摘要：皮帶運輸機是礦山運輸?shù)闹匾O(shè)備,低速保護是其重要的保護指標之一。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,從上世紀九十年代起開始研發(fā)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(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、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。皮帶機綜合保護裝置中的低速保護測速機構(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,施密特電路起整形作用。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(gòu)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(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磁鐵,相隔5～8mm左右。當磁鐵通過霍爾轉(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,并與綜合保護設(shè)定的皮帶機轉(zhuǎn)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(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(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專用電纜連接。

3皮帶機綜合保護裝置中應(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
在機電一體化設(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)濟運行。在高職院校的機電類專業(yè)的教學(xué)計劃中,傳感器技術(shù)是專業(yè)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)生的專業(yè)技術(shù)水平是有其實際意義。

【參考文獻】
[1]劉金華.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在皮帶機綜保中的應(yīng)用
[2]嚴鐘豪，譚祖根.非電量電測技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版