霍爾傳感器探傷要點(diǎn)

1、東北石油大學(xué)課程設(shè)計課程傳感器課程設(shè)計題目探傷式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計院系電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級測控技術(shù)與儀器10-02班學(xué)生姓名劉師學(xué)生學(xué)號100601240207指導(dǎo)教師段志偉宋金波2013年7月16日任務(wù)書課程傳感器課程設(shè)計題目探傷式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè)測控技術(shù)與儀器姓名劉師學(xué)號100601240207主要內(nèi)容：霍爾傳感器無損探傷：應(yīng)用在設(shè)備故障診斷、材料缺陷檢測之中霍爾效應(yīng)，是指磁場作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。當(dāng)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(cè)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(dǎo)率特性之上。采用霍

2、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?、此霍爾傳感器正常工作時能診斷設(shè)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：陳杰.傳感器與檢測技術(shù)M.北京.高等教育出版社.2002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.2001張福學(xué).傳感器電子學(xué)及其應(yīng)用M.北京.國防工業(yè)出版社.1990吳光杰.傳感器與檢測技術(shù)M.重慶大學(xué)出版社.2011完成期限2013.7.122013.7.16指導(dǎo)教師專業(yè)負(fù)責(zé)人2013年7月12日傳感器課程設(shè)計摘要霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化，并且運(yùn)用越來越廣泛，且有許多優(yōu)點(diǎn)

3、，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)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(jié)構(gòu)和原理有很大的關(guān)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(guān)的場合中使用。在利用霍爾傳感器進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的無損探傷中，我們根據(jù)無損探傷原理，在理論的基礎(chǔ)上，討論了霍爾元件在獲取漏磁場變化信號中的特點(diǎn)，設(shè)計出簡易的無損探傷設(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：霍爾效應(yīng)；原理；無損探傷；磁場；漏磁目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 一、設(shè)計要求

4、1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1、功能及意義1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 二、設(shè)計方案及其特點(diǎn)2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1、方案說明2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2、方案論證3 HYPERLINK l bookmark22 o Current Documen

5、t 三、傳感器工作原理3 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1、霍爾元件定義及其特點(diǎn)和制作3 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2、霍爾元件電磁無損探傷原理3 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 四、電路的工作原理4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1、單元電路設(shè)計5 HYP

6、ERLINK l bookmark34 o Current Document 2、參數(shù)計算6 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3、器件選擇7六、總結(jié)7傳感器課程設(shè)計 探傷式傳感器應(yīng)用電路設(shè)計一、設(shè)計要求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)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(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)比金屬強(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)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

7、測定的霍爾系數(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)?；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(dǎo)體中將產(chǎn)生霍耳效應(yīng)，其輸出電壓與磁場強(qiáng)度成正比?；诨舳?yīng)的霍耳傳感器常用于測量磁場強(qiáng)度，其測量范圍從100到幾千奧斯特。盡管人們早在1879年就知道了霍耳效應(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)才開始被人們所應(yīng)用。2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)100多年以來，它的應(yīng)用發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：1從霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)40

8、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)十分微弱所以沒有引起人們的重視。這段時期也有人利用霍爾效應(yīng)制成磁場傳感器，但實(shí)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(dāng)時未找到更合適的材料，研究處于停頓狀態(tài)。2.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(jì)60年代開始，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

9、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，我國從20世紀(jì)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(cè)磁型和開關(guān)式的霍爾元件。二、設(shè)計方案及其特點(diǎn)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

10、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(lǐng)域幾乎都有所涉及，特別是霍爾傳感器在磁場方面的應(yīng)用，也就是漏磁檢測，在不同的領(lǐng)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(fù)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。

11、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，用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用，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)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)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(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m級）。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)一55C150C。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(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)

12、字量。按被檢測的對象的性質(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(shè)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(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)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制?；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、霍爾元件電磁無損探傷原理電磁無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，通過測量鐵磁性材料中由于缺陷所引起的磁導(dǎo)率變化

13、來檢查缺陷，鐵磁性材料在外加磁場的作用下被磁化，當(dāng)機(jī)械設(shè)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(dāng)有缺陷存在時，由于材料中缺陷的磁導(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

14、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。圖4霍爾式無損探傷傳感器電路圖五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元電路設(shè)計運(yùn)算放大器（簡稱“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

15、電子行業(yè)當(dāng)中。5運(yùn)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(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，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)際方向相對公共端恰好相同。圖5運(yùn)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(dǎo)體薄片構(gòu)成，當(dāng)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(qiáng)度成正比的霍爾電勢UH（見圖6）,其

16、關(guān)系為：UH二RHx（!B/d）（1）霍爾兀件的作原理圖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(qiáng)度和磁場強(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強(qiáng)度。當(dāng)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。6R、R2為阻值是1KQ電阻；R3、R4為阻值是100KQ電阻；R5、R6為阻值是4.7KQ電阻；56Uo為12V的直流電源。3、器件選擇本實(shí)驗(yàn)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)

17、需要的元器件清單表1元器件清單序號兀器件類型兀器件規(guī)格數(shù)量備注1電阻IOOKq22電阻IKq23電阻4.7Kq24直流電源12V15UA7141在現(xiàn)實(shí)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(rèn)為可以將此設(shè)計運(yùn)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(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，在國際工業(yè)市場上應(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

18、的磁場中時，在半導(dǎo)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(dǎo)體上,電子運(yùn)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(yùn)動，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(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強(qiáng)度變化成正比?；魻栃?yīng)的實(shí)質(zhì)就是將一個磁場能量通過霍爾元件轉(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)過這次無損探傷實(shí)踐，我對霍爾元件的了解更多了，在實(shí)踐的過程中，首先要注意的就是電路圖的設(shè)計，一定要簡單，作為一個大學(xué)生，我們的水平有限，不可能設(shè)計出像那種買的探傷儀那樣標(biāo)準(zhǔn)，一定要先想好自己想要設(shè)計出的準(zhǔn)度，不要設(shè)