霍尔传感器探伤要点.pdf
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1、东北石油大学 课程设计 2013 年 7 月 16 日 课程传感器课程设计 题目探伤式传感器应用电路设计 院系电气信息工程学院 专业班级测控技术与仪器10-02 班 学生姓名刘师 学生学号100601240207 指导教师段志伟宋金波 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
2、。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2013.7.122013.7.16 指导教师 专业负责人 201
3、3年 7 月 12 日 传感器课程设计 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
4、键词 :霍尔效应;原理;无损探伤;磁场;漏磁 传感器课程设计 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 传感器课程设计 1 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 , 18551938)
5、 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UH。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
6、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
7、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。 传感器课程设计 2 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
8、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
9、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 被检测 元件 用电 路检 测 用磁体磁 化元件 有波形 输出 无波形 输出 有损伤 无损伤 传感器课程设计 3 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
10、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 m级)。
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