传感器实训 霍尔元件无损探伤.docx

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传感器实训霍尔元件无损探伤

重庆三峡学院

课程设计（论文）

题目利用霍尔传感器进行机械设备的无损探伤

院系机械工程学院

专业机械设计及其自动化

年级2010级

学生姓名

学生学号20100702

指导教师吴光职称授

完成设计（论文）时间2012年12月

目录

摘要

关键词

1引言............................................................................................................................1

1.霍尔元件的基本原理.............................................................................................2

1.1霍尔元件的定义.....................................................................................................2

1.2霍尔元件的特点和应用.........................................................................................2

1.3霍尔元件的工作原理.............................................................................................2

2.利用霍尔元件设计无损探伤.................................................................................3

2.1设计所需要的元件.................................................................................................3

2.2设计方案与方法.....................................................................................................3

2.3设计电路图.............................................................................................................3

2.4各个元件介绍.........................................................................................................4

2.5运算放大器..............................................................................................................7

2.6电阻..........................................................................................................................9

2.7LED灯......................................................................................................................9

3.检测.........................................................................................................................9

3.1检测步骤.................................................................................................................9

3.2检测流程...............................................................................................................10

4.结论........................................................................................................................10

5.致谢........................................................................................................................11

6.参考文献................................................................................................................11

7.英文翻译................................................................................................................11

利用霍尔传感器进行机械设备的无损探伤

姓名：

杨鹏学号：

201007024226

重庆三峡学院机械工程学院机械设计制造及其自动化专业2010级机械二班

重庆万州404000

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，可在各种与磁场有关的场合中使用。

而利用霍尔元件的获取漏磁场变化信号中的特点，我们可以设计出简易的无损探伤设备。

关键词：

霍尔元件漏磁无损探伤

1引言

霍尔元件具有许多优点，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。

　　所谓霍尔效应，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。

金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。

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。

半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

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。

2霍尔元件的基本原理

1.1霍尔元件的定义

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。

1.2霍尔元件的特点和应用

霍尔元件结构牢固，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。

以微位移检测为基础，可以构成压力.应力.应变.机械振动.加速度.重量.称重等传感器。

1.3霍尔元件的工作原理

霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如图所示。

霍尔元件是一个N型半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流I，而在薄片垂直方向加以磁场氏则在半导体另外两侧便会产生一个大小与电流，和磁场B的乘积成工比的电压。

这个现象就是霍尔效应，所产生的电压叫霍尔电压UR.

式中:

UH---霍尔电压；

　　　　RH---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;

---元件形状函数，其中L为元件的长度，W为元件的宽度。

　　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。

3.利用霍尔元件设计无损探伤

2.1设计所需要的元件

5V电源、一千欧、十千欧电阻、UALM324运算放大器、74LS04反位器、三级管、霍尔元件

2.2设计方案与方法

经过我们小组的讨论最终确定的方案为：

利用霍尔元件的漏磁检测管道的无损探伤检测。

方法为：

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。

2.3设计

2.4HD74LS04P:

2.4.1什么是反相器

反相器是可以将输入信号的相位反转180度，这种电路应用在摸拟电路，比如说音频放大等。

在电子线路设计中,经常要用到反相器集成电路中，反相器能增大驱动能力

2.4.2电路组成

反相器

典型TTL与非门电路电路组成　　输入级——晶体管T1和电阻Rb1构成。

　　中间级——晶体管T2和电阻Rc2、Re2构成。

　　输出级——晶体管T3、T4、D和电阻Rc4构成，推拉式结构，在正常工作时，T4和T3总是一个截止，另一个饱和。

2.4.3反相器工作原理

当输入Vi=3.6V（高电平）　　Vb1=3.6+0.7=4.3V足以使T1（bc结）T2（be结）T3（be结）同时导通,一但导通Vb1=0.7+0.7+0.7=2.1V（固定值）,此时V1发射结必截止（倒置放

