集成開關型霍爾傳感器在新型塔吊超載報警器中的應用

■王佳優，孫利民 ■鄭州大學力學與工程科學學院，河南 鄭州 450001

集成開關型霍爾傳感器(集成霍爾開關)是一種利用霍爾效應實現磁電轉換的傳感器，它是目前較為先進的傳感器，具有靈敏度高、線性度好、穩定性高和體積小等特點，多用于位置轉速檢測與控制，如應用于轉速測量、液位控制、液體流量檢測、產品計數、車輛行程檢測等，它在物理實驗的周期測量中也有許多應用。

我國正處于經濟大發展的重要時期，各行各業發展迅速，伴隨著安全生產也就成為當前各行各業的工作重點之一，特別是建筑行業的塔式起重機的安全運行。這就對塔吊超載報警器的工作能力有了更高的要求。傳統的塔吊超載報警器多采用電葫蘆超載限位器，市場價格相對較高。本文研制的新型塔吊超載報警器結構簡單、實用性強、應用效果好，對以往此類報警器有很大的創新。

1 集成開關型霍爾傳感器工作原理

1.1 傳感器結構

集成開關型霍爾傳感器主要由以下5 個部份組成:穩壓器A、霍爾電勢發生器(霍爾片)B、差分放大器C、施密特觸發器D 和OC 門輸出E，如

圖1 霍爾開關圖

圖1 所示。(1)(2)(3)表示霍爾開關的三個引出端點。

1.2 傳感器工作原理

將霍爾片置于磁場中，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會有一個霍爾電壓UH 輸出，UH 信號經差分放大器放大后，送至施密特觸發器。當施加的磁場達到“工作點”或稱“導通點”(即BOP 時)，施密特觸發器就翻轉，其輸出導通，使OC 門輸出端由高電平變為低電平，通常稱這種狀態為“開”。當施加的磁場達到“釋放點”(即BRP 時)，觸發器再一次翻轉，輸出晶體管截止，使OC 門輸出端由低電平變為高電平，這時稱其為“關”態。

2 集成開關型霍爾傳感器特性測量

實驗中用于測量的是A44E 集成霍爾開關。磁鋼用直徑D=6mm，長度為L=3.5mm 的釹鐵硼磁鋼。電源用12V 電源，磁感應強度B 用SXG-1B 毫特儀測量。圖2 中(a)為集成霍爾傳感器外形圖。測量時，在輸出端(3)與電源(1)之間接一個2kΩ 的負載電阻，如圖2(b)所示。

圖2 接線示意圖

圖3 測量示意圖

開始測量，移動磁體，且使移動方向在磁鐵與霍爾開關的軸心線方向上，如圖3 所示。實驗顯示:當磁鐵和霍爾開關移近到一定位置，霍爾開關接通;二者移開一定距離后，霍爾開關斷開。試驗結果為電路導通時兩者距離r=6.5mm、BOP=17.576mT。

3 新型塔吊超載報警器工作原理和參數設計

3.1 工作原理

該塔吊超載報警器由底座1、永久磁鐵2、霍爾開關3、疊簧4、保護開關5、頂座6 組成。當鋼絲繩上加重物時，鋼絲繩拉緊，產生張力，會帶動底座1 外伸，頂座6 不動，這時壓縮碟簧4，當與底座一起連接的永久磁鐵2 達到設定位移時，電壓放大到預訂電壓，電路導通報警。保護開關5也隨底座一起移動，當霍爾開關3 失效時，保護開關5 也能導通電路，達到雙重保護的效果。(如圖4 示)

圖4 超載報警器簡圖

3.2 參數設計

3.2.1 鋼絲繩的選擇

選取10mm 鋼絲繩，根據工程上塔吊零件尺寸要求結合鋼絲繩的強度推出碟簧的具體型號和尺寸:(見表1)

表1 鋼絲繩參數

許用拉力:52.9/00F7/3.3=15.1KN

分解到橫向拉桿上的力 F (碟簧所受力):15.1/00D7/2/00D7/sin15°/FF1D/7.8KN

3.2.2 碟簧的選擇

第一步:預定壓縮量為fz1=5mm，選用C 系列D=63mm 復合彈簧組，每一疊合組用兩個碟片。

第二步:由3.2.1 知F/2248/7.8KN，取F=8KN。則單個碟片的彈簧力/00A0/F1=F/00F7/n=8000/00F7/2=4000N

第三步:查碟簧GB/T 1972-2005 知Fc=4467N，則F1/00F7/Fc=4000/00F7/4467/2248/0.89

第四步:查碟簧GB/T 1972-2005 知/00A0/f=0.62/00D7/2.35=1.457mm

第五步:按照總變形量5mm 的要求，得碟簧組數 i=5/00F7/1.457/2248/3.4

第六步:最終確定取4 個碟簧組，理論壓縮量為f/603B/=i/00B7/f=4/00D7/1.457=5.828mm

4 新型塔吊超載報警器的承載實驗

4.1 實驗儀器和環境

4.1.1 實驗儀器

WDW-10H 電子萬能試驗機(產地:江蘇常州，載荷范圍:0 -10KN，精度:優于示值的±1%)

SXG-1B 毫特儀(產地:北京，供電電源:AC220V 50Hz，量程:0～2000mT，精度:±2.5%)

4.1.2 實驗環境:溫度25℃ 濕度65%

4.2 實驗過程

將報警器穿好鋼絲繩后固定于萬能拉壓試驗機上，如圖4 所示。將霍爾元件和磁鐵之間距離調整為12.328mm(即接通時磁體距霍爾元件距離r 與碟簧壓縮量之和)。開始實驗，將拉壓試驗機設定加載10KN，開始加載，當報警器開始報警時，用SXG-1B 毫特儀測量開關處的磁感應強度B，加載10 次，記磁感應強度分別為B1/3001/B2/3001/B3…B10，記錄在表格中2 中。

圖4 承載實驗圖

表2 10 次實驗磁感應強度值

4.3 誤差分析

由公式(1)計算誤差為3.03%，小于工程中誤差要求5%，說明報警器參數設計合理，霍爾開關在報警器中的應用效果很好，同時也體現了霍爾開關抗干擾能力強。

5 結束語

通過一系列承載實驗，集成霍爾開關型傳感器在新型塔吊超載報警器上的應用是科學合理的，它提高了報警器的工作能力。報警器制作原理簡單，不需要過分復雜的傳感器，零件可拆卸，便于更換。同時碟簧體積小，極大的節約空間，采用不同的組合，可以得到不同的負荷、非線性、漸增性、零剛度及負剛度的變形特性曲線，采用集成開關型霍爾傳感器控制塔吊超載報警器報警電路靈敏度高、誤差小。另外，實驗中沒有考慮鋼絲繩、拉桿和基座之間的摩擦，可能使實驗數據出現小的偏差，后期實驗將會改進。

［1］李占春.鋼絲繩簡易計算方法［M］.中國水利水電第七工程局安裝公司.四川:彭占山，2000.

［2］張勇，孟建新，楊紅英，張銀鈴.霍爾效應的發展及應用［M］.解放軍坦克學院基礎部實驗中心:安徽:蚌埠，2010.

［3］焦麗鳳.集成開關型霍爾傳感器在測量物體轉動慣量中的應用［M］.常熟高等?？茖W校，2000.