霍爾傳感器在跑車防護裝置中的應用研究

朱香衛(wèi)　寧要武

摘 要： 為了研制適應礦井惡劣環(huán)境下跑車防護裝置使用的速度傳感器，分析了已有跑車速度檢測方法存在問題。在簡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。該方法可以同時檢測主提升絞車的運行方向、速度和深度，從而為跑車防護裝置提供了一種全新的檢測方案。同時提出了應根據(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、抗干擾設(shè)計并給出了在實際應用中的安裝建議。

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

中圖分類號：TD55 文獻標志碼：A 文章編號：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，傾斜井巷中的擋車裝置和跑車防護裝置必須是常開狀態(tài)，并可靠地鎖住。每個傾斜巷道里通常按MT933-2005《跑車防護裝置技術(shù)條件》的要求，根據(jù)巷道傾角和長度安裝若干臺跑車防護裝置。當?shù)V車運行到跑車防護裝置附近時，裝置打開，遠離后裝置關(guān)閉，當?shù)V車運行速度大于5m/s時，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，阻止礦車繼續(xù)運行[1]。因此，如何檢測礦車的運行位置、方向和速度是跑車防護裝置中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

目前常見的速度位置感應方式有光電開關(guān)、多普勒雷達、軌道感應、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、軌道感應、地感線圈傳感方式因為井下工作環(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，因而得到廣泛應用[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，而小型絞車無外露軸端，因此在小絞車提升的巷道中無法使用。

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

針對以上實際情況，研制以非接觸、只對磁場敏感、開關(guān)量輸出的速度傳感器是跑車防護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、只對磁場敏感、開關(guān)量輸出等優(yōu)點得到應用。

本文采用兩個霍爾傳感器，提供兩個具有90?相位差的脈沖信號，用以檢測主提升絞車運動方向、速度和深度。本文所闡述的霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低廉，為跑車防護裝置提供了一種全新的傳感檢測方案。

1 霍爾傳感器的工作原理

在半導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強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為UH的霍爾電壓，此現(xiàn)象稱為霍爾效應。利用霍爾效應和相關(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)?；魻栭_關(guān)主要由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。

在外磁場的作用下，當磁感應強度B超過導通閥值（工作點）時，霍爾開關(guān)輸出管導通，輸出低電平。之后，B值再增加，仍保持導通態(tài)。若外加磁場的B值降低到截止閥值（釋放點）時，輸出管截止，輸出高電平。工作點與釋放點之間存在差值（回差），該差值可以有效提高霍爾開關(guān)的抗干擾能力?；魻栭_關(guān)輸出脈沖信號，其頻率與磁場變化頻率相同，受霍爾元件的響應頻率限制，輸出幅度與輸出電路及其工作電源相關(guān)。

受測磁鋼與霍爾元件之間的相對運動方式常見的有兩種：相對接近式和相對旋轉(zhuǎn)式。

如圖1所示為相對接近式：磁鋼沿霍爾傳感器軸向移動，接近或遠離霍爾傳感器端面。

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

2 雙霍爾傳感器檢測速度、方向和深度的方法

跑車防護裝置工作時，既要檢測礦車的行駛速度，又要檢測其行駛方向和位置，因此在實際設(shè)計中使用兩個霍爾開關(guān)，并列布置，當絞車運行時，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，當磁鋼在端面左右移動時，A、B兩個霍爾傳感器能感應到周圍的磁場發(fā)生變化，從而輸出開關(guān)信號。

磁鋼在端面左右移動時，A、B兩個霍爾傳感器輸出開關(guān)信號的時序關(guān)系圖如圖4所示。

當磁鋼移動到圖3位置1時，A霍爾傳感器輸出開關(guān)信號為高電位。

當磁鋼移動到圖3位置2時，A、B輸出開關(guān)信號均為高電位。

當磁鋼移動到圖3位置3時，A霍爾傳感器輸出開關(guān)信號為低電位。

當磁鋼移動到圖3位置4時，A、B兩個霍爾傳感器輸出開關(guān)信號均為低電位，因此A、B兩個霍爾傳感器輸出的開關(guān)信號始終存在90?相位差，利用PLC的計數(shù)和計時功能可以編寫準確檢測磁鋼的運動方向、速度的程序，通過計算獲得絞車運行深度。

