霍爾傳感器在跑車防護(hù)裝置中的應(yīng)用研究

朱香衛(wèi)　寧要武

摘 要： 為了研制適應(yīng)礦井惡劣環(huán)境下跑車防護(hù)裝置使用的速度傳感器，分析了已有跑車速度檢測(cè)方法存在問題。在簡(jiǎn)述霍爾傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，提出了使用雙霍爾傳感器檢測(cè)速度的方法，介紹了采用PLC軟件編制的主要程序。該方法可以同時(shí)檢測(cè)主提升絞車的運(yùn)行方向、速度和深度，從而為跑車防護(hù)裝置提供了一種全新的檢測(cè)方案。同時(shí)提出了應(yīng)根據(jù)煤礦井下的使用環(huán)境為霍爾傳感器選擇適合的防爆設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)并給出了在實(shí)際應(yīng)用中的安裝建議。

關(guān)鍵詞： 霍爾傳感器原理； 跑車防護(hù)裝置； 速度； 傳感器； 防爆； 抗干擾

中圖分類號(hào)：TD55 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2013）09-34-03

0 引言

在煤礦生產(chǎn)中，兼作行駛?cè)塑嚨膬A斜井巷，在提升人員時(shí)，傾斜井巷中的擋車裝置和跑車防護(hù)裝置必須是常開狀態(tài)，并可靠地鎖住。每個(gè)傾斜巷道里通常按MT933-2005《跑車防護(hù)裝置技術(shù)條件》的要求，根據(jù)巷道傾角和長(zhǎng)度安裝若干臺(tái)跑車防護(hù)裝置。當(dāng)?shù)V車運(yùn)行到跑車防護(hù)裝置附近時(shí)，裝置打開，遠(yuǎn)離后裝置關(guān)閉，當(dāng)?shù)V車運(yùn)行速度大于5m/s時(shí)，則視同發(fā)生跑車事故，保持擋車欄關(guān)閉狀態(tài)，攔截礦車，阻止礦車?yán)^續(xù)運(yùn)行[1]。因此，如何檢測(cè)礦車的運(yùn)行位置、方向和速度是跑車防護(hù)裝置中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

目前常見的速度位置感應(yīng)方式有光電開關(guān)、多普勒雷達(dá)、軌道感應(yīng)、地感線圈、光電編碼器和霍爾開關(guān)等。其中光電開關(guān)、多普勒雷達(dá)、軌道感應(yīng)、地感線圈傳感方式因?yàn)榫鹿ぷ鳝h(huán)境等因素已經(jīng)很少使用；光電編碼器技術(shù)成熟，配套軟件完善，抗電磁干擾強(qiáng)，因而得到廣泛應(yīng)用[2]，但由于光電編碼器必須安裝在提升絞車旋轉(zhuǎn)軸的軸端上，而小型絞車無(wú)外露軸端，因此在小絞車提升的巷道中無(wú)法使用。

隨著礦用提升絞車的技術(shù)進(jìn)步，各種絞車保護(hù)系統(tǒng)廣泛使用到提升系統(tǒng)中，大型絞車的電機(jī)、減速機(jī)、卷筒在出廠時(shí)都安裝了保護(hù)系統(tǒng)必須使用的轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元，所以大型絞車上無(wú)法安裝跑車防護(hù)裝置使用的光電編碼器。

針對(duì)以上實(shí)際情況，研制以非接觸、只對(duì)磁場(chǎng)敏感、開關(guān)量輸出的速度傳感器是跑車防護(hù)裝置研制工作中首要任務(wù)。而霍爾開關(guān)（霍爾傳感器）以非接觸、只對(duì)磁場(chǎng)敏感、開關(guān)量輸出等優(yōu)點(diǎn)得到應(yīng)用。

本文采用兩個(gè)霍爾傳感器，提供兩個(gè)具有90?相位差的脈沖信號(hào)，用以檢測(cè)主提升絞車運(yùn)動(dòng)方向、速度和深度。本文所闡述的霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低廉，為跑車防護(hù)裝置提供了一種全新的傳感檢測(cè)方案。

1 霍爾傳感器的工作原理

在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)和相關(guān)外圍電路構(gòu)成的傳感器稱為霍爾傳感器[3]。

霍爾傳感器根據(jù)輸出模式分為線性型和脈沖型兩類。我們使用的霍爾傳感器為脈沖型，又稱霍爾開關(guān)。霍爾開關(guān)主要由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。

