基于霍尔效应磁探伤检测铁管构造缺陷

马凤翔

(北京林业大学 理学院，北京 100083)

霍尔效应(Hall effect)是霍尔(Ed-win H．Hall)在他24岁研究金属的导电机制时发现的一种电磁效应，在导体或半导体某两个面加磁场，且有垂直磁场的电流通过另外两个平面，则在垂直于电流和磁场方向的另两个面之间会建立起一个稳定的电场，由此电场产生的电势差，称为霍尔电压，这种现象被称为霍尔效应[1,2]。伴随半导体材料和制造工艺的发展，霍尔效应从被发现起就得到了显著的应用，霍尔效应对近代和现代的科学技术发展起到了重要的作用，在磁性材料，同位素分离、受控热核反应、地震预报、地球资源探测，离子回旋器，电动控制，测量，计算装置民业、工业、国防和科学研究等诸多方面都有它的影子。

1 检测原理

无损探测漏磁检测是现代检测的热门技术，基本原理是利用铁磁性材料在外加磁场的作用下被磁化，若材料内部材质连续、均匀，材料中的磁感应线会被约束在材料中，若材料中无缺陷，磁力线绝大部分通过铁磁性材料，此时在材料内部，磁力线分布均匀，在材料外部仅有少量的漏磁通；若铁磁性材料表面或近表面存在裂纹等缺陷，由于材料中缺陷处磁导率远比材料本身小，缺陷处磁阻增大,从而使通过该区域的磁场发生畸变，磁力线发生弯曲，一部分磁力线泄漏出材料表面，就会在缺陷处形成泄漏磁场，采用磁敏元件对缺陷处漏磁场进行检测，将漏磁场转换成电信号并进行处理，就可以得到缺陷处的位置[3-5]。本文没有将漏磁场转换为电信号，而是直接利用漏磁场的畸变直接解析缺陷位置。具体实验思路：(1)将结构完好的铁管套装在通电螺线管内，利用霍尔元件测出完好铁管中轴线上磁场分布；(2)将材料大小形状与结构完好铁管完全一样的有缺陷的铁管套装在通电螺线管内，利用霍尔元件测出有损铁管中轴线上磁场分布；(3)将完好铁管与缺陷铁管中轴线上磁场的分布做对照，解析有损铁管缺陷位置。

2 检测装置

(1)DH4512型霍尔效应螺线管实验仪(由实验架和测试仪两个部分组成，实验架由励磁装置通电螺线管和检测传感器霍尔元件构成，测试仪检测实验架中的霍尔电压，杭州大华仪器制造有限公司生产)。(2)能够与通电螺线管同轴等长的有裂缝的待检测铁管和无裂缝完好的对照铁管。

3 实验原理

如图1所示，由一块半导体薄片制成的霍尔元件，其四个面各焊有一个电极1、2、3、4将其放在垂直于其表面的磁场中，半导体中的电流由载流子的定向移动引起，在3、4两侧面通以稳恒电流I。在电流建立的初始阶段，一个以速度v运行的载流子在洛伦兹力了fB的作用下产生偏转，并最后堆积在1、2两个侧面形成静电场E。E形成后，载流子受到洛伦兹力的同时，还受到静电力的作用，而静电作用力fE与洛伦兹力fB的方向相反，所以当半导体1、2两侧面上积累的电荷量达到一定程度时，静电用力fE与洛伦兹力fB相互抵消，此时载流子的漂移运动停止，达到稳定状态，在1、2两个侧面产生一电势差霍尔电压(VH)。在此情况下：

图1 霍尔效应原理示意图

(1)

(1)式中，e为载流子的电量，b为霍尔元件的宽度。又

fB=ev·B

(2)

(2)式中，v为载流子的移动速度，B为磁感应强度。电荷积累达到平衡时，fB=fE，所以有

(3)

根据电流强度定义，工作电流I可以表示为

I=nevbd

(4)

(4)式中，n为载流子浓度，d为霍尔元件的厚度，消去v，(3)式与(4)式相比得，

(5)

(6)

(5)式中KH=1/(ned)称为霍尔元件灵敏度或霍尔系数，单位为mV/(mA·T)，表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位工作电流时霍尔电压的大小，从式(5)可知，如果知道了KH，用仪器测出VH和I，就可以算出B，这就是利用霍尔效应测磁场的原理[1,2]。

