在漏磁法探伤中霍尔传感器电子电路设计教材.docx

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在漏磁法探伤中霍尔传感器电子电路设计教材

探伤式传感器应用电路设计

摘要

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。

　霍尔效应是磁电效应的一种，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。

采用霍尔传感器，检测结果直接以电信号输出，经放大器放大，输入到报警电路，进行报警。

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IC，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VH。

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10Oe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。

关键字：

霍尔传感器，霍尔效应，无损探伤，报警电路

1绪论

1.1霍尔传感器发展状发展

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；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。

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。

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。

霍尔效应是磁电效应【1】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。

独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，价格昂贵，且被厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作，因此用户通常都不能对其加以扩展或自定义其功能。

仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功能对这台仪器来说都是独一无二的，另外开发这些仪器必须要用专门的技术和高成本的原部件，从而使他们身价颇高且不易更新，而虚拟仪器测试系统的功能可以由用户根据需要自行设计软件来定义或扩展，而不是只能由厂家事先定义且固定不可改变。

这样，用户不必购买多种不同功能的传统仪器，不必购买昂贵的集多种功能于一身的传统仪器，也不必不断购买新的仪器。

因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互连，用户只需改变软件程序就可不断赋予它或扩展增强它的测试能力。

这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。

虚拟仪器开创了一起使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给仪器使用者带来无尽的收益，而且使用仪器解决方案可以大幅降低资金成本、系统开发成本和系统维护成本，同时还为用户加快产品上市时间并提高产品质量。

1.2设计任务与要求

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1.3.1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。

1.3基本工作原理及框图

图1.3.1检测流程图

2设计方案及其特点

2.1电路方案说明

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。

2.2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传感器工作原理

3.1霍尔传感器的特性

3.1.1线性型霍尔传感器的特性

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，在B1～B2的磁[1]感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

3.1.2开关型霍尔传感器的特性

当外加的磁感应强度[2]超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。

Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

3.1.3基本补偿电路

图3.1.3补偿电路图

3.2霍尔传感器

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。

早期的霍尔效应的材料Insb（锑化铟）。

为增强对磁场的敏感度,在材料方面半导体IIIV元素族都有所应用。

近年来，除Insb之外，有硅衬底的，也有砷化镓的。

霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在150Ω~500Ω之间。

对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右，一般采用恒流供电法。

Insb与硅衬底霍尔器件典型工作电流为10mA。

而砷化镓典型工作电流为2mA。

作为低弱磁场测量，我们希望传感器自身所需的工作电流越低越好。

（因为电源周围即有磁场，就不同程度引进误差。

另外，目前的传感器对温度很敏感，通的电流大了，有一个自身加热问题。

（温升）就造成传感器的零漂。

这些方面除外附补偿电路外，在材料方面也在不断的进行改进。

霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件，从结构形式（品种）及用量、产量前者大于后者。

霍尔器件的响应速度大约在1us量级。

3.2.1磁阻传感器

磁阻传感器，磁敏二极管[3]是继霍尔传感器后派生出的另一种磁敏传感器。

采用的半导体材料于霍尔大体相同。

但这种传感器对磁场的作用机理不同，传感器内载流子运动方向与被检磁场在一平面内。

（顺便提醒一点，霍尔效应于磁阻效应是并存的。

在制造霍尔器件时应努力减少磁阻效应的影响，而制造磁阻器件时努力避免霍尔效应（在计算公式中，互为非线性项）。

在磁阻器件应用中，温度漂移的控制也是主要矛盾，在器件制备方面，磁阻器件由于与霍尔不同，因此，早期的产品为单只磁敏电阻。

由于温度漂移大，现在多制成单臂（两只磁敏电阻串联）主要是为补偿温度漂移。

目前也有全桥产品，但用法（目的）与霍尔器件略有差异。

据报导磁阻器件的响应速度同霍尔1uS量级。

磁阻传感器由于工作机理不同于霍尔，因而供电也不同，而是采用恒压源（但也需要一定的电流）供电。

当后续电路不同对供电电源的稳定性及内部噪声要求高低有所不同。

4霍尔传感器应用

按被检测对象的性质可将它们的应用分为：

直接应用和间接应用。

前者是直接检测受检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，这个磁场是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，转变成电学量来进行检测和控制。

4.1线性型霍尔传感器

4.1.1电流传感器

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。

利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。

其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

霍尔电流传感器工作原理，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

4.1.2位移测量

两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作△Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。

如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，是按这一原理制成的力传感器。

4.2开关型霍尔传感器

4.2.1测转速或转数

在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。

根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。

4.2.2霍尔效应还能够测量磁场

在工业、国防和科学研究中，例如在粒子回旋器、受控热核反应、同位素分离、地球资源探测、地震预报和磁性材料研究等方面，经常要对磁场进行测量，测量磁场的方法主要有核磁共振法、霍尔效应法和感应法等。

具体采用什么方法，要由被测磁场的类型和强弱来确定[4]。

霍尔效应法具有结构简单、探头体积小、测量快和直接连续读数等优点，特别适合于测量只有几个毫米的磁极间的磁场，缺点是测量结果受温度的影响较大。

4.2.3电磁无损探伤

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。

5霍尔传感器的工作原理

霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。

它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。

霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。

5.1.霍尔效应原理

将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场

，沿X方向通以工作电流I