無(wú)損探傷原理.75.3 霍爾式接近開(kāi)關(guān)工作原理.86 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇.86.1 單元電路設(shè)計(jì).96.2 參數(shù)計(jì)算.97 電路設(shè)計(jì).117.1 測(cè)試原理.117.2 報(bào)警電路.11結(jié)論.13致 謝.14參考文獻(xiàn).15課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第1頁(yè)1 緒論1.1

4、 霍爾傳感器發(fā)展?fàn)畎l(fā)展霍爾效應(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；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)。 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，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。 自 20 世紀(jì) 60

5、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?；魻栃?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?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)【1】的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（a.h.hall

6、，18551938）于1879 年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)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)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器，例如示波器和波形發(fā)生器，價(jià)格昂貴，且被廠家限定了功能，只能完成一件或幾件具體的工作，因此用戶通常都不能對(duì)其加以擴(kuò)展或自定義其功能。儀器的旋鈕和開(kāi)關(guān)、內(nèi)置電路及用戶所能使用的功能對(duì)這臺(tái)儀器來(lái)說(shuō)都是獨(dú)一無(wú)二的，另外開(kāi)發(fā)這些儀器必須

7、要用專門的技術(shù)和高成本的原部件，從而使他們身價(jià)頗高且不易更新，而虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的功能可以由用戶根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)軟件來(lái)定義或擴(kuò)展，而不是只能由廠家事先定義且固定不可改變。這樣，用戶不必購(gòu)買多種不同功能的傳統(tǒng)儀器，不必購(gòu)買昂貴的集多種功能于一身的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第2頁(yè)傳統(tǒng)儀器，也不必不斷購(gòu)買新的儀器。因?yàn)樘摂M儀器可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互連，用戶只需改變軟件程序就可不斷賦予它或擴(kuò)展增強(qiáng)它的測(cè)試能力。這就是說(shuō)，儀器的設(shè)計(jì)制造不再是廠家的專利。虛擬儀器開(kāi)創(chuàng)了一起使用者可以成為儀器設(shè)計(jì)者的時(shí)代，這將給儀器使用者帶來(lái)無(wú)盡的收益，而且使用儀器解決方案可以大幅降低資金成本、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本和系統(tǒng)

8、維護(hù)成本，同時(shí)還為用戶加快產(chǎn)品上市時(shí)間并提高產(chǎn)品質(zhì)量。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求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 1.3.1 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。1.3 基本工作原理及框圖被檢測(cè)元件用電路檢測(cè)用磁體磁化元件有波形輸出

9、無(wú)波形輸出有損傷無(wú)損傷圖 1.3.1 檢測(cè)流程圖2 設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)2.1 電路方案說(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；課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第3頁(yè)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。2.2 方案論證目前霍爾傳感器的用途越來(lái)越廣

10、，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 傳感器工作原理3.1 霍爾傳感器的特性3.1.1 線性型霍爾傳感器的特性輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，在 b1b2 的磁1感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。3.1.2 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的特性當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度2超過(guò)動(dòng)作點(diǎn) bop 時(shí)，傳感器輸出低電平，

11、當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn) bop 以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn) brp 時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。bop 與 brp 之間的滯后使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為可靠。 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)動(dòng)作點(diǎn) bop 時(shí)，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌?chǎng)撤消后，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)） ，必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到 brp 時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。3.1.3 基本補(bǔ)償電路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第4頁(yè)圖 3.1.3 補(bǔ)償電路圖3.2 霍爾傳感器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

12、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。早期的霍爾效應(yīng)的材料 insb(銻化銦)。為增強(qiáng)對(duì)磁場(chǎng)的敏感度,在材料方面半導(dǎo)體 iiiv 元素族都有所應(yīng)用。近年來(lái)，除 insb 之外，有硅襯底的，也有砷化鎵的。霍爾器件由于其工作機(jī)理的原因都制成全橋路器件，其內(nèi)阻大約都在150500 之間。對(duì)線性傳感器工作電流大約在 210ma 左右，一般采用恒流供電法。insb 與硅襯底霍爾器件典型工作電流為 10ma。而砷化鎵典型工作電流為 2 ma。作為低弱磁場(chǎng)測(cè)量，我們希望傳感器自身所需的工作電流越低越好。（因?yàn)殡娫粗車从写艌?chǎng)，就不同程度引進(jìn)誤差。另外，目前的傳感器對(duì)溫度很敏感，通

