การเลือกและการใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งเชิงเส้นสำหรับการควบคุมยานพาหนะที่ทนทาน

ด้วย Internet of Things (IoT) สำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงานและการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานพาหนะที่เพิ่มมากขึ้น นักออกแบบจึงต้องพิจารณาตัวเลือกเซ็นเซอร์อย่างรอบคอบ ยานพาหนะ เช่น รถแทรกเตอร์และรถยกนำเสนอความท้าทายในการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์เกี่ยวกับเซ็นเซอร์เชิงเส้นสำหรับการควบคุม การควบคุมเหล่านี้ต้องมีความแม่นยำ ตอบสนอง เชื่อถือได้ และทนทาน โดยต้องรับมือกับอุณหภูมิสุดขั้ว การกระแทก การสั่นสะเทือน ฝุ่น และความชื้นเป็นเวลาหลายปีโดยมีการบำรุงรักษาน้อยที่สุด

ทางเลือกหนึ่งที่ตรงตามข้อกำหนดสำหรับการใช้งานเหล่านี้คือเซนเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้น เนื่องจากเป็นตัวเลือกแบบไม่สัมผัส เซ็นเซอร์เหล่านี้จึงมีความทนทานเพื่อให้ทนต่อสภาพการทำงานที่รุนแรงได้

บทความนี้จะกล่าวถึงข้อกำหนดในการตรวจจับของยานพาหนะ และสิ่งที่ทำให้เซนเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้นเป็นตัวเลือกที่ดี จากนั้นจึงนำเสนอเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้นจาก Vishay เพื่อแสดงให้เห็นลักษณะและวิธีการเลือกและนำไปใช้อย่างประสบความสำเร็จ

เหตุใดยานพาหนะที่ทนทานจึงต้องมีการควบคุมแบบพิเศษและมีความแม่นยำสูง

ยานพาหนะที่ทนทานมักทำงานในสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตรายซึ่งจำเป็นต้องมีการทำงานที่แม่นยำ ดังนั้นการควบคุมยานพาหนะเหล่านี้จะต้องมีความแม่นยำและตอบสนองสูง นอกจากนี้ การควบคุมของผู้ปฏิบัติงานมักจำเป็นต้องเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ IoT ในตัวและระบบควบคุมอัตโนมัติหลายตัว ตัวอย่างการใช้งานได้แก่:

• รถไถเดินตาม: การตรวจจับมุมของรถไถอย่างแม่นยำ (เช่น ด้ามจับควบคุมหลัก) ช่วยให้ควบคุมรถได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในพื้นที่แคบ
• การเปลี่ยนเกียร์ของรถแทรกเตอร์: การเปลี่ยนเกียร์ที่ราบรื่นช่วยลดการสึกหรอของระบบส่งกำลัง และปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง
• ระบบการเคลื่อนตัวของแป้นเหยียบ: การวัดที่แม่นยำทำให้สามารถควบคุมยานพาหนะได้อย่างเหมาะสมที่สุด และปรับปรุงคุณสมบัติด้านความปลอดภัย เช่น การลดความเร็วอัตโนมัติและการหยุดฉุกเฉิน

ความน่าเชื่อถือเป็นข้อกำหนดการออกแบบอีกประการหนึ่ง ในสภาพแวดล้อม เช่น คลังสินค้าและโรงงานผลิต การควบคุมอาจสัมผัสกับสารปนเปื้อน อุณหภูมิที่สูงมาก และการละเมิดทางกายภาพ

ในที่สุด ยานพาหนะที่ทนทานมักถูกออกแบบให้มีพื้นที่จำกัด ตัวอย่างเช่น รถยกมีขนาดกะทัดรัดมากเพื่อเพิ่มความคล่องตัวในทางเดินในคลังสินค้า ดังนั้น เซ็นเซอร์สำหรับการควบคุมยานพาหนะที่สมบุกสมบันโดยทั่วไปจะต้องมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

เหตุใดเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้นจึงเหมาะอย่างยิ่งกับการควบคุมยานพาหนะที่สมบุกสมบัน

การเลือกเซ็นเซอร์ที่เหมาะสมสำหรับการควบคุมยานพาหนะที่ทนทานอาจเป็นเรื่องยากเนื่องจากความต้องการความทนทาน ระยะชักที่ยาว และขนาดที่เล็ก เซนเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้นเป็นตัวเลือกที่ดีเนื่องจากเป็นเทคโนโลยีแบบไม่สัมผัสซึ่งสามารถรองรับรอบนับล้านโดยไม่ต้องปรับแต่งใดๆ นอกจากนี้ ยังมีจำหน่ายในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัด ติดตั้งง่าย และมีความแม่นยำเป็นเลิศสำหรับการตรวจจับตำแหน่งระยะสั้น