在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過導(dǎo)通閥值（工作點(diǎn)）時(shí)，霍爾開關(guān)輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，B值再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。若外加磁場(chǎng)的B值降低到截止閥值（釋放點(diǎn)）時(shí)，輸出管截止，輸出高電平。工作點(diǎn)與釋放點(diǎn)之間存在差值（回差），該差值可以有效提高霍爾開關(guān)的抗干擾能力。霍爾開關(guān)輸出脈沖信號(hào)，其頻率與磁場(chǎng)變化頻率相同，受霍爾元件的響應(yīng)頻率限制，輸出幅度與輸出電路及其工作電源相關(guān)。

受測(cè)磁鋼與霍爾元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式常見的有兩種：相對(duì)接近式和相對(duì)旋轉(zhuǎn)式。

如圖1所示為相對(duì)接近式：磁鋼沿霍爾傳感器軸向移動(dòng)，接近或遠(yuǎn)離霍爾傳感器端面。

如圖2所示為相對(duì)旋轉(zhuǎn)式：磁鋼沿霍爾傳感器徑向、以與霍爾傳感器端面相對(duì)固定距離為旋轉(zhuǎn)半徑移動(dòng)。

2 雙霍爾傳感器檢測(cè)速度、方向和深度的方法

跑車防護(hù)裝置工作時(shí)，既要檢測(cè)礦車的行駛速度，又要檢測(cè)其行駛方向和位置，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中使用兩個(gè)霍爾開關(guān)，并列布置，當(dāng)絞車運(yùn)行時(shí)，使磁鋼依次通過霍爾元件，如圖3所示。

在圖3中，A、B為霍爾傳感器，當(dāng)磁鋼在端面左右移動(dòng)時(shí)，A、B兩個(gè)霍爾傳感器能感應(yīng)到周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而輸出開關(guān)信號(hào)。

磁鋼在端面左右移動(dòng)時(shí)，A、B兩個(gè)霍爾傳感器輸出開關(guān)信號(hào)的時(shí)序關(guān)系圖如圖4所示。

當(dāng)磁鋼移動(dòng)到圖3位置1時(shí)，A霍爾傳感器輸出開關(guān)信號(hào)為高電位。

當(dāng)磁鋼移動(dòng)到圖3位置2時(shí)，A、B輸出開關(guān)信號(hào)均為高電位。

當(dāng)磁鋼移動(dòng)到圖3位置3時(shí)，A霍爾傳感器輸出開關(guān)信號(hào)為低電位。

當(dāng)磁鋼移動(dòng)到圖3位置4時(shí)，A、B兩個(gè)霍爾傳感器輸出開關(guān)信號(hào)均為低電位，因此A、B兩個(gè)霍爾傳感器輸出的開關(guān)信號(hào)始終存在90?相位差，利用PLC的計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)功能可以編寫準(zhǔn)確檢測(cè)磁鋼的運(yùn)動(dòng)方向、速度的程序，通過計(jì)算獲得絞車運(yùn)行深度。

圖4中的t為A、B兩個(gè)霍爾傳感器輸出開關(guān)信號(hào)同時(shí)輸出為高電平的時(shí)間，該時(shí)間決定雙傳感器的響應(yīng)頻率：

公式⑴中，v為磁鋼的運(yùn)動(dòng)速度；L為圖3中磁鋼運(yùn)行的位置2與位置3的距離；l為兩個(gè)霍爾傳感器的距離。

t與磁鋼的大小和相對(duì)傳感器距離有關(guān)，l與傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)，v為磁鋼的運(yùn)動(dòng)速度。

當(dāng)L≤l時(shí)A、B兩個(gè)傳感器不能輸出具有90?相位差的信號(hào)，失去雙傳感器的意義。

當(dāng)t小于PLC軟件的運(yùn)行周期時(shí)，相位差信號(hào)將丟失，PLC不能準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。

由以上分析可知：雙傳感器的有效使用條件受磁鋼大小和運(yùn)動(dòng)速度、傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、PLC軟件的運(yùn)行周期等幾個(gè)方面因素影響。

以下結(jié)合實(shí)際使用情況，設(shè)PLC運(yùn)行周期為20ms，單霍爾傳感器為M8×1的外螺紋圓柱體結(jié)構(gòu)，磁鋼為φ30mm×3，則：

即在設(shè)計(jì)條件下，磁鋼安裝在提升絞車上，當(dāng)磁鋼隨絞車運(yùn)行時(shí)，其線速度必須小于1.1m/s。

PLC軟件設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮檢測(cè)出AB兩信號(hào)的相位差，并判斷相位差方向[4]。代碼如下：