13、的電流大了，有一個(gè)自身加熱問(wèn)題。（溫升）就造成傳感器的零漂。這些方面除外附補(bǔ)償電路外，在材料方面也在不斷的進(jìn)行改進(jìn)?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢?，一類為開(kāi)關(guān)型器件，一類為線性霍爾器件，從結(jié)構(gòu)形式（品種）及用量、產(chǎn)量前者大于后者?；魻柶骷捻憫?yīng)速度大約在 1us 量級(jí)。3.2.1 磁阻傳感器磁阻傳感器，磁敏二極管3是繼霍爾傳感器后派生出的另一種磁敏傳感器。采用的半導(dǎo)體材料于霍爾大體相同。但這種傳感器對(duì)磁場(chǎng)的作用機(jī)理不同，傳感器內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)方向與被檢磁場(chǎng)在一平面內(nèi)。（順便提醒一點(diǎn)，霍爾效應(yīng)于磁阻效應(yīng)是并存的。在制造霍爾器件時(shí)應(yīng)努力減少磁阻效應(yīng)的影響，而制造磁阻器件時(shí)努力避免霍爾效應(yīng)（在計(jì)算公式中，互為非

14、線性項(xiàng)）。在磁阻器件應(yīng)用中，溫度漂移的控制也是主要矛盾，在器件制備方面，磁阻器件由于與霍爾不同，因此，早期的產(chǎn)品為單只磁敏電阻。由于溫度漂移大，現(xiàn)在多制成單臂（兩只磁敏電阻串聯(lián)）主要是為補(bǔ)償溫度漂移。目前也有全橋產(chǎn)品，但用法（目的）與霍爾器件略有差異。據(jù)報(bào)導(dǎo)磁阻器件的響應(yīng)速度同霍爾1us 量級(jí)。磁阻傳感器由于工作機(jī)理不同于霍爾，因而供電也不同，而是采用恒壓源（但也需要一定的電流）供電。當(dāng)后續(xù)電路不同對(duì)供電電源的穩(wěn)定性及內(nèi)部噪聲要求高低有所不同。4 霍爾傳感器應(yīng)用課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第5頁(yè)按被檢測(cè)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)受檢對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受

15、檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)是被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、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)變成電學(xué)量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。4.1 線性型霍爾傳感器4.1.1 電流傳感器 由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng)，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。 霍爾電流傳感器工作原理，標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，

16、則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。 4.1.2 位移測(cè)量 兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在 z 軸上作z 位移時(shí)，傳感器有一個(gè)電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測(cè)出拉力及壓力的大小，是按這一原理制成的力傳感器。4.2 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器4.2.1 測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù) 在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。 如果把開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的

17、永磁體經(jīng)過(guò)它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。4.2.2 霍爾效應(yīng)還能夠測(cè)量磁場(chǎng) 在工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)研究中，例如在粒子回旋器、受控?zé)岷朔磻?yīng)、同位素分離、地球資源探測(cè)、地震預(yù)報(bào)和磁性材料研究等方面，經(jīng)常要對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量磁場(chǎng)的方法主要有核磁共振法、霍爾效應(yīng)法和感應(yīng)法等。具體采用什么方法，要由被測(cè)磁場(chǎng)的類型和強(qiáng)弱來(lái)確定4。霍爾效應(yīng)法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探頭體積小、測(cè)量快和直接連續(xù)讀數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于測(cè)量只有幾個(gè)毫米的磁極間的磁場(chǎng)，缺點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果受溫度的影響較大。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第6頁(yè)4.2.3 電磁無(wú)損探傷 霍爾效應(yīng)無(wú)損探傷方法安全、可靠、實(shí)用，并能實(shí)現(xiàn)無(wú)

18、速度影響檢測(cè)，因此，被應(yīng)用在設(shè)備故障診斷、材料缺陷檢測(cè)之中。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。鋼絲繩作為起重、運(yùn)輸、提升及承載設(shè)備中的重要構(gòu)件，被應(yīng)用于礦山、運(yùn)輸、建筑、旅游等行業(yè)，但由于使用環(huán)境惡劣，在它表面會(huì)產(chǎn)生斷絲、磨損等各種缺陷，所以，及時(shí)對(duì)鋼絲繩探傷檢測(cè)顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最可靠、最實(shí)用的方法就是漏磁檢測(cè)方法，根據(jù)這一檢測(cè)方法設(shè)計(jì)的斷絲探傷檢測(cè)裝置，如 emtc 系列鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)儀，其金屬截面積測(cè)量精度為 0.2，一個(gè)捻距內(nèi)斷絲有一根誤判時(shí)準(zhǔn)確率90，性能良好，在生產(chǎn)中有著廣泛的用途。5

