Een lineaire positiesensor selecteren en toepassen voor robuuste voertuigbedieningen

Met het Internet of Things (IoT) voor fabrieksautomatisering en het toenemende gebruik van elektronica in voertuigen moeten ontwerpers hun sensoropties zorgvuldig overwegen. Voertuigen zoals tractors en vorkheftrucks bieden unieke ontwerpuitdagingen met betrekking tot lineaire sensoren voor besturingen. Deze besturingen moeten nauwkeurig, responsief, betrouwbaar en duurzaam zijn en jarenlang bestand zijn tegen extreme temperaturen, schokken, trillingen, stof en vocht met minimaal onderhoud.

Een optie die voldoet aan de eisen voor deze toepassingen is de lineaire Hall-effectsensor. Als contactloze optie kunnen deze sensors robuust worden uitgevoerd om zware werkomstandigheden te weerstaan.

Dit artikel bespreekt de detectievereisten van voertuigen en waarom lineaire Hall-effectsensors een goede optie zijn. Vervolgens worden lineaire Hall-effectsensors van Vishay gepresenteerd om hun eigenschappen te illustreren en te laten zien hoe ze met succes geselecteerd en toegepast kunnen worden.

Waarom robuuste voertuigen gespecialiseerde, zeer nauwkeurige besturingen nodig hebben

Robuuste voertuigen werken vaak in gevaarlijke omgevingen waar een nauwkeurige bediening een vereiste is. De besturing van deze voertuigen moet dus zeer nauwkeurig en responsief zijn. Bovendien moeten deze bedieningselementen vaak een interface hebben met verschillende IoT-sensors aan boord en geautomatiseerde regelsystemen. Voorbeelden van toepassingen zijn:

• Heftrucklifters: Nauwkeurige detectie van de lifthoek (d.w.z. de hoofdbedieningshendel) maakt veilig en efficiënt manoeuvreren mogelijk, wat vooral belangrijk is in krappe ruimtes.
• Trekker schakelt: Soepel schakelen minimaliseert slijtage aan de transmissie en verbetert de brandstofefficiëntie.
• Systemen voor pedaalverplaatsing: Nauwkeurige metingen maken optimale voertuigbesturing mogelijk en verbeteren veiligheidsfuncties zoals automatische snelheidsvermindering en noodstop.

Betrouwbaarheid is een andere ontwerpeis. In omgevingen zoals magazijnen en productiefaciliteiten kunnen de besturingen worden blootgesteld aan verontreinigingen, extreme temperaturen en fysiek misbruik.

Ten slotte is de ruimte van robuuste voertuigen vaak beperkt door het ontwerp. Heftrucks zijn bijvoorbeeld zeer compact om de manoeuvreerbaarheid in magazijngangen te optimaliseren. Daarom moeten de sensoren voor robuuste voertuigcontroles doorgaans zo klein mogelijk zijn.

Waarom lineaire Hall-effectsensors bij uitstek geschikt zijn voor robuuste voertuigbesturingen

Het kiezen van een geschikte sensor voor robuuste voertuigbesturingen kan moeilijk zijn vanwege de behoefte aan duurzaamheid, lange slagafstanden en kleine afmetingen. Lineaire Hall-effectsensors zijn een goede optie omdat ze een contactloze technologie zijn die miljoenen cycli kan werken zonder aanpassingen. Bovendien zijn ze verkrijgbaar in compacte, eenvoudig te monteren verpakkingen en bieden ze een uitstekende precisie voor positiedetectie op korte afstand.

Het is handig om eerst het Hall-effect te bestuderen om deze voordelen te begrijpen. Een Hall-effectsensor past een vaste gelijkstroom toe langs één as en over een dunne strook metaal of halfgeleider die het Hall-element wordt genoemd. Wanneer er een magnetisch veld loodrecht op de stroom wordt aangelegd, worden de ladingsdragers afgebogen door de Lorentzkracht en hopen ze zich op aan weerszijden van het Hall-element, waardoor er een dwars elektrisch veld ontstaat dat het Hall-veld wordt genoemd en een potentiaal over het element dat de Hall-spanning wordt genoemd. De Hall-spanning is evenredig met het product van de stroom, het magnetische veld en een materiaalafhankelijke constante die de Hall-coëfficiënt wordt genoemd.

In een lineaire sensor kan het Hall-effect een uitgangsspanning creëren die evenredig is met de afstand tussen het Hall-element en een magneet. Dit resulteert in zeer nauwkeurige positiebepaling over korte afstanden met snelle reactietijden.

Een lineaire Hall-effectsensor ontworpen voor robuuste voertuigcontroles

De 20LHE-serie positiesensors van Vishay (Afbeelding 1) is een goed voorbeeld van de voordelen van lineaire Hall-effectsensors. Ze hebben een korte slag van 10 millimeter (mm) en een volgsnelheid van 60 mm per seconde (mm/s). Ze zijn zeer geschikt voor zeer nauwkeurige voertuigcontroles vanwege hun lineariteit, die kan worden gespecificeerd tot ±1%.

Afbeelding 1: De lineaire Hall-effect positiesensors uit de 20LHE-serie hebben een lineariteit van ±1%. (Bron afbeelding: Vishay)

De sensors uit de 20LHE-serie zijn ontworpen voor gebruik in zware omgevingen en hebben een onderhoudsvrije levensduur van meer dan 10 miljoen cycli. De sensors leveren nauwkeurige metingen wanneer de voeding wordt toegepast zonder kalibratie of initialisatie. Bovendien bieden deze sensors een uitstekende stabiliteit zonder lineaire drift. De statische hysteresis is beperkt tot 0,1% van de voedingsspanning, terwijl de dynamische hysteresis slechts 0,25% bedraagt.

