为坚固耐用型车辆的控制机构选择和应用线性位置传感器

来源：DigiKey
作者：Kenton Williston

随着物联网 (IoT) 在工厂自动化中的应用以及电子设备越来越多地出现在汽车中，设计人员必须仔细考虑传感器的选型。在用于控制的线性传感器方面，拖拉机和叉车等车辆带来了独特的设计挑战。这些控制装置必须能在许多年内保持精确、反应灵敏、可靠、经久耐用、耐高温、耐冲击、抗振、防潮和防尘，且所需维护工作降至最少。

线性霍尔效应传感器是满足这些应用要求的一种选择。作为一种非接触式选择，这些传感器可进行加固处理，以承受恶劣工作条件。

本文将讨论车辆的检测要求，以及为什么线性霍尔效应传感器式很好的选择。然后介绍 Vishay 的线性霍尔效应传感器，说明其特性及如何成功选型和应用。

坚固耐用型车辆为何需要专用的高精度控制装置

坚固耐用型车辆经常处于危险环境中，必须做到精确操作。因此，这些车辆的控制装置必须高度精确、反应灵敏。此外，这些操作控制器通常需要与多个车载物联网传感器和自动控制系统连接。应用案例例包括：

· 叉车舵柄：准确检测舵柄角度（即主控手柄）可实现安全高效的操作，这在狭小空间内尤为重要。
· 拖拉机换挡：平稳换挡可最大限度地减少变速箱磨损，提高燃油效率。
· 踏板位移系统：精确的测量可实现车辆的最佳控制，并增强自动减速和紧急停止等安全功能。

可靠性是另一项设计要求。在仓库和生产设施等环境中，控制器可能会被滥用，受到污染物、极端温度的影响。

最后，坚固耐用型车辆在设计上往往空间有限。例如，叉车高度受限，以便优化在仓库过道中的机动性。因此，用于坚固耐用型车辆的控制装置传感器通常需要尽可能小。

线性霍尔效应传感器为何特别适用于坚固耐用型车辆的控制装置

由于对耐用性、大行程和小尺寸的需求，为坚固耐用型车辆控制装置选择合适的传感器可能会变得很困难。线性霍尔效应传感器是一种很好的选择，因为这种传感器采用非接触技术，可以使用数百万次而无需调节。此外，线性霍尔传感器采用易于安装的紧凑型封装，可在短距离位置检测中达到出色的精度。

首先研究霍尔效应有助于了解这些优势。霍尔效应传感器会沿一条轴线在称作霍尔元件的金属或半导体薄条上施加恒定的直流偏置电流。当施加垂直于电流流向的磁场时，电荷载流子会受到洛伦兹力的作用发生偏转，并聚集在与霍尔元件相对的一侧，从而产生一个横向电场（称为霍尔场）和一个横跨元件电势（称为霍尔电压）。霍尔电压与电流、磁场、一个与材料有关的常数（即霍尔系数）的乘积成正比。

在线性传感器中，霍尔效应可产生与霍尔元件和磁铁之间的距离成比例的输出电压。因此，短距离位置检测精度高，响应速度快。

专为坚固耐用型车辆控制装置设计的线性霍尔效应传感器

Vishay 的 20LHE 系列位置传感器（图 1）充分展现了线性霍尔效应传感器的优势。这种传感器行程短，为 10 mm，跟踪速度为 60 mm/s。由于其线性度可低至 ±1%，因此非常适合高精度车辆控制。


图 1：20LHE 系列线性霍尔效应位置传感器的线性度为 ±1%。（图片来源：Vishay）

20LHE 系列传感器可在恶劣环境中工作，免维护使用寿命超过 1 千万次。这种传感器在通电后无需校准或初始化即可进行精确测量。此外，这种传感器还具有出色的稳定性，不会出现线性漂移。静态磁滞限制在电源电压的 0.1%，而动态磁滞仅为 0.25%。

这种传感器采用便于安装的法兰底座，如图 2 所示，其轴可从安装面伸出 30 mm，方便连接控制机构。与此同时，20LHE 系列传感器的整体尺寸仅为 46 x 20.8 x 37 mm，可安装在狭小的车厢内。


图 2：20LHE 系列传感器结构紧凑，采用法兰安装式设计，便于安装。（图片来源：Vishay）

线性霍尔效应传感器的机械设计考虑因素

坚固耐用型车辆控制器必须在不受控制的环境中具有高可靠性。因此，考虑车辆控制传感器在恶劣环境下的耐受能力至关重要。在恶劣条件下很可能会产生物理冲击，汽车发动机和悬挂系统等振动源也会产生物理冲击。20LHE 系列传感器采用坚固耐用的物理设计，可承受最大 20g 的振动和最大 50g 的冲击。

20LHE 系列传感器采用耐久型热塑外壳，可防尘、防液体，并可在 -40°C 至 +85°C 的极端温度下使用。对于带弹簧复位的型号，其环境防护 (IP) 等级为 IP51，也可选择具有更高 IP 等级的型号。

IP 等级表示外壳对固体颗粒物（第一位数字）和液体（第二位数字）入侵的防护等级。当防护等级为 IP51 时，5 表示外壳可防止足以影响设备正常运行的灰尘进入，1 表示外壳可防止垂直落下的水滴。

使用线性霍尔效应传感器时的电气设计注意事项

恶劣环境也会造成电磁危险，包括静电放电以及各种电气和电子系统之间的意外相互作用。20LHE 系列可抵御各种此类危险。最值得注意的是，该系列霍尔效应传感器可承受 +20 V 过电压和 -10 V 反向电压。其他环境规格见表 1。


表 1：20LHE 系列可抵御物理和电磁危险。（图片来源：Vishay）

线性霍尔效应传感器必须与负载电阻配对才能正常工作。对于 20LHE 系列，Vishay 建议最小负载为 1 kΩ。

选择线性霍尔效应传感器

精度是首要考虑参数，因为传感器必须满足所需的控制精度要求。就 20LHE 系列而言，Vishay 20LHE1XWA1P30 的线性度为 ±2%，20LHE1AWA1P30 的线性度为 ±1%。

输出还应符合控制系统的其他部分的要求。典型选项包括模拟比率测量或脉宽调制 (PWM)。20LHE 系列有两种配置，输出相对于传感器位置增大或减小。例如，20LHE1AWB1P30具有模拟递减输出，即当传感器轴完全压缩时输出最低（图 3）。


图 3：20LHE1AWB1P30 可提供模拟递减输出，在传感器轴完全压缩时达到最小值。（图片来源：Vishay）

此外，还需要考虑传感器轴本身。例如，20LHE 系列采用 3.175 mm 轴，可选择 M3 x 6 mm 螺纹。这种配置可以简化安装，并为控制机构提供更可靠的连接。

大多数 20LHE 系列型号都配有弹簧复位装置。该弹簧提供了一种自定中心机制，可确保传感器在移位力移除后返回其初始位置。这一功能对于节气门位置传感器等车辆控制应用来说非常有用，因为在这些应用中，操作者需要频繁地施加和释放输入力。除带弹簧的型号外，还提供不带弹簧的型号，如 20LHE2AWA1P30。

结束语

作为一种非接触式选择，线性霍尔效应传感器非常适合用于坚固耐用型车辆的控制机构。20LHE 系列外形紧凑，采用法兰底座，便于安装。该系列传感器经久耐用，能够承受恶劣的工作条件，并在物理和电磁危险环境下提供稳定的免维护精度。