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班學生姓名劉師學生學號100601240207指導教師段志偉宋金波2013年7月16日任務書課程傳感器課程設計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，產生橫向電位差的物理現象。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

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。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：陳杰.傳感器與檢測技術M.北京.高等教育出版社.2002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.2001張福學.傳感器電子學及其應用M.北京.國防工業(yè)出版社.1990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

3、，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TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 一、設計要求

4、1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 1、功能及意義1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2、國內外發(fā)展現狀1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 二、設計方案及其特點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、單元電路設計、參數計算和器件選擇5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1、單元電路設計5 HYP

6、ERLINK l bookmark34 o Current Document 2、參數計算6 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 3、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)現的。后來發(fā)現半導體、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

7、測定的霍爾系數，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。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，則在輸出端出現霍爾電勢uH。在磁場力作用下，在金屬或通電半導體中將產生霍耳效應，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。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)展現狀霍爾效應被發(fā)現100多年以來，它的應用發(fā)展經歷了三個階段：1從霍爾效應的發(fā)現到20世紀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)。2.從20世紀40年代中期半導體技術出現之后，隨著半導體材料、制造工藝和技術的應用，出現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20世紀80年代，隨著大規(guī)模超大規(guī)模

9、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，出現了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感器，實現了產品的系列化、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，經過30余年的研究和開發(fā)，目前已經能生產各種性能的霍爾元件，例如普通型、高靈敏度型、低溫度系數型、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；如果管道內部存在損傷，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象檢測鋼絲繩的損傷。由以上方案經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。

11、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，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

12、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、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

13、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2外加磁場作用下無缺陷的鐵磁性材料內部磁力線分布圖3表面缺陷引起的磁力線彎曲現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，在經過特殊工

14、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、單元電路設計、參數計算和器件選擇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的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現數學運算，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，也可以實現在半導體芯片當中。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

15、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。圖5運算放大器2、參數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

16、關系為：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；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)

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)格數量備注1電阻IOOKq22電阻IKq23電阻4.7Kq24直流電源12V15UA7141在現實生活中，由于輸油管道長期使用中易產生腐蝕、裂紋等缺陷，也容易受到地基不穩(wěn)、意外事故等影響產生位貌變化，如果產生的裂紋或損傷較小，就不容易被發(fā)現。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生的一些不易被發(fā)現的小損傷?；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

18、的磁場中時，在半導體和電流垂直的方向上產生電壓。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膶嵸|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。經過了這么多周的傳感實踐終于結束了，我收獲良多。首先，經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