安科瑞 鮑靜君

　　摘要：皮帶運輸機是礦山運輸的重要設備,低速保護是其重要的保護指標之一。利用霍爾效應制作的霍爾開關元件無觸點、無磨損、故障率低。與傳統的測速機構相比,霍爾轉速傳感器制造簡單,成本低,精度高、線性度好,經濟性能好。

　　關鍵詞：霍爾效應;轉速傳感器;皮帶機

　　0引言

　　皮帶運輸機是礦山運輸的重要設備,為了保障設備正常運行和人員安全,從上世紀九十年代起開始研發皮帶機綜合保護裝置并投入使用。主要保護指標有:溫度保護、煙霧保護、低速保護、撕帶保護、皮帶跑偏保護等。其中低速保護系統的測速機構可采用機械測速、摩擦輪測速和光電測速。隨著傳感器技術的快速發展,霍爾傳感器在測速機構中的應用具有經濟、可靠、穩定等特點。

　　1霍爾傳感器原理

　　1.1半導體材料的霍爾效應

　　通電半導體放在均勻磁場中,在垂直于電場和磁場的方向產生橫向電場,此現象叫霍爾效應,產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)施加磁感應強度為B的磁場,在寬度方向(y方向)產生電位差,即產生橫向電場,稱為霍爾電場EH。相應的電勢為霍爾電勢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。在圖1.1中,電流IC和磁感應強度為輸入,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型兩種。皮帶機綜合保護裝置中的低速保護測速機構采用的是開關型集成霍爾傳感器。

　　開關型集成霍爾傳感器是將霍爾元件與穩壓電源、信號放大器、施密特觸發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。

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

　　2霍爾傳感器在皮帶機綜合保護裝置中應用

　　2.1霍爾傳感器測量轉速原理

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

式中:n—轉速(r/min);

　　N-計數器的讀數值;

　　Z-裝在旋轉體上的磁鐵數;

　　t-計數的時間。

　　霍爾轉速傳感器對皮帶機運行速度在線監控,并與綜合保護設定的皮帶機轉速正常值進行比較,當皮帶機超載荷致使皮帶速度降低到正常值的70%時,綜合保護裝置動作,使皮帶機停止運行并發出聲、光報警信號,防止皮帶機由于超載荷造成斷帶、打滑、電機燒毀等設備事故。

　　2.2霍爾傳感器在皮帶機綜合保護裝置中的安裝

　　速度傳感器感應元件為磁感應式集成霍爾器件,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。當皮帶機運行時,磁鐵隨從動輪轉動,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速值。

　　2.3霍爾轉速傳感器的調試

　　(1)磁鋼應與霍爾器件的端面對齊。注意:霍爾器件區分磁鋼的極性,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,接線腔內速度傳感器的“+”、“sx”“、-”與傳感器接線腔本安端子相應對接即可。本安腔與霍爾轉速傳感器的連接使用帶航空插頭的電纜連接。

　　3皮帶機綜合保護裝置中應用霍爾轉速傳感器的特點

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

　　(2)霍爾速度傳感器結構牢固、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便,功耗小,頻率高(可達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,霍爾開關元件無觸點、無磨損、故障率低,屬免維護器件;

　　(4)與傳統的測速機構相比,霍爾轉速傳感器制造簡單,經濟性能好,是摩擦輪測速機構制造成本的五分之一左右。

　　4安科瑞霍爾傳感器產品選型

　　4.1產品介紹

　　霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應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。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。

　　4.2產品選型

　　4.2.1開口式開環霍爾電流傳感器

4.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器

4.2.3閉環霍爾電流傳感器

4.2.4直流漏電流傳感器

5結束語

　　在機電設備中,傳感器技術得到廣泛應用。特別是在煤礦綜采設備中,采用傳感器技術提高了采掘設備的自動化程度,保障了機電設備在煤礦特殊條件下的安全、穩定和經濟運行。在高職院校的機電類教學計劃中,傳感器技術是核心課程之一。在學生的實驗和實習等實踐教學環節中,重視傳感器技術的實際應用,對提升高職學生的技術水平是有其實際意義。