利用霍尔传感器进行机械设备的无损探伤

利用霍尔传感器进行机械设备的无损探伤

李毅，罗瑶，卢海，蒙家配，祝立羽

（黔南民族师范学院物理与电子科学系 08电子班，贵州都匀 558000）

摘要：霍尔器件的运用越来越广泛，与其结构和原理有很大的关联，在利用霍尔传感器进行机械设备的无损探伤中，我们根据无损探伤原理，在理论的基础上，讨论了霍尔元件在获取漏磁场变化信号中的特点，探讨了提高探伤精度的技术措施，介绍了在工程中的应用实例。

关键词：霍尔效应原理结构无损探伤磁场漏磁

引言：霍尔效应无损探伤方法安全、可靠、实用，并能实现无速度影响检测，因此，被应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中。其探伤原理是建立在铁磁性材料的高磁导率特性之上。采用霍尔元件检测该泄漏磁场B的信号变化，可以有效地检测出缺陷存在。钢丝绳作为起重、运输、提升及承载设备中的重要构件，被应用于矿山、运输、建筑、旅游等行业，但由于使用环境恶劣，在它表面会产生断丝、磨损等各种缺陷，所以，及时对钢丝绳探伤检测显得尤为重要。目前，国内外公认的最可靠、最实用的方法就是漏磁检测方法，根据这一检测方法设计的断丝探伤检测装置，如EMTC 系列钢丝绳无损检测仪，其金属截面积测量精度为±0.2％，一个捻距内断丝有一根误判时准确率>90％，性能良好，在生产中有着广泛的用途。

一、霍尔器件的基本原理

1.1：霍尔元件定义及其特点和制作

霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者

输出数字量。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等。

1.2：霍尔元件的工作原理

霍尔元件是一个四端子元件，由矩形半导体薄片构成，当霍尔元件a、b端通以恒定电流Ic时，在其表面垂直方向施加磁场B，则在c、d端累积电荷形成与控制电流、磁场强度成正比的霍尔电势VN（见图1），其关系为：

VN=K·Ic·B·cosa

图1 霍尔元件的工作原理图

式中，K为霍尔元件的灵敏度系数；a为B与霍尔元件法向n之间的夹角，在磁路中，当霍尔元件安装后a角一般为定角，这是如果霍尔元件采用恒流源供电，即Ic为常量，则VN与B成正比。

1.3霍尔元件电磁无损探伤原理

电磁无损探伤原理是建立在铁磁性材料的高磁导率这一特性之上，通过测量铁磁性材料中由于缺陷所引起的磁导率变化来检查缺陷，铁磁性材料在外加磁场的作用下被磁化，当机械设备无缺陷时，磁力绝大部分通过铁磁材料，此时在材料的内部磁力线均

匀分布（见图2），当有缺陷存在时，由于材料中缺陷的磁导率远比铁磁材料本身笑，至使磁力线发生弯曲，并且有一部分磁力线泄漏出材料表面（见图3），采用霍尔元件检测该泄漏磁场B的信号变化，就能有效地检测缺陷的存在。

图2 外加磁场作用下无缺陷的铁磁性材料内部磁力线分布

图3 表面缺陷引起的磁力线弯曲现象及磁场泄漏情况

二、下面是我们的基本设计方案

目前霍尔传感器的用途越来越广，在不同的领域几乎都有所涉及，特别是霍尔传感器在磁场方面的应用，也就是漏磁检测，在不同的领域漏磁检测的方法也使不同的，因此我们方案如下：

方案一：利用霍尔元件的漏磁检测管道的无损探伤检测。

方案二：利用霍尔元件的漏磁现象检测钢丝绳的损伤。

由以上方案我们经过反复讨论最终确定为用漏磁对管道的探伤确定为我们的最佳方案，因此其设计与原理过程如下：

我们的的检测方法如下：

按照如下电路图（图4）所示，利用如下元件设计出一个简单的探伤设备。

图4 漏磁电路检测图

元件：小管道、霍尔元件、示波器、电阻若干、uA714、电源、永磁铁；

一、检测步骤：

1、首先我们先将一块永磁体放在一个小管道上，使其金属管道被完全磁化。使磁感线在管道内部均匀分布，如果管道内部没有损伤，则如图2所示；如果管道内部存在损伤则如图3所示。

2、其次我们先将检测电路按照需要连接好，如图4所示，将连接好的电路通过霍尔元件探头把它放到被检测的金属管道表面，然后通过示波器观察是否有波形输出来判断管道中是否存在损伤。

3、我们通过示波器观察到示波器上有不规则波形输出，由此我们得出了我们选用的管道存在损伤。

二、检测流程如下图：

总结 ：在现实生活中，由于输油管道长期使用中易产生腐蚀、裂纹等缺陷，也容易受到地基不稳、意外事故等影响产生位貌变化，如果产生的裂纹或损伤较小，就不容易被发被检测

元件 用磁体磁化元件 用电路检测 有波形输

出

无波形输

出 有损伤

无损伤

现。由此我们认为可以将此设计运用到输油管道的检测上，有效的解决了输油管道产生的一些不易被发现的小损伤。

我们的实验目前只是理论方面的描述，但我们觉得该实验应该可以实现我们的设想。若有不足还请老师指正。

参考文献：

[1] 传感器与检测技术编著：胡向东、刘京诚、余成波等；

[2] 百度文库;

[3] 传感器与检测技术课件编著：吴勇灵