3 霍爾開關(guān)在煤礦井下應(yīng)用

3.1 防爆設(shè)計(jì)

礦井環(huán)境復(fù)雜且存在爆炸性氣體，所以霍爾開關(guān)必須采用相應(yīng)的防爆型式。由于每臺(tái)跑車防護(hù)裝置使用一個(gè)雙霍爾開關(guān)，為了降低成本，提高部件的通用性，霍爾開關(guān)在井下使用時(shí)采用如圖5所示隔爆型防爆結(jié)構(gòu)[5]。

霍爾開關(guān)體積小，功耗低，工作時(shí)不產(chǎn)生高溫和火花，防爆外殼采用電纜直接引入方式。為了提高霍爾元件的敏感性，防爆外殼采用黃銅或不銹鋼加工制作[1-2]。

3.2 抗干擾設(shè)計(jì)

由于提升絞車目前普遍使用變頻調(diào)速拖動(dòng)技術(shù)，井下存在嚴(yán)重的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。在跑車防護(hù)裝置中使用霍爾傳感器時(shí)，特別是采用高速計(jì)數(shù)器采樣時(shí)，要特別注意解決電磁干擾問題[6]。

3.2.1 電源隔離

霍爾傳感器電源回路使用如圖6所示的隔離變壓器和電抗器相結(jié)合，目的是為了減少電源中變頻器產(chǎn)生的高頻分量[1-2]。

傳感器輸出回路采用如圖7所示的光電耦合器與PLC輸入端隔離，這樣既能達(dá)到電氣隔離的目的，又能夠使霍爾傳感器以不同的工作電壓與PLC輸入端匹配。

3.2.2 電磁屏蔽

在井下實(shí)際使用環(huán)境中，干擾信號(hào)主要為低頻信號(hào)。霍爾傳感器信號(hào)線應(yīng)采用銅編織屏蔽層的電纜，布線時(shí)選擇單點(diǎn)接地方式。由于井下電氣設(shè)備均接安全保護(hù)地，連接電纜時(shí)，屏蔽層盡量不要接在防爆外殼上。如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)，應(yīng)減少傳感器外殼與其他設(shè)備外殼之間的電位差，降低干擾源。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)安裝注意事項(xiàng)

為了降低磁鋼的線速度，一般要求磁鋼安裝在旋轉(zhuǎn)半徑較小的絞車卷筒軸上，同時(shí)盡量選擇外徑較小的霍爾傳感器。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能采用指令周期小的指令，簡(jiǎn)化軟件流程，壓縮運(yùn)行周期。當(dāng)實(shí)際工況無(wú)法滿足響應(yīng)頻率時(shí)，可以采用PLC的高速計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了霍爾傳感器的工作原理，提出了在跑車防護(hù)裝置用中運(yùn)用雙霍爾傳感器檢測(cè)方法檢測(cè)礦車運(yùn)動(dòng)速度和位置的方法，利用兩個(gè)霍爾傳感器提供兩個(gè)具有90?相位差的脈沖信號(hào)，編寫相應(yīng)的PLC程序，解決了單個(gè)霍爾開關(guān)檢測(cè)時(shí)容易受到電氣和機(jī)械干擾而出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差的問題，分析了實(shí)際應(yīng)用中的相關(guān)影響因素，設(shè)計(jì)了符合在礦井爆炸氣體環(huán)境下使用的隔爆型霍爾傳感器，為跑車防護(hù)裝置提供一種獨(dú)特的檢測(cè)主提升絞車運(yùn)動(dòng)方向、速度和深度檢測(cè)方法。利用該傳感器研制的跑車防護(hù)裝置完全符合《煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程》和MT933-2005《跑車防護(hù)裝置技術(shù)條件》的要求，為煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸工作提供一種全新的安全保護(hù)設(shè)備。隨著煤炭行業(yè)的擴(kuò)展和安全生產(chǎn)意識(shí)的提高，這種跑車防護(hù)裝置具有廣闊的市場(chǎng)前景。

為了提高設(shè)備工作可靠性，霍爾傳感器應(yīng)具有自檢功能，即當(dāng)自身出現(xiàn)故障或失靈時(shí)，應(yīng)向控制器（PLC）發(fā)送報(bào)警信號(hào)，通過控制器向集控中心的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出設(shè)備異常信息。這是跑車防護(hù)裝置研制工作在現(xiàn)代化礦山建設(shè)中的努力方向。

參考文獻(xiàn)：

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