大状态）。

Vc2=Vces+Vbe2=0.2+0.7=0.9V不足以T3和D同时导通,

反相器

T4和D均截止。

　　V0=0.2V（低电平）　　当输入Vi=0.2V（低电平）　　Vb1=0.2+0.7=0.9V不足以使T1（bc结）T2（be结）T3（be结）同时导通,　　T2T3均截止,同时Vcc---Rc2----T4---D---负载形成通路,　　T4和D均导通。

　　V0=Vcc-VRc2（可略）-Vbe4-VD=5-0.7-0.7=3.6（高电平）　　结论:

输入高,输出低;输入低,输出高（非逻辑）

2.4.4TTL反相器各自特点

　　·TTL优势：

　　·1、工作速度快·2、带负载能力强·3、传输特性好　　

反相器

TTL反相器的电压传输特性　　电压传输特性是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲线，即UO=f（uI）函数关系。

如图2.3.2所示曲线大致分为四段：

　　AB段（截止区）：

当UI≤0.6V时，T1工作在深饱和状态，Uces1<0.1V，Vbe2<0.7V，故T2、T3截止，D、T4均导通，输出高电平UOH=3.6V。

　　TTL反相器的电压传输特性BC段（线性区）：

当0.6V≤UI<1.3V时，0.7V≤Vb2<1.4V，T2开始导通，T3尚未导通。

此时T2处于放大状态，其集电极电压Vc2随着UI的增加而下降，使输出电压UO也下降。

CD段（转折区）：

1.3V≤UI<1.4V，当UI略大于1.3V时，T2T3均导通，T3进入饱和状态，输出电压UO迅速下降。

　　DE段（饱和区）：

当UI≥1.4V时，随着UI增加T1进入倒置工作状态，D截止，T4截止，T2、T3饱和，因而输出低电平UOL=0.3V。

2.4.5CMOS反相器电路结构及工作原理

　　CMOS反相器电路如图2.7-1（a）（b）所示它由两个增强型MOS场效应管组成，其中V1为NMOS管，称驱动管，V2为PMOS管，称负载管。

NMOS管的栅源开启电压UTN为正值，PMOS管的栅源开启电压是负值，其数值范围在2~5V之间。

为了使电路能正常工作，要求电源电压UDD>（UTN+|UTP|）。

UDD可在3~18V之间工作，其适用范围较宽。

2.4.6工作原理

（1）当UI=UIL=0V时，UGS1=0，因此V1管截止，而此时|UGS2|>　　

反相器

|UTP|，所以V2导通，且导通内阻很低，所以UO=UOH≈UDD，即输出为高电平.　　

（2）当UI=UIH=UDD时，UGS1=UDD>UTN，V1导通，而UGS2=0<|UTP|，因此V2截止。

此时UO=UOL≈0，即输出为低电平。

可见，CMOS反相器实现了逻辑非的功能.　　CMOS反相器的主要特性?

　　CMOS反相器的电压传输特性如图2.7-2所示。

　　CMOS反相器的电流传输特性2.7-3图2.7-2CMOS反相器的电压传输特性　　在AB段由于V1截止，阻抗很高，所以流过V1和V2的漏电流几乎为0。

在CD段V2截止，阻抗很高，所以流过V1和V2的漏电流也几乎为0。

只有在BC段，V1和V2均导通时才有电流iD流过V1和V2，并且在UI=1/2UDD附近，iD最大。

2.4.774LS04反相器

在本次实验中，用于集成电路中，74LS04反相器将输入信号的相位反转180度，增大驱动能力，

2.4.874LS04芯片资料

2.4.974LS04中文资料

是六反相器，也就是6个非门。

非门的作用是倒相，就是输入高电平则输出低电平，输入低电平则输出高电平。

该器件一般是14个脚，一个电源、一个地，其余12个脚分别是6个非门的输入端

和输出端。

附图

（1）

作用是反向六位非门。

笼统说是用来把高电平信号变为低电平信号、倒相、有一点放大效果、还有芯片信号间交流的隔离。

在该实验组中主要隔交流作用。

其接线：

1-A12-Y13-A24-Y25-A36-Y37-GND8-Y49-A410-Y511-A512-Y613-A614-V

2.5运算放大器（LM324）

运算放大器（OperationalAmplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in,single-endedoutput）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。