การตรวจสอบฮอลล์เอฟเฟกต์ก่อนจะมีประโยชน์มากเพื่อทำความเข้าใจคุณประโยชน์เหล่านี้ เซนเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ใช้กระแสไบแอสคงที่ตามแนวแกนเดียวและข้ามแถบโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์บางๆ ที่เรียกว่าองค์ประกอบฮอลล์ เมื่อสนามแม่เหล็กถูกตั้งฉากกับการไหลของกระแส ตัวพาประจุจะถูกเบี่ยงเบนโดยแรงลอเรนซ์และสะสมอยู่ที่ด้านตรงข้ามขององค์ประกอบฮอลล์ ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าตามขวางที่เรียกว่าสนามฮอลล์และมีศักย์ไฟฟ้าข้ามองค์ประกอบที่เรียกว่าแรงดันฮอลล์ . แรงดันฮอลล์เป็นสัดส่วนกับผลคูณของกระแส สนามแม่เหล็ก และค่าคงที่ที่ขึ้นกับวัสดุที่เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์ฮอลล์

ในเซนเซอร์เชิงเส้น ฮอลล์เอฟเฟกต์สามารถสร้างแรงดันเอาต์พุตตามสัดส่วนกับระยะห่างระหว่างองค์ประกอบฮอลล์และแม่เหล็ก ส่งผลให้การตรวจจับตำแหน่งมีความแม่นยำสูงในระยะทางสั้นๆ พร้อมเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว

เซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้นที่ออกแบบมาสำหรับการควบคุมยานพาหนะที่ทนทาน

เซ็นเซอร์ตำแหน่ง ซีรีส์ 20LHE จาก Vishay (รูปที่ 1) เป็นตัวอย่างประโยชน์ของเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้น มีระยะชักสั้น 10 มิลลิเมตร (mm) และความเร็วในการติดตาม 60 mm ต่อวินาที (mm/s) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการควบคุมยานพาหนะที่มีความแม่นยำสูงเนื่องจากมีความเป็นเชิงเส้น ซึ่งสามารถระบุได้ต่ำถึง ±1%

รูปที่ 1: เซ็นเซอร์ตำแหน่งฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้น ซีรีส์ 20LHE มีความเป็นเส้นตรงที่ ±1% (ที่มาของภาพ: Vishay)

เซ็นเซอร์ซีรีส์ 20LHE ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและมีอายุการใช้งานที่ไม่ต้องบำรุงรักษามากกว่า 10 ล้านรอบ เซ็นเซอร์ให้การวัดที่แม่นยำเมื่อมีการจ่ายไฟโดยไม่มีการปรับเทียบหรือการเริ่มต้น นอกจากนี้ เซ็นเซอร์เหล่านี้ยังให้ความเสถียรเป็นเลิศโดยไม่มีการเบี่ยงเบนเชิงเส้น ฮิสเทรีซิสแบบคงที่ถูกจำกัดไว้ที่ 0.1% ของแรงดันไฟฟ้า ในขณะที่ฮิสเทรีซิสแบบไดนามิกอยู่ที่ 0.25% เท่านั้น

เซ็นเซอร์ติดตั้งแบบหน้าแปลนเพื่อให้ติดตั้งง่าย ดังแสดงในรูปที่ 2 และเพลาสามารถยื่นออกมาจากหน้าติดตั้งได้ 30 mm เพื่ออำนวยความสะดวกในการเชื่อมต่อกับกลไกควบคุม ในขณะเดียวกัน ขนาดโดยรวมของเซ็นเซอร์ซีรีส์ 20LHE อยู่ที่เพียง 46 x 20.8 x 37 mm ทำให้อุปกรณ์สามารถบรรจุในห้องโดยสารที่คับแคบได้

รูปที่ 2: เซ็นเซอร์ซีรีส์ 20LHE มีขนาดกะทัดรัดและใช้การออกแบบแบบติดหน้าแปลนเพื่อให้ติดตั้งได้ง่าย (ที่มาของภาพ: Vishay)

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบกลไกสำหรับเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้น

การควบคุมยานพาหนะที่ทนทานต้องให้ความน่าเชื่อถือสูงในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีการควบคุม ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องพิจารณาความสามารถของเซ็นเซอร์ควบคุมยานพาหนะในการทนทานต่อการรักษาที่มีความหยาบ ผลกระทบทางกายภาพมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่นเดียวกับการสั่นสะเทือนจากแหล่งต่างๆ เช่น เครื่องยนต์และระบบกันสะเทือนของรถยนต์ เซ็นเซอร์ซีรีส์ 20LHE มีการออกแบบทางกายภาพที่ทนทานซึ่งสามารถทนต่อการสั่นสะเทือนได้ถึง 20 g และการกระแทกได้ถึง 50 g

เซ็นเซอร์ซีรีส์ 20LHE ติดตั้งอยู่ในตู้เทอร์โมพลาสติกที่ทนทานเพื่อจัดการกับฝุ่น ของเหลว และอุณหภูมิที่รุนแรงระหว่าง -40°C ถึง +85°C รุ่นที่มีการสปริงกลับมีระดับการป้องกันสิ่งแวดล้อม (IP) ที่ IP51 นอกจากนี้ยังมีรุ่นที่มีระดับ IP สูงกว่าอีกด้วย

