基于霍爾效應磁探傷檢測鐵管構(gòu)造缺陷

馬鳳翔

(北京林業(yè)大學 理學院，北京 100083)

霍爾效應(Hall effect)是霍爾(Ed-win H．Hall)在他24歲研究金屬的導電機制時發(fā)現(xiàn)的一種電磁效應，在導體或半導體某兩個面加磁場，且有垂直磁場的電流通過另外兩個平面，則在垂直于電流和磁場方向的另兩個面之間會建立起一個穩(wěn)定的電場，由此電場產(chǎn)生的電勢差，稱為霍爾電壓，這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應[1,2]。伴隨半導體材料和制造工藝的發(fā)展，霍爾效應從被發(fā)現(xiàn)起就得到了顯著的應用，霍爾效應對近代和現(xiàn)代的科學技術(shù)發(fā)展起到了重要的作用，在磁性材料，同位素分離、受控熱核反應、地震預報、地球資源探測，離子回旋器，電動控制，測量，計算裝置民業(yè)、工業(yè)、國防和科學研究等諸多方面都有它的影子。

1 檢測原理

無損探測漏磁檢測是現(xiàn)代檢測的熱門技術(shù)，基本原理是利用鐵磁性材料在外加磁場的作用下被磁化，若材料內(nèi)部材質(zhì)連續(xù)、均勻，材料中的磁感應線會被約束在材料中，若材料中無缺陷，磁力線絕大部分通過鐵磁性材料，此時在材料內(nèi)部，磁力線分布均勻，在材料外部僅有少量的漏磁通；若鐵磁性材料表面或近表面存在裂紋等缺陷，由于材料中缺陷處磁導率遠比材料本身小，缺陷處磁阻增大,從而使通過該區(qū)域的磁場發(fā)生畸變，磁力線發(fā)生彎曲，一部分磁力線泄漏出材料表面，就會在缺陷處形成泄漏磁場，采用磁敏元件對缺陷處漏磁場進行檢測，將漏磁場轉(zhuǎn)換成電信號并進行處理，就可以得到缺陷處的位置[3-5]。本文沒有將漏磁場轉(zhuǎn)換為電信號，而是直接利用漏磁場的畸變直接解析缺陷位置。具體實驗思路：(1)將結(jié)構(gòu)完好的鐵管套裝在通電螺線管內(nèi)，利用霍爾元件測出完好鐵管中軸線上磁場分布；(2)將材料大小形狀與結(jié)構(gòu)完好鐵管完全一樣的有缺陷的鐵管套裝在通電螺線管內(nèi)，利用霍爾元件測出有損鐵管中軸線上磁場分布；(3)將完好鐵管與缺陷鐵管中軸線上磁場的分布做對照，解析有損鐵管缺陷位置。

2 檢測裝置

(1)DH4512型霍爾效應螺線管實驗儀(由實驗架和測試儀兩個部分組成，實驗架由勵磁裝置通電螺線管和檢測傳感器霍爾元件構(gòu)成，測試儀檢測實驗架中的霍爾電壓，杭州大華儀器制造有限公司生產(chǎn))。(2)能夠與通電螺線管同軸等長的有裂縫的待檢測鐵管和無裂縫完好的對照鐵管。

3 實驗原理

如圖1所示，由一塊半導體薄片制成的霍爾元件，其四個面各焊有一個電極1、2、3、4將其放在垂直于其表面的磁場中，半導體中的電流由載流子的定向移動引起，在3、4兩側(cè)面通以穩(wěn)恒電流I。在電流建立的初始階段，一個以速度v運行的載流子在洛倫茲力了fB的作用下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，并最后堆積在1、2兩個側(cè)面形成靜電場E。E形成后，載流子受到洛倫茲力的同時，還受到靜電力的作用，而靜電作用力fE與洛倫茲力fB的方向相反，所以當半導體1、2兩側(cè)面上積累的電荷量達到一定程度時，靜電用力fE與洛倫茲力fB相互抵消，此時載流子的漂移運動停止，達到穩(wěn)定狀態(tài)，在1、2兩個側(cè)面產(chǎn)生一電勢差霍爾電壓(VH)。在此情況下：

圖1 霍爾效應原理示意圖

(1)

(1)式中，e為載流子的電量，b為霍爾元件的寬度。又

fB=ev·B

(2)

(2)式中，v為載流子的移動速度，B為磁感應強度。電荷積累達到平衡時，fB=fE，所以有

(3)

根據(jù)電流強度定義，工作電流I可以表示為

I=nevbd

(4)

(4)式中，n為載流子濃度，d為霍爾元件的厚度，消去v，(3)式與(4)式相比得，

(5)

(6)

(5)式中KH=1/(ned)稱為霍爾元件靈敏度或霍爾系數(shù)，單位為mV/(mA·T)，表示霍爾元件在單位磁感應強度和單位工作電流時霍爾電壓的大小，從式(5)可知，如果知道了KH，用儀器測出VH和I，就可以算出B，這就是利用霍爾效應測磁場的原理[1,2]。