19、 霍爾傳感器的工作原理霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式。霍爾電流傳感器一般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、 （次級(jí)線圈）和放大電路等組成。5.1.霍爾效應(yīng)原理 將一塊半導(dǎo)體或?qū)w材料，沿 z 方向加以磁場(chǎng)b，沿 x 方向通以工作電流 i，則在 y 方向產(chǎn)生出電動(dòng)勢(shì)hv，如圖 1 所示，這現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)5。hv稱為霍爾電壓 圖 5.1 圖 5.2實(shí)驗(yàn)表明，在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電位差hv與電流強(qiáng)度 i 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 b 成正比，與板的厚度 d 成反比，即式（1）中hr稱為霍爾系數(shù)，式（2）中hk稱為霍爾元件的靈敏度，單位為 mv / (mat)。+-vhehefm

20、fbidbabzxy+-vhehfmfebbidabdibrvhh課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第7頁(yè)產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是形成電流的作定向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子即載流子（n 型半導(dǎo)體中的載流子是帶負(fù)電荷的電子，p 型半導(dǎo)體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場(chǎng)中所受到的洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。 或 5.1.1 直放式電流傳感器眾所周知，當(dāng)電流通過(guò)一根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生一磁場(chǎng)，這一磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流成正比，它可以通過(guò)磁芯聚集感應(yīng)到霍爾器件上并使其有一信號(hào)輸出。這一信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后直接輸出，一般的額定輸出標(biāo)定為 4v。5.1.2 磁平衡式電流傳感器磁平衡式電流傳感器也稱補(bǔ)償式傳感器，即主回路被測(cè)電流 i

21、p 在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償， 從而使霍爾器件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。磁平衡式電流傳感器的具體工作過(guò)程為：當(dāng)主回路有一電流通過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)到霍爾器件上， 所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流 is。 這一電流再通過(guò)多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng) ，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)， 使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與 ip 與匝數(shù)相乘 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，is 不再增加，這時(shí)的霍爾器件起指示零磁通的作用 ，此時(shí)可以通過(guò) is 來(lái)平衡。被測(cè)電流的任何變化都會(huì)破壞這一平衡。 一旦磁場(chǎng)失去平衡

22、，霍爾器件就有信號(hào)輸出。經(jīng)功率放大后，立即就有相應(yīng)的電流流過(guò)次級(jí)繞組以對(duì)失衡的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。從磁場(chǎng)失衡到再次平衡，所需的時(shí)間理論上不到1s，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。5.2 霍爾元件電磁無(wú)損探傷原理電磁無(wú)損探傷原理6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，當(dāng)有缺陷存在時(shí)，由于材料中缺陷的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)比鐵磁材料本身小，至使ibkvhh課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第8頁(yè)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

23、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 5.2.1 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 5.2.2 表面缺陷引起的磁力線彎曲現(xiàn)象及磁場(chǎng)泄漏情況5.3 霍爾式接近開(kāi)關(guān)工作原理霍爾式接近開(kāi)關(guān)屬于一種有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器，它由 lc 高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開(kāi)關(guān)，使接近開(kāi)關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無(wú)金屬物體接近，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。這種接近開(kāi)關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是金屬物體。工作流程方框圖 當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，

24、薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢(shì) u，其表達(dá)式為u=kib/d （3）其中 k 為霍爾系數(shù)，i 為薄片中通過(guò)的電流，b 為外加磁場(chǎng)（洛倫慈力 lorrentz）的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d 是薄片的厚度。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第9頁(yè) 由此可見(jiàn)，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的關(guān)系。我門銷售的霍爾開(kāi)關(guān)就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，同時(shí)又具備工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。霍爾開(kāi)關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度 b 來(lái)表征的，當(dāng) b 值達(dá)到一定的程