圖4中的t為A、B兩個霍爾傳感器輸出開關(guān)信號同時輸出為高電平的時間，該時間決定雙傳感器的響應頻率：

公式⑴中，v為磁鋼的運動速度；L為圖3中磁鋼運行的位置2與位置3的距離；l為兩個霍爾傳感器的距離。

t與磁鋼的大小和相對傳感器距離有關(guān)，l與傳感器的機械結(jié)構(gòu)相關(guān)，v為磁鋼的運動速度。

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

當t小于PLC軟件的運行周期時，相位差信號將丟失，PLC不能準確計數(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動速度、傳感器的機械結(jié)構(gòu)、PLC軟件的運行周期等幾個方面因素影響。

以下結(jié)合實際使用情況，設(shè)PLC運行周期為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)計條件下，磁鋼安裝在提升絞車上，當磁鋼隨絞車運行時，其線速度必須小于1.1m/s。

PLC軟件設(shè)計時主要考慮檢測出AB兩信號的相位差，并判斷相位差方向[4]。代碼如下：

3 霍爾開關(guān)在煤礦井下應用

3.1 防爆設(shè)計

礦井環(huán)境復雜且存在爆炸性氣體，所以霍爾開關(guān)必須采用相應的防爆型式。由于每臺跑車防護裝置使用一個雙霍爾開關(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

由于提升絞車目前普遍使用變頻調(diào)速拖動技術(shù)，井下存在嚴重的傳導干擾和輻射干擾。在跑車防護裝置中使用霍爾傳感器時，特別是采用高速計數(shù)器采樣時，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

在井下實際使用環(huán)境中，干擾信號主要為低頻信號?；魻杺鞲衅餍盘柧€應采用銅編織屏蔽層的電纜，布線時選擇單點接地方式。由于井下電氣設(shè)備均接安全保護地，連接電纜時，屏蔽層盡量不要接在防爆外殼上。如果無法實現(xiàn)，應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)場安裝注意事項

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，同時盡量選擇外徑較小的霍爾傳感器。在軟件設(shè)計時，盡可能采用指令周期小的指令，簡化軟件流程，壓縮運行周期。當實際工況無法滿足響應頻率時，可以采用PLC的高速計數(shù)器來實現(xiàn)計數(shù)和計時。

4 結(jié)束語

本文闡述了霍爾傳感器的工作原理，提出了在跑車防護裝置用中運用雙霍爾傳感器檢測方法檢測礦車運動速度和位置的方法，利用兩個霍爾傳感器提供兩個具有90?相位差的脈沖信號，編寫相應的PLC程序，解決了單個霍爾開關(guān)檢測時容易受到電氣和機械干擾而出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差的問題，分析了實際應用中的相關(guān)影響因素，設(shè)計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，為跑車防護裝置提供一種獨特的檢測主提升絞車運動方向、速度和深度檢測方法。利用該傳感器研制的跑車防護裝置完全符合《煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程》和MT933-2005《跑車防護裝置技術(shù)條件》的要求，為煤礦生產(chǎn)運輸工作提供一種全新的安全保護設(shè)備。隨著煤炭行業(yè)的擴展和安全生產(chǎn)意識的提高，這種跑車防護裝置具有廣闊的市場前景。

為了提高設(shè)備工作可靠性，霍爾傳感器應具有自檢功能，即當自身出現(xiàn)故障或失靈時，應向控制器（PLC）發(fā)送報警信號，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：

[1] 寧要武，朱香衛(wèi).速度傳感器在跑車防護裝置中的應用[J].煤炭工程，2012.3：123-125

[2] 寧要武，朱香衛(wèi).自動無人職守煤礦斜井跑車防護裝置的設(shè)計[J].煤礦安全，2011.42（12）：58-60

[3] 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應用（第三版）[M]. 西安電子科技大學出版社，2008.

[4] 三菱電機（自動化）中國有限公司.FX系列編程手冊（中文版）[M].三菱電機（自動化）中國有限公司，2009.4.

[5] 尤國俊，耿香紅.斜井小絞車運輸防護擋車裝置的應用[J].煤炭技術(shù)，2009.28（2）：20-22

[6] 鞏壽輝，王建新，馮發(fā)剛.礦井斜巷常閉式跑車防護裝置的推廣應用[J].河北煤炭，2009.2：29-31