安科瑞 鮑靜君

　　摘要：皮帶運輸機是礦山運輸?shù)闹匾O(shè)備,低速保護(hù)是其重要的保護(hù)指標(biāo)之一。利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾開關(guān)元件無觸點、無磨損、故障率低。與傳統(tǒng)的測速機構(gòu)相比,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器制造簡單,成本低,精度高、線性度好,經(jīng)濟(jì)性能好。

　　關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng);轉(zhuǎn)速傳感器;皮帶機

　　0引言

　　皮帶運輸機是礦山運輸?shù)闹匾O(shè)備,為了保障設(shè)備正常運行和人員安全,從上世紀(jì)九十年代起開始研發(fā)皮帶機綜合保護(hù)裝置并投入使用。主要保護(hù)指標(biāo)有:溫度保護(hù)、煙霧保護(hù)、低速保護(hù)、撕帶保護(hù)、皮帶跑偏保護(hù)等。其中低速保護(hù)系統(tǒng)的測速機構(gòu)可采用機械測速、摩擦輪測速和光電測速。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展,霍爾傳感器在測速機構(gòu)中的應(yīng)用具有經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定等特點。

　　1霍爾傳感器原理

　　1.1半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)

　　通電半導(dǎo)體放在均勻磁場中,在垂直于電場和磁場的方向產(chǎn)生橫向電場,此現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng),產(chǎn)生的電場稱為霍爾電場,如圖1所示。

　　在長(l)寬(b)厚(d)N型半導(dǎo)體薄片上,沿長度與寬度方向的四個端面上分別制作電極。在長度方向(x方向上)通以控制電流IC,在厚度方向(z方向)施加磁感應(yīng)強度為B的磁場,在寬度方向(y方向)產(chǎn)生電位差,即產(chǎn)生橫向電場,稱為霍爾電場EH。相應(yīng)的電勢為霍爾電勢UH:

　　霍爾電壓UH與通入的電流IC和磁感應(yīng)強度B成正比。式中,KH為霍爾元件的靈敏度,表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流下得到的開路霍爾電壓。對于某一型號的霍爾元件,KH是常數(shù)。在圖1.1中,電流IC和磁感應(yīng)強度為輸入,電壓UH為輸出。改變IC和B的大小和方向,也就改變了UH的大小和方向。

　　1.2開關(guān)型霍爾傳感器

　　把霍爾元件、溫度補償電路、放大器及電源等做在一個芯片上,封裝起來就構(gòu)成了集成霍爾傳感器,也稱為霍爾集成電路。集成霍爾傳感器分為線性型和開關(guān)型兩種。皮帶機綜合保護(hù)裝置中的低速保護(hù)測速機構(gòu)采用的是開關(guān)型集成霍爾傳感器。

　　開關(guān)型集成霍爾傳感器是將霍爾元件與穩(wěn)壓電源、信號放大器、施密特觸發(fā)器及晶體管輸出的電路集成于一塊硅芯片上。輸出晶體管是集電極開路的,施密特電路起作用。常用的開關(guān)型集成霍爾傳感器UGN—3000系列的電路原理圖及工作特性見圖2。

　　由于施密特觸發(fā)器具有回環(huán)的特性,所以整個電路也具有回環(huán)的特性。如圖2b所示。當(dāng)B>BOP時,VO為低電平;若B<BRP,則VO為高電平。皮帶機綜合保護(hù)裝置中的低速保護(hù)測速機構(gòu)利用的就是這一特性。

　　2霍爾傳感器在皮帶機綜合保護(hù)裝置中應(yīng)用

　　2.1霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速原理

　　將磁鐵裝在旋轉(zhuǎn)的皮帶機從動滾筒的端面上,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器裝在磁鐵旁并對準(zhǔn)磁鐵,相隔5～8mm左右。當(dāng)磁鐵通過霍爾轉(zhuǎn)速傳感器時,傳感器輸出一個電脈沖(如圖3所示)。用計數(shù)器記下脈沖數(shù),由脈沖信號的頻率便可得到轉(zhuǎn)速值。其轉(zhuǎn)速公式為:

