為堅固耐用型車輛的控制機構選擇和應用線性位置傳感器

作者：Kenton Williston

隨著物聯(lián)網 (IoT) 在工廠自動化中的應用以及電子設備越來越多地出現(xiàn)在汽車中，設計人員必須仔細考慮傳感器的選型。在用于控制的線性傳感器方面，拖拉機和叉車等車輛帶來了獨特的設計挑戰(zhàn)。這些控制裝置必須能在許多年內保持精確、反應靈敏、可靠、經久耐用、耐高溫、耐沖擊、抗振、防潮和防塵，且所需維護工作降至最少。

線性霍爾效應傳感器是滿足這些應用要求的一種選擇。作為一種非接觸式選擇，這些傳感器可進行加固處理，以承受惡劣工作條件。

本文將討論車輛的檢測要求，以及為什么線性霍爾效應傳感器式很好的選擇。然后介紹 [Vishay]的線性霍爾效應傳感器，說明其特性及如何成功選型和應用。

堅固耐用型車輛為何需要專用的高精度控制裝置

堅固耐用型車輛經常處于危險環(huán)境中，必須做到精確操作。因此，這些車輛的控制裝置必須高度精確、反應靈敏。此外，這些操作控制器通常需要與多個車載物聯(lián)網傳感器和自動控制系統(tǒng)連接。應用案例例包括：

• 叉車舵柄：準確檢測舵柄角度（即主控手柄）可實現(xiàn)安全高效的操作，這在狹小空間內尤為重要。
• 拖拉機換擋：平穩(wěn)換擋可最大限度地減少變速箱磨損，提高燃油效率。
• 踏板位移系統(tǒng)：精確的測量可實現(xiàn)車輛的最佳控制，并增強自動減速和緊急停止等安全功能。

可靠性是另一項設計要求。在倉庫和生產設施等環(huán)境中，控制器可能會被濫用，受到污染物、極端溫度的影響。

最后，堅固耐用型車輛在設計上往往空間有限。例如，叉車高度受限，以便優(yōu)化在倉庫過道中的機動性。因此，用于堅固耐用型車輛的控制裝置傳感器通常需要盡可能小。

線性霍爾效應傳感器為何特別適用于堅固耐用型車輛的控制裝置

由于對耐用性、大行程和小尺寸的需求，為堅固耐用型車輛控制裝置選擇合適的傳感器可能會變得很困難。線性霍爾效應傳感器是一種很好的選擇，因為這種傳感器采用非接觸技術，可以使用數(shù)百萬次而無需調節(jié)。此外，線性霍爾傳感器采用易于安裝的緊湊型封裝，可在短距離位置檢測中達到出色的精度。

首先研究霍爾效應有助于了解這些優(yōu)勢。霍爾效應傳感器會沿一條軸線在稱作霍爾元件的金屬或半導體薄條上施加恒定的直流偏置電流。當施加垂直于電流流向的磁場時，電荷載流子會受到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉，并聚集在與霍爾元件相對的一側，從而產生一個橫向電場（稱為霍爾場）和一個橫跨元件電勢（稱為霍爾電壓）?；魻栯妷号c電流、磁場、一個與材料有關的常數(shù)（即霍爾系數(shù)）的乘積成正比。

在線性傳感器中，霍爾效應可產生與霍爾元件和磁鐵之間的距離成比例的輸出電壓。因此，短距離位置檢測精度高，響應速度快。

專為堅固耐用型車輛控制裝置設計的線性霍爾效應傳感器

Vishay 的 [20LHE] 系列位置傳感器（圖 1）充分展現(xiàn)了線性霍爾效應傳感器的優(yōu)勢。這種傳感器行程短，為 10 mm，跟蹤速度為 60 mm/s。由于其線性度可低至 ±1%，因此非常適合高精度車輛控制。

圖 1：20LHE 系列線性霍爾效應位置傳感器的線性度為 ±1%。（圖片來源：Vishay）

20LHE 系列傳感器可在惡劣環(huán)境中工作，免維護使用壽命超過 1 千萬次。這種傳感器在通電后無需校準或初始化即可進行精確測量。此外，這種傳感器還具有出色的穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)線性漂移。靜態(tài)磁滯限制在電源電壓的 0.1%，而動態(tài)磁滯僅為 0.25%。

這種傳感器采用便于安裝的法蘭底座，如圖 2 所示，其軸可從安裝面伸出 30 mm，方便連接控制機構。與此同時，20LHE 系列傳感器的整體尺寸僅為 46 x 20.8 x 37 mm，可安裝在狹小的車廂內。

