集成開關(guān)型霍爾傳感器在新型塔吊超載報(bào)警器中的應(yīng)用

■王佳優(yōu)，孫利民 ■鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450001

集成開關(guān)型霍爾傳感器(集成霍爾開關(guān))是一種利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的傳感器，它是目前較為先進(jìn)的傳感器，具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高和體積小等特點(diǎn)，多用于位置轉(zhuǎn)速檢測與控制，如應(yīng)用于轉(zhuǎn)速測量、液位控制、液體流量檢測、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、車輛行程檢測等，它在物理實(shí)驗(yàn)的周期測量中也有許多應(yīng)用。

我國正處于經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的重要時(shí)期，各行各業(yè)發(fā)展迅速，伴隨著安全生產(chǎn)也就成為當(dāng)前各行各業(yè)的工作重點(diǎn)之一，特別是建筑行業(yè)的塔式起重機(jī)的安全運(yùn)行。這就對塔吊超載報(bào)警器的工作能力有了更高的要求。傳統(tǒng)的塔吊超載報(bào)警器多采用電葫蘆超載限位器，市場價(jià)格相對較高。本文研制的新型塔吊超載報(bào)警器結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用效果好，對以往此類報(bào)警器有很大的創(chuàng)新。

1 集成開關(guān)型霍爾傳感器工作原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

集成開關(guān)型霍爾傳感器主要由以下5 個(gè)部份組成:穩(wěn)壓器A、霍爾電勢發(fā)生器(霍爾片)B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D 和OC 門輸出E，如

圖1 霍爾開關(guān)圖

圖1 所示。(1)(2)(3)表示霍爾開關(guān)的三個(gè)引出端點(diǎn)。

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(gè)霍爾電壓UH 輸出，UH 信號經(jīng)差分放大器放大后，送至施密特觸發(fā)器。當(dāng)施加的磁場達(dá)到“工作點(diǎn)”或稱“導(dǎo)通點(diǎn)”(即BOP 時(shí))，施密特觸發(fā)器就翻轉(zhuǎn)，其輸出導(dǎo)通，使OC 門輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑ǔ７Q這種狀態(tài)為“開”。當(dāng)施加的磁場達(dá)到“釋放點(diǎn)”(即BRP 時(shí))，觸發(fā)器再一次翻轉(zhuǎn)，輸出晶體管截止，使OC 門輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?，這時(shí)稱其為“關(guān)”態(tài)。

2 集成開關(guān)型霍爾傳感器特性測量

實(shí)驗(yàn)中用于測量的是A44E 集成霍爾開關(guān)。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(yīng)強(qiáng)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(shí)，在輸出端(3)與電源(1)之間接一個(gè)2kΩ 的負(fù)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(guān)的軸心線方向上，如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)顯示:當(dāng)磁鐵和霍爾開關(guān)移近到一定位置，霍爾開關(guān)接通;二者移開一定距離后，霍爾開關(guān)斷開。試驗(yàn)結(jié)果為電路導(dǎo)通時(shí)兩者距離r=6.5mm、BOP=17.576mT。

3 新型塔吊超載報(bào)警器工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

該塔吊超載報(bào)警器由底座1、永久磁鐵2、霍爾開關(guān)3、疊簧4、保護(hù)開關(guān)5、頂座6 組成。當(dāng)鋼絲繩上加重物時(shí)，鋼絲繩拉緊，產(chǎn)生張力，會帶動底座1 外伸，頂座6 不動，這時(shí)壓縮碟簧4，當(dāng)與底座一起連接的永久磁鐵2 達(dá)到設(shè)定位移時(shí)，電壓放大到預(yù)訂電壓，電路導(dǎo)通報(bào)警。保護(hù)開關(guān)5也隨底座一起移動，當(dāng)霍爾開關(guān)3 失效時(shí)，保護(hù)開關(guān)5 也能導(dǎo)通電路，達(dá)到雙重保護(hù)的效果。(如圖4 示)

圖4 超載報(bào)警器簡圖

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 鋼絲繩的選擇

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

表1 鋼絲繩參數(shù)

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(yù)定壓縮量為fz1=5mm，選用C 系列D=63mm 復(fù)合彈簧組，每一疊合組用兩個(gè)碟片。

第二步:由3.2.1 知F/2248/7.8KN，取F=8KN。則單個(gè)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(shù) i=5/00F7/1.457/2248/3.4

第六步:最終確定取4 個(gè)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(bào)警器的承載實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)儀器和環(huán)境

4.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

WDW-10H 電子萬能試驗(yàn)機(jī)(產(chǎn)地:江蘇常州，載荷范圍:0 -10KN，精度:優(yōu)于示值的±1%)

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

4.1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境:溫度25℃ 濕度65%

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

將報(bào)警器穿好鋼絲繩后固定于萬能拉壓試驗(yàn)機(jī)上，如圖4 所示。將霍爾元件和磁鐵之間距離調(diào)整為12.328mm(即接通時(shí)磁體距霍爾元件距離r 與碟簧壓縮量之和)。開始實(shí)驗(yàn)，將拉壓試驗(yàn)機(jī)設(shè)定加載10KN，開始加載，當(dāng)報(bào)警器開始報(bào)警時(shí)，用SXG-1B 毫特儀測量開關(guān)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，加載10 次，記磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為B1/3001/B2/3001/B3…B10，記錄在表格中2 中。

圖4 承載實(shí)驗(yàn)圖

表2 10 次實(shí)驗(yàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度值

4.3 誤差分析

由公式(1)計(jì)算誤差為3.03%，小于工程中誤差要求5%，說明報(bào)警器參數(shù)設(shè)計(jì)合理，霍爾開關(guān)在報(bào)警器中的應(yīng)用效果很好，同時(shí)也體現(xiàn)了霍爾開關(guān)抗干擾能力強(qiáng)。

5 結(jié)束語

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

［1］李占春.鋼絲繩簡易計(jì)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(yīng)的發(fā)展及應(yīng)用［M］.解放軍坦克學(xué)院基礎(chǔ)部實(shí)驗(yàn)中心:安徽:蚌埠，2010.

［3］焦麗鳳.集成開關(guān)型霍爾傳感器在測量物體轉(zhuǎn)動慣量中的應(yīng)用［M］.常熟高等?？茖W(xué)校，2000.