Selectarea și aplicarea unui senzor de poziție liniară pentru comenzile vehiculelor robuste

Odată cu Internetul lucrurilor (IoT) pentru automatizarea fabricilor și utilizarea tot mai frecventă a electronicii în vehicule, proiectanții trebuie să analizeze cu atenție opțiunile de senzori. Vehiculele, cum ar fi tractoarele și stivuitoarele, prezintă provocări unice de proiectare în ceea ce privește senzorii liniari pentru comenzi. Aceste comenzi trebuie să fie precise, receptive, fiabile și durabile, rezistente la temperaturi extreme, șocuri, vibrații, praf și umiditate timp de mulți ani, cu o întreținere minimă.

O opțiune care îndeplinește cerințele pentru aceste aplicații este senzorul liniar cu efect Hall. Ca opțiune fără contact, acești senzori pot fi consolidați pentru a rezista la condiții de lucru dificile.

Articolul de față prezintă cerințele de detecție ale vehiculelor și arată ce face ca senzorii liniari cu efect Hall să fie o opțiune bună. Apoi, prezintă senzorii liniari cu efect Hall de la Vishay pentru a ilustra caracteristicile lor și modul de selectare și aplicare cu succes a acestora.

De ce vehiculele robuste au nevoie de comenzi specializate, de înaltă precizie

Vehiculele robuste funcționează adesea în medii periculoase, unde este necesară o funcționare precisă. Astfel, comenzile pentru aceste vehicule trebuie să fie foarte precise și receptive. În plus, aceste comenzi de operare trebuie adesea să se interconecteze cu mai mulți senzori IoT încorporați și cu sistemele de control automatizat. Exemple de aplicații includ:

• Mânerele stivuitoarelor: Detectarea precisă a unghiului mânerului (adică a mânerului principal de comandă) permite manevre sigure și eficiente, ceea ce este deosebit de important în spații înguste.
• Schimbător de viteze pentru tractor: Schimbarea lină a treptelor de viteză minimizează uzura transmisiei și îmbunătățește eficiența combustibilului.
• Sisteme de deplasare a pedalei: Măsurătorile precise permit un control optim al vehiculului și îmbunătățesc caracteristicile de siguranță, cum ar fi reducerea automată a vitezei și oprirea de urgență.

Fiabilitatea este o altă cerință de proiectare. În medii precum depozitele și facilitățile de producție, comenzile pot fi expuse la contaminanți, la temperaturi extreme și la abuzuri fizice.

În cele din urmă, vehiculele robuste sunt adesea limitate din proiectare în ceea ce privește spațiul. De exemplu, stivuitoarele sunt foarte compacte, pentru a optimiza manevrabilitatea pe culoarele depozitelor. Astfel, senzorii pentru comenzile vehiculelor robuste trebuie să fie cât mai mici posibil.

De ce senzorii liniari cu efect Hall sunt în special potriviți pentru comenzile vehiculelor robuste

Alegerea unui senzor adecvat pentru comenzile vehiculelor robuste poate fi dificilă din cauza necesității de durabilitate, a distanțelor mari de cursă și a dimensiunilor reduse. Senzorii liniari cu efect Hall sunt o opțiune bună, deoarece oferă o tehnologie fără contact care poate rezista la milioane de cicluri fără ajustări. În plus, aceștia sunt disponibili în capsule compacte, ușor de montat și oferă o precizie excelentă pentru detectarea poziției pe distanțe scurte.

Pentru a înțelege aceste beneficii, este util să examinăm mai întâi efectul Hall. Un senzor cu efect Hall aplică un curent continuu fix de polarizare de-a lungul unei axe și transversal pe o bandă subțire de metal sau semiconductor numită element Hall. Atunci când se aplică un câmp magnetic perpendicular pe fluxul de curent, purtătorii de sarcină sunt deviați de forța Lorentz și se acumulează pe laturile opuse ale elementului Hall, creând un câmp electric transversal numit câmp Hall și un potențial pe element numit tensiune Hall. Tensiunea Hall este proporțională cu produsul dintre curent, câmpul magnetic și o constantă dependentă de material, cunoscută sub numele de coeficient Hall.

Într-un senzor liniar, efectul Hall poate crea o tensiune de ieșire proporțională cu distanța dintre elementul Hall și un magnet. Acest lucru rezultă într-o detectare foarte precisă a poziției pe distanțe scurte, cu timpi de răspuns rapizi.

Un senzor liniar cu efect Hall proiectat pentru comenzile vehiculelor robuste

Senzorii de poziție din seria 20LHE de la Vishay (Figura 1) exemplifică beneficiile senzorilor liniari cu efect Hall. Aceștia au o cursă scurtă de 10 milimetri (mm) și o viteză de urmărire de 60 mm pe secundă (mm/s). Sunt foarte potriviți pentru comenzile de înaltă precizie ale vehiculelor datorită liniarității lor, care poate fi specificată la un nivel de ±1%.

Figura 1: Senzorii de poziție liniari cu efect Hall din seria 20LHE au o liniaritate de ±1%. (Sursa imaginii: Vishay)

Senzorii din seria 20LHE sunt concepuți pentru a funcționa în medii dificile și au o durată de viață fără întreținere de peste 10 milioane de cicluri. Oferă măsurători precise atunci când se aplică curentul electric fără calibrare sau inițializare. În plus, acești senzori oferă o stabilitate excelentă, fără deviații de liniaritate. Histerezisul static este limitat la 0,1% din tensiunea de alimentare, în timp ce histerezisul dinamic este de numai 0,25%.

