杨雲
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：皮带运输机是矿山运输的重要设备,低速保护是其重要的保护指标之一。利用霍尔效应制作的霍尔开关元件无触点、无磨损、故障率低。与传统的测速机构相比,霍尔转速传感器制造简单,成本低,精度高、线性度好,经济性能好。
关键词：霍尔效应;转速传感器;皮带机
0引言
皮带运输机是矿山运输的重要设备,为了保障设备正常运行和人员安全,从上世纪九十年代起开始研发皮带机综合保护装置并投入使用。主要保护指标有:温度保护、烟雾保护、低速保护、撕带保护、皮带跑偏保护等。其中低速保护系统的测速机构可采用机械测速、摩擦轮测速和光电测速。随着传感器技术的快速发展,霍尔传感器在测速机构中的应用具有经济、可靠、稳定等特点。
1霍尔传感器原理
1.1半导体材料的霍尔效应
通电半导体放在均匀磁场中,在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场,此现象叫霍尔效应,产生的电场称为霍尔电场,如图1所示。
在长(l)宽(b)厚(d)N型半导体薄片上,沿长度与宽度方向的四个端面上分别制作电极。在长度方向(x方向上)通以控制电流IC,在厚度方向(z方向)施加磁感应强度为B的磁场,在宽度方向(y方向)产生电位差,即产生横向电场,称为霍尔电场EH。相应的电势为霍尔电势UH:
霍尔电压UH与通入的电流IC和磁感应强度B成正比。式中,KH为霍尔元件的灵敏度,表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下得到的开路霍尔电压。对于某一型号的霍尔元件,KH是常数。在图1.1中,电流IC和磁感应强度为输入,电压UH为输出。改变IC和B的大小和方向,也就改变了UH的大小和方向。
1.2开关型霍尔传感器
把霍尔元件、温度补偿电路、放大器及电源等做在一个芯片上,封装起来就构成了集成霍尔传感器,也称为霍尔集成电路。集成霍尔传感器分为线性型和开关型两种。皮带机综合保护装置中的低速保护测速机构采用的是开关型集成霍尔传感器。
开关型集成霍尔传感器是将霍尔元件与稳压电源、信号放大器、施密特触发器及晶体管输出的电路集成于一块硅芯片上。输出晶体管是集电极开路的,施密特电路起整形作用。常用的开关型集成霍尔传感器UGN—3000系列的电路原理图及工作特性见图2。
由于施密特触发器具有回环的特性,所以整个电路也具有回环的特性。如图2b所示。当B>BOP时,VO为低电平;若B<BRP,则VO为高电平。皮带机综合保护装置中的低速保护测速机构利用的就是这一特性。
2霍尔传感器在皮带机综合保护装置中应用
2.1霍尔传感器测量转速原理
将磁铁装在旋转的皮带机从动滚筒的端面上,霍尔转速传感器装在磁铁旁并对准磁铁,相隔5～8mm左右。当磁铁通过霍尔转速传感器时,传感器输出一个电脉冲(如图3所示)。用计数器记下脉冲数,由脉冲信号的频率便可得到转速值。其转速公式为:
式中:n—转速(r/min);
N-计数器的读数值;
Z-装在旋转体上的磁铁数;
t-计数的时间。
霍尔转速传感器对皮带机运行速度在线监控,并与综合保护设定的皮带机转速正常值进行比较,当皮带机超载荷致使皮带速度降低到正常值的70%时,综合保护装置动作,使皮带机停止运行并发出声、光报警信号,防止皮带机由于超载荷造成断带、打滑、电机烧毁等设备事故。
2.2霍尔传感器在皮带机综合保护装置中的安装
速度传感器感应元件为磁感应式集成霍尔器件,无触点,安全可靠。测速范围为0～30m/s。速度传感器有三根连接线:棕色、兰色和黑色。棕色接电源正极,兰色接电源负极,黑色为信号线。速度传感器安装在皮带机机头从动轮端面相对的支架上,永久磁铁通过固定连接片安装在从动滚筒端面的任一根固定螺栓上。永久磁铁与传感器霍尔器件之间的距离保持5～8mm,并保证永久磁铁和霍尔器件对正。当皮带机运行时,永久磁铁随从动轮转动,永久磁铁通过霍尔元件时,霍尔元件输出一个电脉冲。由脉冲信号的频率便可得到转速值。
2.3霍尔转速传感器的调试
(1)磁钢应与霍尔器件的端面对齐。注意:霍尔器件区分磁钢的极性,如果磁钢极性按反,霍尔器件不工作,将磁钢极性反过来即可;
(2)判断霍尔器件工作是否工作的方法是接通电源后,靠近磁钢,观察霍尔器件的指示灯,指示灯亮表示霍尔器件正常工作,如果不亮,则表示不正常工作;
(3)接线时,接线腔内速度传感器的“+”、“sx”“、-”与传感器接线腔本安端子相应对接即可。本安腔与霍尔转速传感器的连接使用带航空插头的专用电缆连接。
3皮带机综合保护装置中应用霍尔转速传感器的特点
(1)霍尔速度传感器为本质安全型,工作电压为直流6～15V。工作电流为6～10mA。适应用在易燃易爆的化工企业、矿山有瓦斯和煤尘爆炸危险的场所;
(2)霍尔速度传感器结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便,功耗小,频率高(可达1MHz),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀;
(3)霍尔速度传感器线性元件的精度高、线性度好,霍尔开关元件无触点、无磨损、故障率低,属免维护器件;
(4)与传统的测速机构相比,霍尔转速传感器制造简单,经济性能好,是摩擦轮测速机构制造成本的五分之一左右。
4安科瑞霍尔传感器产品选型
4.1产品介绍
霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。适用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制。
4.2产品选型
4.2.1开口式开环霍尔电流传感器
4.2.2闭口式开环霍尔电流传感器
4.2.3闭环霍尔电流传感器
4.2.4直流漏电流传感器
5结束语
在机电一体化设备中,传感器技术得到广泛应用。特别是在煤矿综采设备中,采用传感器技术提高了采掘设备的自动化程度,保障了机电设备在煤矿特殊条件下的安全、稳定和经济运行。在高职院校的机电类专业的教学计划中,传感器技术是专业核心课程之一。在学生的实验和实习等实践教学环节中,重视传感器技术的实际应用,对提升高职学生的专业技术水平是有其实际意义。
【参考文献】
[1]刘金华.霍尔转速传感器在皮带机综保中的应用
[2]严钟豪，谭祖根.非电量电测技术[M].北京:机械工业出版社,2005
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版
作者简介：杨雲，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事隔离式安全栅研究发展，Email：2885105060@qq.com，手机：18721098782（同微信），QQ:2885105060