一个理想的运算放大器必须具备下列特性：

无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。

最基本的运算放大器如图1-1。

一个运算放大器模组一般包括一个正输入端（OP_P）、一个负输入端（OP_N）和一个输出端（OP_O）。

在本实验中该由于电路电流非常小，该放大器放大电流

2.6电阻

R1、R2共同构成放大器的，R3电路中限流

2.7LED灯

作为检测信号

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：

按照如下电路图所示，利用如下元件设计出一个简单的探伤设备。

4.检测

3.1检测步骤HD74LS04P:

是六反向器，也就是6个非门。

非门的作用是倒相，就是输入高电平则输出低电平，输入低电平则输出高电平。

该器件一般是14个脚，一个电源、一个地，其余12个脚分别是6个非门的输入端

和输

一、检测步骤：

1、首先我们先将一块永磁体放在要测的金属件上，使其被完全磁化。

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件表面.

3.然后通过灯泡的观察是否亮来判断管道中是否存在损伤。

如果灯泡亮则说明工件内部存在损伤，反之则说明工件内部不存在损伤。

（图2）

（图3）

3.2检测流程

3.结论

经过了这么多周的传感实践终于结束了，我收获良多。

首先，经过这次无损探伤实践，我对霍尔元件的了解更多了，在实践的过程中，首先要注意的就是电路图的设计，一定要简单，作为一个大学生，我们的水平有限，不可能设计出像那种买的探伤仪那样标准，一定要先想好自己想要设计出的准度，不要设计太精准，也不可能设计出那种可以用于实践的探伤仪，所以我们要尽可能的简化，用我们学过的知识来设计电路图。

这次实验的过程中，我们遇到了很多的困难，比如设计了电路图，很多元件买不到，一些元件买来后不知道怎么连。

可见，书上的和实践毕竟是不同的，没有经过实践，是不可能真正的掌握我们所学是知识的。

实验中，我们连接电路的时候要注意绝缘，先要在电板上装上绝缘用的螺丝，免得触电，在实验中，我们将电路板放在了绝缘的书本上连接电路，而忘记了安装绝缘螺丝，这是本次实验做的还不够好的地方。

虽然电路图看着不复杂，但是由于连接电路的不熟悉，还是浪费了很多的元件和电路板。

经过本次实践，我学到了很多书本上没有的知识。

五.致谢

感谢我们的传感器与检测技术这门课程的专业课老师，在她的指导下，在本组成员胡从阳.余杰.罗勇.田靖韵的通力合作下，经过不懈努力，我们终于完成了这次课程设计无损探伤实践。

六.参考文献

[1]传感器与检测技术编著：

胡向东、刘京诚、余成波等；

[2]XX文库;

[3]传感器与检测技术课件编著：

吴勇灵

[4]吴光杰王海宝·传感器与检测技术[M]·重庆大学出版社·2011

[5]张洪润·传感器技术大全（下册）[M]·北京航空航天大学出版社·2007

[6]霍尔传感器原理以及应用[J]

[7]陈杰黄鸿传感器与检测技术[M].北京：

高等教育出版社.2002

[8]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

[9]张福学.传感器电子学及其应用[M].北京.国防工业出版社.1990

七.英文翻译

UseHallSensorForNon-destructiveTestingOfTheMachinery

YANGF-Peng

（Mechanicalengineeringcollege.ChongqingThreeGorgesUniversity,Wanzhou404000）

ABSTRACT：

Hallelementisakindofmagneticsensorbasedonhalleffect.Usethemcandetectthemagneticfieldanditschange,canbeinallsortsofrelevantandmagneticfieldinthecaseofuse.Andtheuseofhallelementforleakagemagneticfieldchangesthesignalcharacteristics,wecandesignasimpleNDTequipment.

KEYWORDS：

HallelementmagneticfluxleakageNDT