霍尔传感器探伤要点

东北石油大学课程设计2013年7 月16日任务书课程传感器课程设计题目探伤式传感器应用电路设计专业测控技术与仪器姓名刘师学号100601240207主要内容：霍尔传感器无损探伤：应用在设备故障诊断、材料缺陷检测之中霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。

当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。

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。

基本要求：1、此霍尔传感器正常工作时能诊断设备故障。

2、此霍尔传感器正常工作时能检测材料缺陷。

主要参考资料：[1]陈杰.传感器与检测技术[M].北京.高等教育出版社.2002[2] 郁有文.传感器原理与工程应用[M].西安电子科技大学出版社.2001[3] 张福学.传感器电子学及其应用[M].北京.国防工业出版社.1990[4] 吴光杰.传感器与检测技术[M].重庆大学出版社.2011完成期限2013.7.12—2013.7.16指导教师专业负责人2013年7 月12 日摘要霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化，并且运用越来越广泛，且有许多优点，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，这与其结构和原理有很大的关联。

[1]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。

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，设计出简易的无损探伤设备。

探讨提高探伤精度的技术措施，介绍在工程中的应用实例。

关键词：霍尔效应；原理；无损探伤；磁场；漏磁目录一、设计要求 (1)1、功能及意义 (1)2、国内外发展现状 (1)二、设计方案及其特点 (2)1、方案说明 (2)2、方案论证 (3)三、传感器工作原理 (3)1、霍尔元件定义及其特点和制作 (3)2、霍尔元件电磁无损探伤原理 (3)四、电路的工作原理 (4)五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (5)1、单元电路设计 (5)2、参数计算 (6)3、器件选择 (7)六、总结 (7)探伤式传感器应用电路设计一、设计要求1、功能及意义霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。

如果在输入端通入控制电流I，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势U H。

在磁场力作用下，在金属或通电半导体中将产生霍耳效应，其输出电压与磁场强度成正比。

基于霍耳效应的霍耳传感器常用于测量磁场强度，其测量范围从100到几千奥斯特。

尽管人们早在1879年就知道了霍耳效应，但直到20世纪60年代末期，随着固态电子技术的发展，霍耳效应才开始被人们所应用。

2、国内外发展现状霍尔效应被发现100多年以来,它的应用发展经历了三个阶段：1.从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。

最初由于金属材料中的电子浓度很大而霍尔效应十分微弱所以没有引起人们的重视。

这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器，但实用价值不大，到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件，作为磁场传感器。

但是，由于当时未找到更合适的材料，研究处于停顿状态。

[2]2.从20世纪40年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器。

3.自20世纪60年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。

进入20世纪80年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。

霍尔效应自1879年被发现至今已有100多年的历史，我国从20世纪70年代开始研究霍尔器件，经过30余年的研究和开发，目前已经能生产各种性能的霍尔元件，例如普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温侧磁型和开关式的霍尔元件。

二、设计方案及其特点1、方案说明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，则金属管道没有破损，即没有漏磁；如果管道内部存在损伤，则金属管道损坏，有漏磁。

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。

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。

图1 检测流程图2、方案论证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。

[3]三、传感器工作原理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℃。

[4]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。

2、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小，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四、电路的工作原理通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力的作用，并有向两边聚集的倾向，由于自由电子的聚集(一边多一边必然少)从而形成电势差，在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。

从而形成了霍尔元件。

当霍尔元件的探头经过有缺陷的表面时，电路有波形输出，如果被测物表面平整，则无波形输出，以此原理来检测物体是否有缺陷。

图4 霍尔式无损探伤传感器电路图五、单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路设计运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。

运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。

运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

[5]运放如图有两个输入端a（反相输入端），b（同相输入端）和一个输出端o。

也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。

当电压U加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。

）之间，且其实际方向从a 端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。

当输入电压U+加在b端和公共端之间，U-与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。

图5 运算放大器2、参数计算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I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U H（见图6），其关系为：()d/=(1)RH⨯UH IB图6 霍尔元件的工作原理图U H---霍尔电压；R H---霍尔系数；d---霍尔元件的厚度；I---通过霍尔元件的电流；B---加在霍尔元件上的磁场磁力线密度；从上面的公式可以看出，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有关。

在电流强度恒定以及霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压正比于磁场强度。

当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变因此，霍尔元件可以用来测量磁场的大小及方向。

[6]R1、R2为阻值是1KΩ电阻；R3、R4为阻值是100KΩ电阻；R5、R6为阻值是4.7KΩ电阻；Uo为12V的直流电源。

3、器件选择本实验需要6个电阻，一个直流电源，一个UA714，及一个霍尔元件。

系统需要的元器件清单表1 元器件清单六、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。

霍尔传感器是近几年发展起来的具有测量、控制、保护等功能的新一代传感器，已成为当今传感器中最具代表性的产品，在国际工业市场上应用广泛。