Senzorii sunt montați cu flanșă pentru o instalare ușoară, după cum se arată în Figura 2, iar axul se poate extinde cu 30 mm de la fața de montare pentru a facilita conectarea cu mecanismul de control. În același timp, dimensiunile totale ale unui senzor din seria 20LHE sunt de numai 46 x 20,8 x 37 mm, ceea ce permite dispozitivului să încapă în cabinele înguste ale vehiculelor.

Figura 2: Senzorii din seria 20LHE sunt compacți și utilizează un design cu flanșă pentru montare ușoară. (Sursa imaginii: Vishay)

Considerente de proiectare mecanică pentru senzorii liniari cu efect Hall

Comenzile pentru vehicule robuste trebuie să ofere o fiabilitate ridicată în medii necontrolate. Astfel, este esențial să se ia în considerare capacitatea unui senzor de control al vehiculului de a rezista la condiții dure. În mediile solicitante este probabil să apară impacturi fizice, dar și vibrații provenite din surse precum motorul și suspensia vehiculului. Senzorii din seria 20LHE oferă un design fizic robust care poate rezista la vibrații de până la 20 g și la șocuri de până la 50 g.

Senzorii din seria 20LHE sunt adăpostiți într-o carcasă termoplastică durabilă pentru a face față prafului, lichidelor și temperaturilor extreme de la -40 °C la +85 °C. Modelele cu revenire a arcului au un grad de protecție împotriva pătrunderii (IP) de IP51; sunt disponibile și grade IP mai mari.

Un indice IP indică nivelul de protecție pe care îl oferă o carcasă împotriva pătrunderii obiectelor solide (prima cifră) și a lichidelor (a doua cifră). În cazul IP51, 5 indică faptul că carcasa este protejată împotriva pătrunderii prafului într-o cantitate suficientă pentru a afecta funcționarea normală a dispozitivului, în timp ce 1 indică faptul că carcasa este protejată împotriva picăturilor de apă care cad pe verticală.

Considerente de proiectare electrică pentru utilizarea senzorilor liniari cu efect Hall

De asemenea, mediile dificile prezintă pericole electromagnetice, inclusiv descărcări electrostatice și interacțiuni involuntare între diverse sisteme electrice și electronice. Produsele din seria 20LHE pot rezista la o gamă largă de astfel de pericole. În special, acestea pot rezista la o supratensiune de +20 volți și la o tensiune inversă de -10 volți. Alte specificații de mediu sunt enumerate în Tabelul 1.

Tabelul 1: Seria 20LHE este proiectată pentru a rezista la pericole fizice și electromagnetice. (Sursa imaginii: Vishay)

Un senzor liniar cu efect Hall trebuie să fie asociat cu o rezistență de sarcină pentru a funcționa corect. Pentru seria 20LHE, Vishay recomandă o sarcină minimă de 1 kiloohm (kΩ).

Selectarea unui senzor liniar cu efect Hall

Acuratețea este primul parametru care trebuie luat în considerare, deoarece senzorul trebuie să ofere precizia de control necesară. În cazul seriei 20LHE, Vishay oferă posibilitatea de a alege între ±2% liniaritate cu 20LHE1XWA1P30 sau ±1% liniaritate cu 20LHE1AWA1P30.

De asemenea, ieșirea trebuie să îndeplinească și cerințele celorlalte elemente ale sistemului de control. Opțiunile tipice includ semnale analogice rațiometrice sau modularea în lățime a impulsurilor (PWM). Seria 20LHE este disponibilă în ambele configurații, ieșirea crescând sau scăzând în funcție de poziția senzorului. De exemplu, 20LHE1AWB1P30 are o ieșire analogică descrescătoare, ceea ce înseamnă că ieșirea este la cel mai scăzut nivel atunci când axul senzorului este complet comprimat (Figura 3).

Figura 3: 20LHE1AWB1P30 este disponibil cu o ieșire analogică descrescătoare, care atinge valoarea minimă atunci când axul senzorului este complet comprimat. (Sursa imaginii: Vishay)

Axul în sine trebuie luat în considerare. De exemplu, seria 20LHE are un ax de 3,175 mm care poate fi filetat opțional cu un filet M3 x 6 mm. O astfel de configurație poate simplifica instalarea și poate oferi o conexiune mai sigură la mecanismul de control.

Majoritatea modelelor din seria 20LHE sunt echipate cu un arc de revenire. Acest arc asigură un mecanism de autocentrare, garantând că senzorul revine în poziția sa inițială atunci când forța care l-a deplasat este eliminată. Această caracteristică poate fi benefică pentru aplicațiile de control al vehiculelor, cum ar fi senzorii de poziție a pedalei de accelerație, unde operatorii aplică și eliberează frecvent forțe. Sunt disponibile și modele fără arc, cum ar fi 20LHE2AWA1P30.

Concluzie

Ca opțiune fără contact, senzorii liniari cu efect Hall sunt o soluție excelentă pentru comenzile vehiculelor robuste. Produsele din seria 20LHE au un factor de formă compact și sunt montate pe flanșă pentru o instalare ușoară. De asemenea, acestea sunt suficient de durabile pentru a rezista la condiții de lucru dificile și pentru a oferi o precizie stabilă, fără întreținere, în fața pericolelor fizice și electromagnetice.