25、度（如 b1）時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開(kāi)關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出，和接近開(kāi)關(guān)類似有 npn、pnp、常開(kāi)型、常閉型、鎖存型（雙極性） 、雙信號(hào)輸出之分。 霍爾開(kāi)關(guān)具有無(wú)觸電、低功耗、長(zhǎng)使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹(shù)脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作?；魻栭_(kāi)關(guān)可應(yīng)用于接近開(kāi)關(guān)，壓力開(kāi)關(guān)，里程表等，作為一種新型的電器配件?；魻栭_(kāi)關(guān)的功能類似干簧管磁控開(kāi)關(guān)，但是比它壽命長(zhǎng)，響應(yīng)快無(wú)磨損，而且安裝時(shí)要注意磁鐵的極性，磁鐵極性裝反無(wú)法工作。6 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇6.1 單元電路設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的

26、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。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)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

27、 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。圖 6.1 運(yùn)算放大器課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第10頁(yè)6.2 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 6.2），其關(guān)系為： (1)d/uhibrh 圖 6.2 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(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；從上面的公式可以看出，霍爾電壓正

28、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；課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第11頁(yè)uo 為 12v 的直流電源。6.3 霍爾式接近開(kāi)關(guān)選擇m12 霍爾式接近開(kāi)關(guān)（npn/pnp 三極管驅(qū)動(dòng)輸出）檢測(cè)距離：110 毫米工作電壓：330v 直流工作電流：小于 5 毫安響應(yīng)頻率：5000hz輸出電流：100 毫安，感性負(fù)載 50 毫安溫度范圍：

29、4070 度安裝方式：埋入式 圖 6.3 霍爾傳感器簡(jiǎn)圖 圖 6.4 霍爾傳感器簡(jiǎn)圖圖 6.5 霍爾傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)這是最常用的霍爾開(kāi)關(guān)，它的直徑為 12 毫米，固定時(shí)只要在設(shè)備外殼上打一個(gè) 12 毫米的園孔就能輕松固定，長(zhǎng)度約 30 毫米，背后有工作指示燈，當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)紅色 led 點(diǎn)亮，平時(shí)處于熄滅狀態(tài)，非常直觀，引線長(zhǎng)度為 100 毫米。7 電路設(shè)計(jì)7.1 測(cè)試原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第12頁(yè)在探傷過(guò)程中，使鋼棒不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，而探頭和帶鐵芯的激勵(lì)線圈沿鋼棒軸向運(yùn)動(dòng)，可以快速地對(duì)鋼棒的全部表面是否有缺陷進(jìn)行全面檢測(cè)，當(dāng)鋼棒表面無(wú)缺陷，即無(wú)泄漏磁通，霍爾傳感器探頭沒(méi)有信號(hào)輸出，報(bào)警電路的指示燈為綠燈

30、。若鋼棒上的裂紋旋轉(zhuǎn)至鐵芯下，裂紋處的泄漏磁通作用于探頭，探頭將泄漏磁通量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸出到報(bào)警電路，報(bào)警電路的指示燈為紅光，從而報(bào)警。7.2 報(bào)警電路由圖可知當(dāng)輸入電壓大于閾值電壓 時(shí)紅色二極管發(fā)光進(jìn)行報(bào)警，若輸入電壓小于 3v 時(shí)，就會(huì)發(fā)出綠光，表示被測(cè)器件可以使用。由一個(gè) ua748cp 運(yùn)算放大器及兩個(gè)電阻，兩個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的比較及報(bào)警電路。如圖 7.1 所示圖 7.1 報(bào)警電路圖課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第13頁(yè)結(jié)論本設(shè)計(jì)研究了一種基于磁敏二極管傳感器技術(shù)和霍爾效應(yīng)。通過(guò)磁敏二極管感應(yīng)磁場(chǎng)變化為核心，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開(kāi)關(guān)電路。開(kāi)關(guān)電路接通后又可持續(xù)控制磁場(chǎng)變化，是一種可行性非常高的方案。在本次的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我又對(duì)磁敏式傳感器的使用有了更進(jìn)一步的了解，尤其是磁敏二極管的磁電特性、伏安特性和溫度特性有了更深的認(rèn)識(shí)。其次對(duì)畫(huà)圖軟件 autocad 的使用有了很大的收獲，本設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是需要的磁敏二極管特征完全相同，在方案改進(jìn)方面，可以考慮將磁敏二極管換成磁敏三極管，以期更好的靈敏度。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多東西。從查資料，整理資料到讀程序，寫(xiě)程序，改程序，仿真直至通過(guò)老師的驗(yàn)收，一切都充滿了刻苦與艱辛，其間充滿了挫折可是同時(shí)又伴隨著歡樂(lè)。