在實際測量霍爾電壓的過程中，有些負效應產(chǎn)生的附加電勢差疊加在霍爾電壓上，形成了測量中的系統(tǒng)誤差，實驗中采用“對稱法”測量加以消除，通過工作電流和磁場換向，得到四種工作狀態(tài)，通過四種工作狀態(tài)的換算消除附加電勢差的影響。最終得到霍爾元件所測霍爾電壓公式為：

(7)

其中四種工作狀態(tài)測量的情況表示如下：(+I、+B)測得1、2端電壓為V1；(-I、+B)測得1、2端電壓為V2；(+I、-B)測得1、2端電壓為V3；(-I、-B)測得1、2端電壓為V4。

另一方面，鐵磁材料的磁導率很高，在外磁場作用下可以被強烈磁化，被磁化的鐵磁材料要產(chǎn)生附加的磁場，從而使原來的磁場發(fā)生變化[9]。本實驗中如果通電螺線管軸線的磁感應強度為B0，與螺線管同軸等長的鐵管被磁化后產(chǎn)生的附加磁感應強度為B′，那么中心軸線上的磁感應強度B應該是二者的疊加，即

B=B0+B′

(8)

4 實驗過程

(1)調(diào)零校準霍爾測試儀數(shù)字電壓表，確定工作電流IS及勵磁電流IM的正負方向，Is的兩個方向記為(+，-)，IM兩個方向記為(+，-)。

(2)調(diào)節(jié)勵磁電流為0.5 A，工作電流為3 mA，保持不變。

(3)使霍爾元件處于螺線管中心，讀出霍爾元件位于通電螺線管中軸線上不同位置處的數(shù)字電壓表讀數(shù)，霍爾元件移動步長1 cm，按順序調(diào)節(jié)IS和IM換向開關(guān)，將I和B換向，讀出相應的數(shù)字電壓表示數(shù)V1、V2、V3、V4，記錄在表1中。

表1 在工作電流和勵磁電流不同方向組合下螺線管中 軸線上不同位置處霍爾元件的霍爾電壓測量

續(xù)表

(4)以IS和IM組合的四種情況下所讀電壓，按照公式(8)計算出中軸線對應各個位置處的霍爾電壓值，以及相應的磁感應強度值。

(5)將與通電螺線管等長完好的鐵管同軸套入通電螺線管中磁化2分鐘，待鐵管完全磁化后，重復步驟(3)和(4)，讀出霍爾元件位于鐵管中軸線各個位置處的數(shù)字電壓表示數(shù)，記錄在表2中。

表2 加入完好鐵管在工作電流和勵磁電流不同方向組合下 中軸線上不同位置處霍爾元件的霍爾電壓測量值

續(xù)表

(6)取出完好鐵管，將中央結(jié)構(gòu)有缺陷的鐵管同軸套入通電螺線管中磁化2分鐘，待完全磁化后，重復步驟(3)和(4)，讀出霍爾元件位于缺陷鐵管中軸線上各個位置處的數(shù)字電壓表示數(shù)，記錄在表3中。

表3 加破損鐵管在工作電流和勵磁電流不同方向組合下 中軸線上不同位置處霍爾元件的霍爾電壓測量值

(7)以中軸線位置為橫坐標，中軸線位置所對應的磁感應強度B為縱坐標，分別繪制霍爾元件位于通電螺線管，完好鐵管，缺陷鐵管中軸線上不同位置時的磁感應強度分布曲線，見圖2。

圖2 霍爾元件位于通電螺線管、完好鐵管、破損鐵管中 軸線不同位置處的磁感應強度分布曲線

5 實驗數(shù)據(jù)記錄與分析

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)通電螺線管(裸管)中軸線磁場均勻分布，如果套裝了完好的鐵管，鐵管被磁化，磁化后合磁場只是大小發(fā)生了變化，但仍然是均勻磁場；如果套裝了有缺陷的鐵管，磁化后合磁場不僅大小發(fā)生了變化，同時發(fā)現(xiàn)在有缺陷的位置處磁感應強度曲線發(fā)生了顯著的畸變，根據(jù)磁感應強度曲線發(fā)生畸變的特征點位置坐標見表2，反推出鐵管缺陷位置位于鐵管125 mm附近。

6 小 結(jié)

本文在實驗室現(xiàn)有儀器的基礎(chǔ)上，利用霍爾效應測磁場實驗中場線的分布，結(jié)合無損磁探傷檢測原理，創(chuàng)造性地設計了鐵管瑕疵檢測，拓展和豐富了大學物理實驗的教學內(nèi)容和范圍，使學生對霍爾效應的認識和應用有一個更加全面深刻理解，強化了學生對磁場分布特性的再認識。通過霍爾效應漏磁檢測實驗的設計到實驗的完成，再到論文的撰寫，使學生體驗到如何從想法到結(jié)果和收獲的創(chuàng)造過程，培養(yǎng)了他們分析問題，解決問題和處理問題的能力，激發(fā)了他們動手實驗的興趣，勇于創(chuàng)新的動力。