通过Gwenn Gmeinder, N.A. Littelfuse传感器产品业务发展经理
模拟和数字传感器是准确和可靠的长期。在这里,我们将解释如何为工业自动化和运动控制应用选择它们。我们定义和描述了数字和模拟传感器的好处,并给出了工业实例。然后,我们应用设计原则和最佳实践来详细介绍一个用于工业应用的自定义磁传感解决方案。
工业自动化和运动设计,如输送机、电梯和拣放机械,必须在受灰尘和污垢影响的工厂内运行。这些设计通常表现出高振动和冲击力的峰值。这种情况会威胁传感器电路的稳定性。幸运的是,一些定制磁传感器运动功能,以确保长期的准确性和可靠性。
考虑这样一个应用程序,它必须验证一个对象(如电梯门)何时关闭。在这里,簧片和霍尔效应传感器的数字版本提供了出色的可靠性。
数字簧片开关基础知识
这个电器开关不需要电源就能操作。一根用贵重金属密封的玻璃管。
好处:簧片开关在数百万个运行周期中是可靠的,因为它们不受湿度和其他环境条件的影响。
应用程序:簧片开关在微处理器控制的逻辑级电气负载中很常见。由于簧片传感器可以切换交流或直流负载,它们适用于数字开/关应用,如工业或运动控制机器中的闭合或位置检测系统。
如前所述,货运和客运电梯经常使用簧片开关进行关门检测。磁铁安装在门上,簧片传感器连接到隐藏在电梯墙后的固定框架上。
当门打开时,簧片传感器的触点是打开的,因此无法感知磁场。它的输出值输入微处理器控件,以指示打开的门。当门关闭时,传感器检测到合适的磁场,簧片触点关闭,向控制器发送新信号。在现代工业系统中,微控制器通常是控制电路的一部分。这使得簧片或霍尔效应传感器开关具有低逻辑级直流电压和电流值。
数字霍尔效应传感器的基础知识
这些传感器将霍尔效应传感元件与电路相结合,输出对应于磁场变化的数字开/关信号,而无需使用移动部件。霍尔效应装置的主动电路在任何时候都会产生少量电流。
好处:数字霍尔效应传感器提供高可靠性,用户可以对其进行编程,使其在给定的磁场公差下激活,以满足精确的传感要求。
应用程序:霍尔效应传感器仅适用于低直流电压和电流值的工业和运动控制应用。这些传感器在高速应用中很常见,如线性输送机的转速跟踪。例如,霍尔效应速度传感器可能检测到旋转的16极环形磁铁。在这里,霍尔效应传感器与每个通过的北极段一起激活,并与每个通过的南极段一起失效。然后传感器将这些信号发送到控制单元。
高精度模拟传感器:旋转和线性霍尔效应
模拟传感器让终端用户在工业系统中获得磁体位置的即时反馈。过去的模拟霍尔效应传感器测量磁体的磁通密度,并在很大程度上受到温度值的影响。现在,由于模拟霍尔效应技术的进步,更新的霍尔效应芯片测量通量场的角度,而不是传统的振幅,使其对温度变化的敏感性大大降低。因此,传感器在较大的温度范围内提供更稳定的模拟输出。
有一对霍尔效应传感器的变化,适合自定义模拟传感。
旋转霍尔效应传感器的基础知识
这种基于半导体的传感器不使用任何移动部件,将霍尔效应传感元件与电路结合起来,提供与旋转磁场变化相对应的模拟输出信号。该传感器提供两种输出选项-模拟或脉宽调制(PWM)。
该设备是可编程的,因此工程师可以将特定的输出电压或PWM与精确的旋转程度联系起来。多个编程点可达360°旋转。每个编程点代表一个电压或PWM输出值,对应于给定的磁场角度。这导致高精度,高分辨率的比例输出信号相对于旋转的程度。
好处:与机械旋转或电阻膜旋转装置不同,旋转霍尔效应传感器不会经历电阻值的变化或机械磨损。它们在正常工作温度下提供卓越的稳定性,最高可达105°c。单元从0到360°旋转,0.5 V到4.5 Vdc输出或PWM占空比为10到90%。
应用程序:旋转霍尔效应传感器在取代电阻膜和电位器方面越来越受欢迎,电位器是易磨损和氧化的机械设备,会降低控制单元中的信号。所以,霍尔效应传感器适用于无数的运动设计。例如,它们可以帮助测量流体流动系统中挡板阀的角度,以精确调节流量;在控制电路中,它们用于检测拨盘位置。
线性霍尔效应传感器的基础知识
线性霍尔效应传感器测量的是磁场的线性运动,而不是旋转。这样的传感器是可编程的设定输出电压,是比例为给定的旅行距离。(它们的输出选项与旋转式霍尔效应传感器相同。)传感器测量线性运动和磁致动器的相对磁通角30毫米行程与一个单一的霍尔效应芯片。这输出一个比率信号来跟踪传感器的精确运动。
好处:传感器和执行器工作在各种最终安装区域,即使它们受到周围设备的磁影响。这就产生了一个最佳的输出信号,因为编程可以解释磁场的任何分流、机械公差或叠加公差(因此,当磁铁旋转时,输出信号只对应于磁通量方向)。
应用程序:线性霍尔效应传感器通常作为液位传感器用于监测液位。在这里,传感器检测移动浮子运动磁铁的位置。线性传感器在为自动取放系统寻找精确的位置公差时也很有用。
应用的专业知识:自定义传感器的输送机
在选择高性能磁传感时,设计工程师首先应该对应用程序的环境、机械、电气和磁参数进行全面审查。然后工程师应该分析工业应用的全磁路,包括传感器和磁执行器。然后工程师可以确定自定义传感器设置足够健壮,以满足设计要求。
利用我们在这里回顾的设计指导方针和最佳实践,考虑以下案例研究,其中定制磁传感器改进了工业输送机应用。
存在的问题:最初,机器制造商希望将霍尔效应速度传感器安装在传送带上的工业皮带驱动系统上。最终用户和设计工程团队之间的广泛沟通表明,标准霍尔效应传感器无法满足电磁兼容性(EMC)、电磁干扰(EMI)或静电放电(ESD)的要求,因为运行输送机的电机离传感器位置太近了。
其他要求:最终用户需要自定义传感器设置,通过不受控制的环境将24awg绝缘导线连接到标准霍尔效应传感器。铅线必须承受工厂内的潜在危险,如灰尘、化学品、油和振动。他们还必须不断地向微处理器控制单元发送速度信号。
霍尔效应速度跟踪必须升级,以处理传感器执行器的速度和相对磁路。传感器必须在传感器和磁铁之间架起所需的2mm间隙。
解决方案:工程团队开发了一个强大的定制设计,在印刷电路板上增加了电容和电阻电路。这为传感器提供了额外的EMI、EMC和ESD保护。传感器的注塑成型胶囊比标准胶囊更大,以适应新的电路。此外,引线升级为20 AWG,采用聚四氟乙烯绝缘。
制造商设计了一种真正的速度传感霍尔效应芯片,以取代数字霍尔效应芯片,获得更准确的速度信号。
设计团队还使用计算机模拟来确定2毫米传感间隙的最佳磁铁设计。他们确定一个16极环形磁体(有8对磁极)将最大限度地提高磁路的可靠性。所以现在,新的注射成型胶囊适用于其他设计,而无需迫使最终用户支付工具费用。
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