作者：Kenton Williston

　　隨著工廠自動(dòng)化的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 以及電子產(chǎn)品在車輛中的使用不斷增加，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮他們的傳感器選擇。拖拉機(jī)和叉車等車輛在控制線性傳感器方面面臨著獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這些控制裝置必須精確、反應(yīng)靈敏、可靠且耐用，能夠以最少的維護(hù)應(yīng)對(duì)極端溫度、沖擊、振動(dòng)、灰塵和濕氣多年。

　　滿足這些應(yīng)用要求的一種選擇是線性霍爾效應(yīng)傳感器。作為非接觸式選項(xiàng)，這些傳感器可以加固以承受惡劣的工作條件。

　　本文討論了車輛的傳感要求以及線性霍爾效應(yīng)傳感器成為良好選擇的原因。然后介紹Vishay的線性霍爾效應(yīng)傳感器，以說(shuō)明其特性以及如何成功選擇和應(yīng)用它們。

　　為什么堅(jiān)固耐用的車輛需要專門的高精度控制裝置

　　堅(jiān)固的車輛通常在危險(xiǎn)環(huán)境中運(yùn)行，需要精確操作。因此，這些車輛的控制裝置必須高度準(zhǔn)確且反應(yīng)靈敏。此外，這些操作員控件通常需要與多個(gè)板載物聯(lián)網(wǎng)傳感器和自動(dòng)化控制系統(tǒng)連接。示例應(yīng)用包括：

　　叉車舵柄：準(zhǔn)確檢測(cè)舵柄角度(即主控手柄)可實(shí)現(xiàn)安全高效的操縱，這在狹小空間內(nèi)尤為重要。

　　拖拉機(jī)換檔：平穩(wěn)換檔可最大限度地減少變速箱的磨損并提高燃油效率。

　　踏板位移系統(tǒng)：精確測(cè)量可實(shí)現(xiàn)最佳車輛控制并增強(qiáng)自動(dòng)減速和緊急停止等安全功能。

　　可靠性是另一個(gè)設(shè)計(jì)要求。在倉(cāng)庫(kù)和制造設(shè)施等環(huán)境中，控制裝置可能會(huì)受到污染物、極端溫度和身體虐待的影響。

　　最后，堅(jiān)固耐用的車輛通常受到設(shè)計(jì)空間的限制。例如，叉車高度緊湊，可優(yōu)化倉(cāng)庫(kù)過道的機(jī)動(dòng)性。因此，用于堅(jiān)固車輛控制的傳感器通常需要盡可能小。

　　為什么線性霍爾效應(yīng)傳感器特別適合堅(jiān)固的車輛控制

　　由于需要耐用性、長(zhǎng)行程距離和小尺寸，為堅(jiān)固的車輛控制選擇合適的傳感器可能很困難。線性霍爾效應(yīng)傳感器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗鼈兪且环N非接觸式技術(shù)，無(wú)需調(diào)整即可服務(wù)數(shù)百萬(wàn)個(gè)周期。此外，它們采用緊湊、易于安裝的封裝，并為短距離位置檢測(cè)提供出色的精度。

　　首先檢查霍爾效應(yīng)有助于了解這些好處?；魻栃?yīng)傳感器沿一個(gè)軸并穿過稱為霍爾元件的金屬或半導(dǎo)體薄帶施加固定直流偏置電流。當(dāng)垂直于電流方向施加磁場(chǎng)時(shí)，電荷載流子會(huì)因洛倫茲力而偏轉(zhuǎn)并積聚在霍爾元件的相對(duì)兩側(cè)，從而產(chǎn)生稱為霍爾場(chǎng)的橫向電場(chǎng)和稱為霍爾電壓的元件兩端的電勢(shì)。霍爾電壓與電流、磁場(chǎng)和與材料相關(guān)的常數(shù)(稱為霍爾系數(shù))的乘積成正比。

　　在線性傳感器中，霍爾效應(yīng)可以產(chǎn)生與霍爾元件和磁體之間的距離成比例的輸出電壓。這樣可以在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)高度精確的位置感測(cè)，并具有快速的響應(yīng)時(shí)間。

　　專為堅(jiān)固的車輛控制而設(shè)計(jì)的線性霍爾效應(yīng)傳感器

　　Vishay 的20LHE系列位置傳感器(圖 1)體現(xiàn)了線性霍爾效應(yīng)傳感器的優(yōu)勢(shì)。它們的行程很短，為 10 毫米 (mm)，跟蹤速度為每秒 60 毫米 (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(yīng)位置傳感器的線性度為 ±1%。 (圖片來(lái)源：Vishay)

　　20LHE系列傳感器設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境，免維護(hù)壽命超過1000萬(wàn)次。當(dāng)通電時(shí)，傳感器無(wú)需校準(zhǔn)或初始化即可提供準(zhǔn)確的測(cè)量。此外，這些傳感器具有出色的穩(wěn)定性，沒有線性漂移。靜態(tài)遲滯限制為電源電壓的 0.1%，而動(dòng)態(tài)遲滯僅為 0.25%。