De sensors worden met een flens gemonteerd voor eenvoudige installatie, zoals getoond in Afbeelding 2, en de as kan 30 mm uitsteken vanaf het montagevlak om de verbinding met het bedieningsmechanisme te vergemakkelijken. Tegelijkertijd zijn de totale afmetingen van een sensor uit de 20LHE-serie slechts 46 x 20,8 x 37 mm, waardoor het apparaat in krappe voertuigcabines past.

Afbeelding 2: De sensors uit de 20LHE-serie zijn compact en hebben een flensmontage voor eenvoudige montage. (Bron afbeelding: Vishay)

Mechanische ontwerpoverwegingen voor lineaire Hall-effectsensors

Robuuste voertuigbesturingen moeten een hoge betrouwbaarheid bieden in ongecontroleerde omgevingen. Het is dus cruciaal om na te gaan of een sensor voor voertuigbesturing bestand is tegen ruwe behandeling. Fysieke impact is waarschijnlijk in zware omstandigheden, net als trillingen van bronnen zoals de motor en ophanging van het voertuig. De sensors uit de 20LHE-serie hebben een robuust fysiek ontwerp dat bestand is tegen trillingen tot 20 g en schokken tot 50 g.

De sensoren uit de 20LHE-serie zitten in een duurzame thermoplastische behuizing die bestand is tegen stof, vloeistoffen en extreme temperaturen van -40 °C tot 85 °C. Modellen met veerretour hebben een IP-classificatie (Environmental Ingress Protection) van IP51; hogere IP-classificaties zijn ook verkrijgbaar.

Een IP-classificatie geeft de mate van bescherming aan die een behuizing biedt tegen het binnendringen van vaste voorwerpen (eerste cijfer) en vloeistoffen (tweede cijfer). In het geval van IP51 geeft 5 aan dat de behuizing beschermd is tegen het binnendringen van stof in een hoeveelheid die voldoende is om de normale werking van het apparaat te beïnvloeden, terwijl 1 aangeeft dat de behuizing beschermd is tegen verticaal vallende waterdruppels.

Elektrische ontwerpoverwegingen voor het gebruik van lineaire Hall-effectsensors

Robuuste omgevingen brengen ook elektromagnetische gevaren met zich mee, waaronder elektrostatische ontladingen en onbedoelde interacties tussen verschillende elektrische en elektronische systemen. De 20LHE-serie is bestand tegen een groot aantal van dergelijke gevaren. Ze zijn met name bestand tegen een overspanning van +20 volt en een sperspanning van -10 volt. Andere omgevingsspecificaties staan in Tabel 1.

Tabel 1: De 20LHE-serie is ontworpen om bestand te zijn tegen fysieke en elektromagnetische gevaren. (Bron afbeelding: Vishay)

Een lineaire Hall-effectsensor moet gekoppeld worden aan een belastingsweerstand om correct te kunnen werken. Voor de 20LHE-serie adviseert Vishay een minimale belasting van 1 kilohm (kΩ).

Een lineaire Hall-effectsensor selecteren

Nauwkeurigheid is de eerste parameter om rekening mee te houden, omdat de sensor de vereiste regelnauwkeurigheid moet ondersteunen. In het geval van de 20LHE-serie biedt Vishay de keuze uit ±2% lineariteit met de 20LHE1XWA1P30 of ±1% lineariteit met de 20LHE1AWA1P30.

De uitvoer moet ook overeenkomen met de behoeften van de rest van het besturingssysteem. Typische opties zijn analoge ratiometrie of pulsbreedtemodulatie (PWM). De 20LHE-serie is verkrijgbaar in beide configuraties, waarbij de uitgang toeneemt of afneemt ten opzichte van de sensorpositie. De 20LHE1AWB1P30 heeft bijvoorbeeld een analoog afnemende uitgang, wat betekent dat de uitgang op zijn laagst is wanneer de as van de sensor volledig is samengedrukt (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De 20LHE1AWB1P30 is verkrijgbaar met een analoge afnemende uitgang, die zijn minimum bereikt wanneer de as van de sensor volledig is ingedrukt. (Bron afbeelding: Vishay)

De as zelf verdient aandacht. De 20LHE-serie heeft bijvoorbeeld een as van 3,175 mm die optioneel van schroefdraad M3 x 6 mm kan worden voorzien. Een dergelijke configuratie kan de installatie vereenvoudigen en zorgt voor een veiligere verbinding met het bedieningsmechanisme.

De meeste modellen uit de 20LHE-serie zijn uitgerust met een veerretour. Deze veer zorgt voor een zelfcentrerend mechanisme, zodat de sensor terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie wanneer de kracht die hem verplaatste wordt weggenomen. Deze functie kan voordelig zijn voor voertuigbesturingstoepassingen zoals gaskleppositiesensors, waarbij bestuurders vaak invoerkrachten toepassen en loslaten. Modellen zonder veer, zoals de 20LHE2AWA1P30, zijn ook verkrijgbaar.

Conclusie

Als contactloze optie zijn lineaire Hall-effectsensors uitstekend geschikt voor robuuste voertuigbesturingen. De 20LHE-serie heeft een compacte vormfactor en is flensgemonteerd voor eenvoudige installatie. Ze zijn ook duurzaam genoeg om zware werkomstandigheden te weerstaan en leveren stabiele, onderhoudsvrije precisie ondanks fysieke en elektromagnetische gevaren.