圖 2：20LHE 系列傳感器結構緊湊，采用法蘭安裝式設計，便于安裝。（圖片來源：Vishay）

線性霍爾效應傳感器的機械設計考慮因素

堅固耐用型車輛控制器必須在不受控制的環(huán)境中具有高可靠性。因此，考慮車輛控制傳感器在惡劣環(huán)境下的耐受能力至關重要。在惡劣條件下很可能會產生物理沖擊，汽車發(fā)動機和懸掛系統(tǒng)等振動源也會產生物理沖擊。20LHE 系列傳感器采用堅固耐用的物理設計，可承受最大 20g 的振動和最大 50g 的沖擊。

20LHE 系列傳感器采用耐久型熱塑外殼，可防塵、防液體，并可在 -40°C 至 +85°C 的極端溫度下使用。對于帶彈簧復位的型號，其環(huán)境防護 (IP) 等級為 IP51，也可選擇具有更高 IP 等級的型號。

IP 等級表示外殼對固體顆粒物（第一位數(shù)字）和液體（第二位數(shù)字）入侵的防護等級。當防護等級為 IP51 時，5 表示外殼可防止足以影響設備正常運行的灰塵進入，1 表示外殼可防止垂直落下的水滴。

使用線性霍爾效應傳感器時的電氣設計注意事項

惡劣環(huán)境也會造成電磁危險，包括靜電放電以及各種電氣和電子系統(tǒng)之間的意外相互作用。20LHE 系列可抵御各種此類危險。最值得注意的是，該系列霍爾效應傳感器可承受 +20 V 過電壓和 -10 V 反向電壓。其他環(huán)境規(guī)格見表 1。

| | 環(huán)保信息規(guī)格 | 等級 |
| ------------------------ | -------------------------------------------------------- |
| 抗輻射電磁干擾能力 | 200 V/m
150 kHz 至 1 GHz
IEC 62132-2 第 2 部分（A 級） |
| 對工頻磁場的抗擾能力 | 200 A/m
50 Hz/60 Hz
EN 61000-4-8 |
| 輻射式電磁輻射 | <30 dBμV/m
30 MHz 至 1 GHz
EN61000-6-4 |
| 靜電放電 | 接觸放電：±4 kV
空氣放電：±8 kV
EN 61000-4-2 |
| 對射頻輻射場的抗擾能力 | 10 V/m
80 MHz 至 1 GHz
EN6100-4-3 |

表 1：20LHE 系列可抵御物理和電磁危險。（圖片來源：Vishay）

線性霍爾效應傳感器必須與負載電阻配對才能正常工作。對于 20LHE 系列，Vishay 建議最小負載為 1 kΩ。

選擇線性霍爾效應傳感器

精度是首要考慮參數(shù)，因為傳感器必須滿足所需的控制精度要求。就 20LHE 系列而言，Vishay [20LHE1XWA1P30] 的線性度為 ±2%，[20LHE1AWA1P30] 的線性度為 ±1%。

輸出還應符合控制系統(tǒng)的其他部分的要求。典型選項包括模擬比率測量或脈寬調制 (PWM)。20LHE 系列有兩種配置，輸出相對于傳感器位置增大或減小。例如，[20LHE1AWB1P30]具有模擬遞減輸出，即當傳感器軸完全壓縮時輸出最低（圖 3）。

圖 3：20LHE1AWB1P30 可提供模擬遞減輸出，在傳感器軸完全壓縮時達到最小值。（圖片來源：Vishay）

此外，還需要考慮傳感器軸本身。例如，20LHE 系列采用 3.175 mm 軸，可選擇 M3 x 6 mm 螺紋。這種配置可以簡化安裝，并為控制機構提供更可靠的連接。

大多數(shù) 20LHE 系列型號都配有彈簧復位裝置。該彈簧提供了一種自定中心機制，可確保傳感器在移位力移除后返回其初始位置。這一功能對于節(jié)氣門位置傳感器等車輛控制應用來說非常有用，因為在這些應用中，操作者需要頻繁地施加和釋放輸入力。除帶彈簧的型號外，還提供不帶彈簧的型號，如 [20LHE2AWA1P30]。

結束語

作為一種非接觸式選擇，線性霍爾效應傳感器非常適合用于堅固耐用型車輛的控制機構。20LHE 系列外形緊湊，采用法蘭底座，便于安裝。該系列傳感器經久耐用，能夠承受惡劣的工作條件，并在物理和電磁危險環(huán)境下提供穩(wěn)定的免維護精度。

審核編輯 黃宇