在实际测量霍尔电压的过程中，有些负效应产生的附加电势差叠加在霍尔电压上，形成了测量中的系统误差，实验中采用“对称法”测量加以消除，通过工作电流和磁场换向，得到四种工作状态，通过四种工作状态的换算消除附加电势差的影响。最终得到霍尔元件所测霍尔电压公式为：

(7)

其中四种工作状态测量的情况表示如下：(+I、+B)测得1、2端电压为V1；(-I、+B)测得1、2端电压为V2；(+I、-B)测得1、2端电压为V3；(-I、-B)测得1、2端电压为V4。

另一方面，铁磁材料的磁导率很高，在外磁场作用下可以被强烈磁化，被磁化的铁磁材料要产生附加的磁场，从而使原来的磁场发生变化[9]。本实验中如果通电螺线管轴线的磁感应强度为B0，与螺线管同轴等长的铁管被磁化后产生的附加磁感应强度为B′，那么中心轴线上的磁感应强度B应该是二者的叠加，即

B=B0+B′

(8)

4 实验过程

(1)调零校准霍尔测试仪数字电压表，确定工作电流IS及励磁电流IM的正负方向，Is的两个方向记为(+，-)，IM两个方向记为(+，-)。

(2)调节励磁电流为0.5 A，工作电流为3 mA，保持不变。

(3)使霍尔元件处于螺线管中心，读出霍尔元件位于通电螺线管中轴线上不同位置处的数字电压表读数，霍尔元件移动步长1 cm，按顺序调节IS和IM换向开关，将I和B换向，读出相应的数字电压表示数V1、V2、V3、V4，记录在表1中。

表1 在工作电流和励磁电流不同方向组合下螺线管中 轴线上不同位置处霍尔元件的霍尔电压测量

续表

(4)以IS和IM组合的四种情况下所读电压，按照公式(8)计算出中轴线对应各个位置处的霍尔电压值，以及相应的磁感应强度值。

(5)将与通电螺线管等长完好的铁管同轴套入通电螺线管中磁化2分钟，待铁管完全磁化后，重复步骤(3)和(4)，读出霍尔元件位于铁管中轴线各个位置处的数字电压表示数，记录在表2中。

表2 加入完好铁管在工作电流和励磁电流不同方向组合下 中轴线上不同位置处霍尔元件的霍尔电压测量值

续表

(6)取出完好铁管，将中央结构有缺陷的铁管同轴套入通电螺线管中磁化2分钟，待完全磁化后，重复步骤(3)和(4)，读出霍尔元件位于缺陷铁管中轴线上各个位置处的数字电压表示数，记录在表3中。

表3 加破损铁管在工作电流和励磁电流不同方向组合下 中轴线上不同位置处霍尔元件的霍尔电压测量值

(7)以中轴线位置为横坐标，中轴线位置所对应的磁感应强度B为纵坐标，分别绘制霍尔元件位于通电螺线管，完好铁管，缺陷铁管中轴线上不同位置时的磁感应强度分布曲线，见图2。

图2 霍尔元件位于通电螺线管、完好铁管、破损铁管中 轴线不同位置处的磁感应强度分布曲线

5 实验数据记录与分析

从图2中可以发现通电螺线管(裸管)中轴线磁场均匀分布，如果套装了完好的铁管，铁管被磁化，磁化后合磁场只是大小发生了变化，但仍然是均匀磁场；如果套装了有缺陷的铁管，磁化后合磁场不仅大小发生了变化，同时发现在有缺陷的位置处磁感应强度曲线发生了显著的畸变，根据磁感应强度曲线发生畸变的特征点位置坐标见表2，反推出铁管缺陷位置位于铁管125 mm附近。

6 小 结

本文在实验室现有仪器的基础上，利用霍尔效应测磁场实验中场线的分布，结合无损磁探伤检测原理，创造性地设计了铁管瑕疵检测，拓展和丰富了大学物理实验的教学内容和范围，使学生对霍尔效应的认识和应用有一个更加全面深刻理解，强化了学生对磁场分布特性的再认识。通过霍尔效应漏磁检测实验的设计到实验的完成，再到论文的撰写，使学生体验到如何从想法到结果和收获的创造过程，培养了他们分析问题，解决问题和处理问题的能力，激发了他们动手实验的兴趣，勇于创新的动力。