ระดับ IP ระบุระดับการป้องกันที่ตู้มีไว้จากการล่วงล้ำของของแข็ง (หลักแรก) และของเหลว (หลักที่สอง) ในกรณีของ IP51 ค่า 5 บ่งชี้ว่าตัวเครื่องได้รับการป้องกันฝุ่นในปริมาณที่เพียงพอต่อการทำงานปกติของอุปกรณ์ ในขณะที่ 1 บ่งชี้ว่าตัวเครื่องได้รับการปกป้องจากหยดน้ำที่ตกลงในแนวตั้ง

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบทางไฟฟ้าสำหรับการใช้เซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้น

สภาพแวดล้อมที่ขรุขระยังก่อให้เกิดอันตรายจากแม่เหล็กไฟฟ้า รวมถึงการคายประจุไฟฟ้าสถิตและการโต้ตอบโดยไม่ได้ตั้งใจระหว่างระบบไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ซีรีส์ 20LHE สามารถทนต่ออันตรายดังกล่าวได้หลากหลาย คุณลักษณะที่โดดเด่นที่สุดคือสามารถต้านทานแรงดันไฟเกิน +20 โวลต์ และแรงดันย้อนกลับ -10 โวลต์ ข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมอื่นๆ แสดงอยู่ในตารางที่ 1

ตารางที่ 1: ซีรีส์ 20LHE ได้รับการออกแบบมาเพื่อทนต่ออันตรายทางกายภาพและแม่เหล็กไฟฟ้า (ที่มาภาพ: Vishay)

เซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้นจะต้องจับคู่กับความต้านทานโหลดเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง สำหรับซีรีส์ 20LHE ของ Vishay แนะนำให้โหลดขั้นต่ำ 1 กิโลโอห์ม (kΩ)

การเลือกเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้น

ความแม่นยำเป็นสิ่งแรกที่ต้องพิจารณา เนื่องจากเซ็นเซอร์ต้องรองรับความแม่นยำในการควบคุมที่ต้องการ ในกรณีของซีรีส์ 20LHE ของ Vishay มีตัวเลือกความเป็นเชิงเส้น ±2% พร้อมด้วย20LHE1XWA1P30 หรือความเป็นเชิงเส้น ±1% ด้วย20LHE1AWA1P30

เอาต์พุตควรตรงกับความต้องการของส่วนที่เหลือของระบบควบคุมด้วย ตัวเลือกทั่วไป ได้แก่ อัตราส่วนอนาล็อกหรือการปรับความกว้างพัลส์ (PWM) ซีรีส์ 20LHE มีให้เลือกใช้งานทั้งสองแบบ โดยเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงตามตำแหน่งเซ็นเซอร์ ตัวอย่างเช่น 20LHE1AWB1P30 มีเอาต์พุตลดลงแบบอนาล็อก ซึ่งหมายความว่าเอาต์พุตจะอยู่ที่ต่ำสุดเมื่อเพลาเซ็นเซอร์ถูกบีบอัดจนสุด (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: 20LHE1AWB1P30 มาพร้อมกับเอาต์พุตการลดแบบอนาล็อก ซึ่งจะถึงค่าต่ำสุดเมื่อเพลาเซ็นเซอร์ถูกบีบอัดจนสุด (ที่มาของภาพ: Vishay)

ตัวเพลาก็เป็นสิ่งที่ต้องคำนึงถึง ตัวอย่างเช่น ซีรีส์ 20LHE มีเพลาขนาด 3.175 mm ซึ่งสามารถเลือกทำเกลียวด้วยเกลียว M3 x 6 mm ได้ การกำหนดค่าดังกล่าวสามารถทำให้การติดตั้งง่ายขึ้นและให้การเชื่อมต่อที่ปลอดภัยยิ่งขึ้นกับกลไกการควบคุม

รุ่นซีรีส์ 20LHE ส่วนใหญ่มาพร้อมกับสปริงกลับ สปริงนี้มีกลไกตั้งศูนย์กลางในตัว เพื่อให้มั่นใจว่าเซ็นเซอร์จะกลับสู่ตำแหน่งเดิมเมื่อแรงที่แทนที่เซ็นเซอร์ถูกขจัดออกไป คุณลักษณะนี้จะเป็นประโยชน์ต่อการใช้งานควบคุมยานพาหนะ เช่น เซ็นเซอร์ตำแหน่งปีกผีเสื้อ ซึ่งผู้ปฏิบัติงานใช้และปล่อยแรงอินพุตบ่อยครั้ง ตัวเลือกรุ่นที่ไม่มีสปริง เช่น 20LHE2AWA1P30 ก็มีเช่นกัน

สรุป

เนื่องจากเป็นตัวเลือกแบบไม่สัมผัส เซนเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เชิงเส้นจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการควบคุมยานพาหนะที่สมบุกสมบัน ซีรีส์ 20LHE มาในรูปแบบขนาดกะทัดรัดและติดตั้งแบบหน้าแปลนเพื่อให้ติดตั้งได้ง่าย นอกจากนี้ยังมีความทนทานพอที่จะทนต่อสภาวะการทำงานที่รุนแรง และให้ความแม่นยำที่เสถียรและไม่ต้องบำรุงรักษาเมื่อเผชิญกับอันตรายทางกายภาพและทางแม่เหล็กไฟฟ้า