作者：Kenton Williston

　　随着工厂自动化的物联网 (IoT) 以及电子产品在车辆中的使用不断增加，设计人员必须仔细考虑他们的传感器选择。拖拉机和叉车等车辆在控制线性传感器方面面临着独特的设计挑战。这些控制装置必须精确、反应灵敏、可靠且耐用，能够以最少的维护应对极端温度、冲击、振动、灰尘和湿气多年。

　　满足这些应用要求的一种选择是线性霍尔效应传感器。作为非接触式选项，这些传感器可以加固以承受恶劣的工作条件。

　　本文讨论了车辆的传感要求以及线性霍尔效应传感器成为良好选择的原因。然后介绍Vishay的线性霍尔效应传感器，以说明其特性以及如何成功选择和应用它们。

　　为什么坚固耐用的车辆需要专门的高精度控制装置

　　坚固的车辆通常在危险环境中运行，需要精确操作。因此，这些车辆的控制装置必须高度准确且反应灵敏。此外，这些操作员控件通常需要与多个板载物联网传感器和自动化控制系统连接。示例应用包括：

　　叉车舵柄：准确检测舵柄角度(即主控手柄)可实现安全高效的操纵，这在狭小空间内尤为重要。

　　拖拉机换档：平稳换档可最大限度地减少变速箱的磨损并提高燃油效率。

　　踏板位移系统：精确测量可实现最佳车辆控制并增强自动减速和紧急停止等安全功能。

　　可靠性是另一个设计要求。在仓库和制造设施等环境中，控制装置可能会受到污染物、极端温度和身体虐待的影响。

　　最后，坚固耐用的车辆通常受到设计空间的限制。例如，叉车高度紧凑，可优化仓库过道的机动性。因此，用于坚固车辆控制的传感器通常需要尽可能小。

　　为什么线性霍尔效应传感器特别适合坚固的车辆控制

　　由于需要耐用性、长行程距离和小尺寸，为坚固的车辆控制选择合适的传感器可能很困难。线性霍尔效应传感器是一个不错的选择，因为它们是一种非接触式技术，无需调整即可服务数百万个周期。此外，它们采用紧凑、易于安装的封装，并为短距离位置检测提供出色的精度。

　　首先检查霍尔效应有助于了解这些好处。霍尔效应传感器沿一个轴并穿过称为霍尔元件的金属或半导体薄带施加固定直流偏置电流。当垂直于电流方向施加磁场时，电荷载流子会因洛伦兹力而偏转并积聚在霍尔元件的相对两侧，从而产生称为霍尔场的横向电场和称为霍尔电压的元件两端的电势。霍尔电压与电流、磁场和与材料相关的常数(称为霍尔系数)的乘积成正比。

　　在线性传感器中，霍尔效应可以产生与霍尔元件和磁体之间的距离成比例的输出电压。这样可以在短距离内实现高度精确的位置感测，并具有快速的响应时间。

　　专为坚固的车辆控制而设计的线性霍尔效应传感器

　　Vishay 的20LHE系列位置传感器(图 1)体现了线性霍尔效应传感器的优势。它们的行程很短，为 10 毫米 (mm)，跟踪速度为每秒 60 毫米 (mm/s)。由于其线性度可低至 ±1%，因此非常适合高精度车辆控制。

　　图 1：20LHE 系列线性霍尔效应位置传感器的线性度为 ±1%。 (图片来源：Vishay)

　　20LHE系列传感器设计用于恶劣环境，免维护寿命超过1000万次。当通电时，传感器无需校准或初始化即可提供准确的测量。此外，这些传感器具有出色的稳定性，没有线性漂移。静态迟滞限制为电源电压的 0.1%，而动态迟滞仅为 0.25%。

　　传感器采用法兰安装，方便安装，如图2所示，轴可从安装面伸出30毫米，以便于与控制机构连接。同时，20LHE系列传感器的整体尺寸仅为46 x 20.8 x 37毫米，使该设备能够安装在狭窄的车厢内。

　　图2：20LHE系列传感器结构紧凑，采用法兰安装设计，方便安装。 (图片来源：Vishay)

　　线性霍尔效应传感器的机械设计注意事项

　　坚固的车辆控制装置必须在不受控制的环境中提供高可靠性。因此，考虑车辆控制传感器承受粗暴对待的能力至关重要。在恶劣的条件下可能会产生物理影响，车辆发动机和悬架等来源的振动也是如此。 20LHE 系列传感器采用坚固的物理设计，可承受高达 20 g 的振动和高达 50 g 的冲击。

　　20LHE 系列传感器采用耐用的热塑性外壳，可应对灰尘、液体和 -40°C 至 +85°C 的极端温度。带弹簧复位的型号的环境入口防护 (IP) 等级为 IP51;还可提供更高的 IP 等级。

　　IP 等级表示外壳针对固体物体(第一位数字)和液体(第二位数字)侵入提供的保护级别。对于IP51，5表示外壳能够防止灰尘进入，其数量足以影响设备的正常运行，而1表示外壳能够防止垂直落下的水滴。

　　使用线性霍尔效应传感器的电气设计注意事项

　　恶劣的环境还存在电磁危害，包括静电放电以及各种电气和电子系统之间的无意相互作用。 20LHE 系列可以承受多种此类危险。最值得注意的是，它们可以抵抗+20伏的过压和-10伏的反向电压。其他环境指标见表1。

　　表 1：20LHE 系列旨在承受物理和电磁危害。 (图片来源：Vishay)

　　线性霍尔效应传感器必须与负载电阻配对才能正常工作。对于 20LHE 系列，Vishay 建议最小负载为 1 kΩ (kΩ)。

　　选择线性霍尔效应传感器

　　精度是第一个要考虑的参数，因为传感器必须支持所需的控制精度。对于 20LHE 系列，Vishay 提供 ±2% 线性度(20LHE1XWA1P30)或 ±1% 线性度(20LHE1AWA1P30 )的选择。

　　输出还应满足控制系统其余部分的需求。典型选项包括模拟比例或脉宽调制 (PWM)。 20LHE 系列提供两种配置，输出随传感器位置而增加或减少。例如，20LHE1AWB1P30具有模拟递减输出，这意味着当传感器轴完全压缩时输出处于最低值(图 3)。

　　图 3：20LHE1AWB1P30 提供模拟递减输出，当传感器轴完全压缩时，输出达到最小值。 (图片来源：Vishay)

　　轴本身也需要考虑。例如，20LHE 系列具有 3.175 mm 轴，可以选择带有 M3 x 6 mm 螺纹。这样的配置可以简化安装并提供与控制机构的更安全的连接。

　　大多数 20LHE 系列型号均配备弹簧复位装置。该弹簧提供了一种自动定心机制，确保传感器在移除其位移的力时返回到其原始位置。此功能有利于车辆控制应用，例如节气门位置传感器，操作员经常在这些应用中施加和释放输入力。也可提供不带弹簧的型号，例如20LHE2AWA1P30。

　　结论

　　作为一种非接触式选项，线性霍尔效应传感器非常适合坚固的车辆控制。 20LHE 系列外形紧凑，采用法兰安装，易于安装。它们还足够耐用，能够承受恶劣的工作条件，并在面对物理和电磁危害时提供稳定、免维护的精度。