课程设计说明书 第I页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100e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，报警电路课程设计说明书 第II页目录1 绪论 11.1 霍尔传感器发展状发展 12 设计方案及其特点 22.1电路方案说明 22.2方案论证 33 传感器工作原理 33.1 霍尔传感器的特性 33.1.1 线性型霍尔传感器的特性 33.1.2 开关型霍尔传感器的特性 33.1.3 基本补偿电路 33.2霍尔传感器 43.2.1 磁阻传感器 44 霍尔传感器应用 44.1线性型霍尔传感器 54.1.1 电流传感器 54.1.2 位移测量 54.2开关型霍尔传感器 54.2.1 测转速或转数 54.2.2 霍尔效应还能够测量磁场 54.2.3 电磁无损探伤 55 霍尔传感器的工作原理 6课程设计说明书 第III页5.1.霍尔效应原理 65.1.1 直放式电流传感器 75.1.2 磁平衡式电流传感器 75.2 霍尔元件电磁无损探伤原理 75.3霍尔式接近开关工作原理 86 单元电路设计、参数计算和器件选择 96.1 单元电路设计 96.2 参数计算 97 电路设计 117.1测试原理 117.2报警电路 12结论 13致 谢 14参考文献 151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.HaH, 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150Q ~500Q 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2 mA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［堤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 luS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AZ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。