式中:n—轉(zhuǎn)速(r/min);

　　N-計數(shù)器的讀數(shù)值;

　　Z-裝在旋轉(zhuǎn)體上的磁鐵數(shù);

　　t-計數(shù)的時間。

　　霍爾轉(zhuǎn)速傳感器對皮帶機運行速度在線監(jiān)控,并與綜合保護(hù)設(shè)定的皮帶機轉(zhuǎn)速正常值進(jìn)行比較,當(dāng)皮帶機超載荷致使皮帶速度降低到正常值的70%時,綜合保護(hù)裝置動作,使皮帶機停止運行并發(fā)出聲、光報警信號,防止皮帶機由于超載荷造成斷帶、打滑、電機燒毀等設(shè)備事故。

　　2.2霍爾傳感器在皮帶機綜合保護(hù)裝置中的安裝

　　速度傳感器感應(yīng)元件為磁感應(yīng)式集成霍爾器件,無觸點,安全可靠。測速范圍為0～30m/s。速度傳感器有三根連接線:棕色、蘭色和黑色。棕色接電源正極,蘭色接電源負(fù)極,黑色為信號線。速度傳感器安裝在皮帶機機頭從動輪端面相對的支架上磁鐵通過固定連接片安裝在從動滾筒端面的任一根固定螺栓上。磁鐵與傳感器霍爾器件之間的距離保持5～8mm,并保證磁鐵和霍爾器件對正。當(dāng)皮帶機運行時,磁鐵隨從動輪轉(zhuǎn)動,磁鐵通過霍爾元件時,霍爾元件輸出一個電脈沖。由脈沖信號的頻率便可得到轉(zhuǎn)速值。

　　2.3霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的調(diào)試

　　(1)磁鋼應(yīng)與霍爾器件的端面對齊。注意:霍爾器件區(qū)分磁鋼的極性,如果磁鋼極性按反,霍爾器件不工作,將磁鋼極性反過來即可;

　　(2)判斷霍爾器件工作是否工作的方法是接通電源后,靠近磁鋼,觀察霍爾器件的指示燈,指示燈亮表示霍爾器件正常工作,如果不亮,則表示不正常工作;

　　(3)接線時,接線腔內(nèi)速度傳感器的“+”、“sx”“、-”與傳感器接線腔本安端子相應(yīng)對接即可。本安腔與霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的連接使用帶航空插頭的電纜連接。

　　3皮帶機綜合保護(hù)裝置中應(yīng)用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的特點

　　(1)霍爾速度傳感器為本質(zhì)安全型,工作電壓為直流6～15V。工作電流為6～10mA。適應(yīng)用在易燃易爆的化工企業(yè)、礦山有瓦斯和煤塵爆炸危險的場所;

　　(2)霍爾速度傳感器結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便,功耗小,頻率高(可達(dá)1MHz),耐震動,不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕;

　　(3)霍爾速度傳感器線性元件的精度高、線性度好,霍爾開關(guān)元件無觸點、無磨損、故障率低,屬免維護(hù)器件;

　　(4)與傳統(tǒng)的測速機構(gòu)相比,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器制造簡單,經(jīng)濟(jì)性能好,是摩擦輪測速機構(gòu)制造成本的五分之一左右。

　　4安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

　　4.1產(chǎn)品介紹

　　霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應(yīng)時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制。

　　4.2產(chǎn)品選型

　　4.2.1開口式開環(huán)霍爾電流傳感器

4.2.2閉口式開環(huán)霍爾電流傳感器

4.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

4.2.4直流漏電流傳感器

5結(jié)束語

　　在機電設(shè)備中,傳感器技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。特別是在煤礦綜采設(shè)備中,采用傳感器技術(shù)提高了采掘設(shè)備的自動化程度,保障了機電設(shè)備在煤礦特殊條件下的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行。在高職院校的機電類教學(xué)計劃中,傳感器技術(shù)是核心課程之一。在學(xué)生的實驗和實習(xí)等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中,重視傳感器技術(shù)的實際應(yīng)用,對提升高職學(xué)生的技術(shù)水平是有其實際意義。