　　傳感器采用法蘭安裝，方便安裝，如圖2所示，軸可從安裝面伸出30毫米，以便于與控制機(jī)構(gòu)連接。同時(shí)，20LHE系列傳感器的整體尺寸僅為46 x 20.8 x 37毫米，使該設(shè)備能夠安裝在狹窄的車廂內(nèi)。

　　圖2：20LHE系列傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，采用法蘭安裝設(shè)計(jì)，方便安裝。 (圖片來(lái)源：Vishay)

　　線性霍爾效應(yīng)傳感器的機(jī)械設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　堅(jiān)固的車輛控制裝置必須在不受控制的環(huán)境中提供高可靠性。因此，考慮車輛控制傳感器承受粗暴對(duì)待的能力至關(guān)重要。在惡劣的條件下可能會(huì)產(chǎn)生物理影響，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)和懸架等來(lái)源的振動(dòng)也是如此。 20LHE 系列傳感器采用堅(jiān)固的物理設(shè)計(jì)，可承受高達(dá) 20 g 的振動(dòng)和高達(dá) 50 g 的沖擊。

　　20LHE 系列傳感器采用耐用的熱塑性外殼，可應(yīng)對(duì)灰塵、液體和 -40°C 至 +85°C 的極端溫度。帶彈簧復(fù)位的型號(hào)的環(huán)境入口防護(hù) (IP) 等級(jí)為 IP51;還可提供更高的 IP 等級(jí)。

　　IP 等級(jí)表示外殼針對(duì)固體物體(第一位數(shù)字)和液體(第二位數(shù)字)侵入提供的保護(hù)級(jí)別。對(duì)于IP51，5表示外殼能夠防止灰塵進(jìn)入，其數(shù)量足以影響設(shè)備的正常運(yùn)行，而1表示外殼能夠防止垂直落下的水滴。

　　使用線性霍爾效應(yīng)傳感器的電氣設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　惡劣的環(huán)境還存在電磁危害，包括靜電放電以及各種電氣和電子系統(tǒng)之間的無(wú)意相互作用。 20LHE 系列可以承受多種此類危險(xiǎn)。最值得注意的是，它們可以抵抗+20伏的過壓和-10伏的反向電壓。其他環(huán)境指標(biāo)見表1。

　　表 1：20LHE 系列旨在承受物理和電磁危害。 (圖片來(lái)源：Vishay)

　　線性霍爾效應(yīng)傳感器必須與負(fù)載電阻配對(duì)才能正常工作。對(duì)于 20LHE 系列，Vishay 建議最小負(fù)載為 1 kΩ (kΩ)。

　　選擇線性霍爾效應(yīng)傳感器

　　精度是第一個(gè)要考慮的參數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞅仨氈С炙璧目刂凭?。?duì)于 20LHE 系列，Vishay 提供 ±2% 線性度(20LHE1XWA1P30)或 ±1% 線性度(20LHE1AWA1P30 )的選擇。

　　輸出還應(yīng)滿足控制系統(tǒng)其余部分的需求。典型選項(xiàng)包括模擬比例或脈寬調(diào)制 (PWM)。 20LHE 系列提供兩種配置，輸出隨傳感器位置而增加或減少。例如，20LHE1AWB1P30具有模擬遞減輸出，這意味著當(dāng)傳感器軸完全壓縮時(shí)輸出處于最低值(圖 3)。

　　圖 3：20LHE1AWB1P30 提供模擬遞減輸出，當(dāng)傳感器軸完全壓縮時(shí)，輸出達(dá)到最小值。 (圖片來(lái)源：Vishay)

　　軸本身也需要考慮。例如，20LHE 系列具有 3.175 mm 軸，可以選擇帶有 M3 x 6 mm 螺紋。這樣的配置可以簡(jiǎn)化安裝并提供與控制機(jī)構(gòu)的更安全的連接。

　　大多數(shù) 20LHE 系列型號(hào)均配備彈簧復(fù)位裝置。該彈簧提供了一種自動(dòng)定心機(jī)制，確保傳感器在移除其位移的力時(shí)返回到其原始位置。此功能有利于車輛控制應(yīng)用，例如節(jié)氣門位置傳感器，操作員經(jīng)常在這些應(yīng)用中施加和釋放輸入力。也可提供不帶彈簧的型號(hào)，例如20LHE2AWA1P30。

　　結(jié)論

　　作為一種非接觸式選項(xiàng)，線性霍爾效應(yīng)傳感器非常適合堅(jiān)固的車輛控制。 20LHE 系列外形緊湊，采用法蘭安裝，易于安裝。它們還足夠耐用，能夠承受惡劣的工作條件，并在面對(duì)物理和電磁危害時(shí)提供穩(wěn)定、免維護(hù)的精度。