作者：Kenton Williston

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

線性霍爾效應(yīng)傳感器是滿足這些應(yīng)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(jìn)行加固處理，以承受惡劣工作條件。

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

堅(jiān)固耐用型車輛為何需要專用的高精度控制裝置

堅(jiān)固耐用型車輛經(jīng)常處于危險(xiǎn)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(yīng)靈敏。此外，這些操作控制器通常需要與多個(gè)車載物聯(lián)網(wǎng)傳感器和自動(dòng)控制系統(tǒng)連接。應(yīng)用案例例包括：

• 叉車舵柄：準(zhǔn)確檢測(cè)舵柄角度（即主控手柄）可實(shí)現(xiàn)安全高效的操作，這在狹小空間內(nèi)尤為重要。
• 拖拉機(jī)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(cè)量可實(shí)現(xiàn)車輛的最佳控制，并增強(qiáng)自動(dòng)減速和緊急停止等安全功能。

可靠性是另一項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。在倉庫和生產(chǎn)設(shè)施等環(huán)境中，控制器可能會(huì)被濫用，受到污染物、極端溫度的影響。

最后，堅(jiān)固耐用型車輛在設(shè)計(jì)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(jī)動(dòng)性。因此，用于堅(jiān)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(yīng)傳感器為何特別適用于堅(jiān)固耐用型車輛的控制裝置

由于對(duì)耐用性、大行程和小尺寸的需求，為堅(jiān)固耐用型車輛控制裝置選擇合適的傳感器可能會(huì)變得很困難。線性霍爾效應(yīng)傳感器是一種很好的選擇，因?yàn)檫@種傳感器采用非接觸技術(shù)，可以使用數(shù)百萬次而無需調(diào)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(cè)中達(dá)到出色的精度。

首先研究霍爾效應(yīng)有助于了解這些優(yōu)勢(shì)。霍爾效應(yīng)傳感器會(huì)沿一條軸線在稱作霍爾元件的金屬或半導(dǎo)體薄條上施加恒定的直流偏置電流。當(dāng)施加垂直于電流流向的磁場(chǎng)時(shí)，電荷載流子會(huì)受到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并聚集在與霍爾元件相對(duì)的一側(cè)，從而產(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)（稱為霍爾場(chǎng)）和一個(gè)橫跨元件電勢(shì)（稱為霍爾電壓）。霍爾電壓與電流、磁場(chǎng)、一個(gè)與材料有關(guān)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(yīng)可產(chǎn)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(cè)精度高，響應(yīng)速度快。

專為堅(jiān)固耐用型車輛控制裝置設(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）充分展現(xiàn)了線性霍爾效應(yīng)傳感器的優(yōu)勢(shì)。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(yīng)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(hù)使用壽命超過 1 千萬次。這種傳感器在通電后無需校準(zhǔn)或初始化即可進(jìn)行精確測(cè)量。此外，這種傳感器還具有出色的穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)線性漂移。靜態(tài)磁滯限制在電源電壓的 0.1%，而動(dòng)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(jī)構(gòu)。與此同時(shí)，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(nèi)。

圖 2：20LHE 系列傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，采用法蘭安裝式設(shè)計(jì)，便于安裝。（圖片來源：Vishay）

線性霍爾效應(yīng)傳感器的機(jī)械設(shè)計(jì)考慮因素

堅(jiān)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(guān)重要。在惡劣條件下很可能會(huì)產(chǎn)生物理沖擊，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和懸掛系統(tǒng)等振動(dòng)源也會(huì)產(chǎn)生物理沖擊。20LHE 系列傳感器采用堅(jiān)固耐用的物理設(shè)計(jì)，可承受最大 20g 的振動(dòng)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(duì)于帶彈簧復(fù)位的型號(hào)，其環(huán)境防護(hù) (IP) 等級(jí)為 IP51，也可選擇具有更高 IP 等級(jí)的型號(hào)。

IP 等級(jí)表示外殼對(duì)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(hù)等級(jí)。當(dāng)防護(hù)等級(jí)為 IP51 時(shí)，5 表示外殼可防止足以影響設(shè)備正常運(yùn)行的灰塵進(jìn)入，1 表示外殼可防止垂直落下的水滴。

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

惡劣環(huán)境也會(huì)造成電磁危險(xiǎn)，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(xiǎn)。最值得注意的是，該系列霍爾效應(yīng)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(jí) |
| ------------------------ | -------------------------------------------------------- |
| 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(jí)） |
| 對(duì)工頻磁場(chǎng)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(duì)射頻輻射場(chǎng)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(xiǎn)。（圖片來源：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。

選擇線性霍爾效應(yīng)傳感器

精度是首要考慮參數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞅仨殱M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(yīng)符合控制系統(tǒng)的其他部分的要求。典型選項(xiàng)包括模擬比率測(cè)量或脈寬調(diào)制 (PWM)。20LHE 系列有兩種配置，輸出相對(duì)于傳感器位置增大或減小。例如，[20LHE1AWB1P30]具有模擬遞減輸出，即當(dāng)傳感器軸完全壓縮時(shí)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(shí)達(dá)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(jiǎn)化安裝，并為控制機(jī)構(gòu)提供更可靠的連接。

大多數(shù) 20LHE 系列型號(hào)都配有彈簧復(fù)位裝置。該彈簧提供了一種自定中心機(jī)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(duì)于節(jié)氣門位置傳感器等車輛控制應(yīng)用來說非常有用，因?yàn)樵谶@些應(yīng)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(hào)外，還提供不帶彈簧的型號(hào)，如 [20LHE2AWA1P30]。

結(jié)束語

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

審核編輯 黃宇