簡析霍爾傳感器在電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

井懌斌 楊宇超

摘? 要：在電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中，霍爾傳感器的應(yīng)用較為廣泛，如何更好應(yīng)用霍爾傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)也因此成為業(yè)界關(guān)注焦點?；诖?，文章將簡單分析霍爾傳感器在電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中的基本應(yīng)用，并從兩個方面深入探討霍爾傳感器的進(jìn)階應(yīng)用，希望研究內(nèi)容能夠為相關(guān)從業(yè)人員帶來一定啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：電梯;霍爾傳感器;現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TU857? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0175-02

Abstract： In elevator field data acquisition， Hall sensor is widely used， so how to better use Hall sensor to collect field data has become the focus of the industry. Based on this， this paper will briefly analyze the basic application of Hall sensor in elevator field data acquisition， and discuss the advanced application of Hall sensor from two aspects， hoping that the research content can bring some inspiration to the relevant practitioners.

Keywords： elevator; Hall sensor; field data acquisition

前言

電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中的霍爾傳感器具備結(jié)構(gòu)簡單、無需接觸、交直流電均可測量、動態(tài)電壓范圍大、頻帶寬、采集數(shù)據(jù)方便可靠等特點，因此其能夠應(yīng)用于不同品牌電梯的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。本文正是以霍爾傳感器在電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用開展具體研究，希望能更好的發(fā)揮霍爾傳感器的優(yōu)勢。

1 霍爾傳感器在電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中的基本應(yīng)用

為直觀展示電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中霍爾傳感器的基本應(yīng)用，本節(jié)將先簡單介紹霍爾傳感器的工作原理，而后基于電梯前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡要敘述霍爾傳感器的基本應(yīng)用。

1.1 工作原理分析

電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集存在兩種主要途徑，一種途徑為在電梯廠家處直接獲取電梯控制器通信協(xié)議，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集基于電梯自帶控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口完成，通過RS-485、CAN或特殊接口（電梯生產(chǎn)廠家提供）等通信方式，即可快速獲取電梯控制數(shù)據(jù)。第二種途徑則需要結(jié)合電梯的安裝圖紙，電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集需基于外加第三方傳感器實現(xiàn)，以此利用安裝在層門內(nèi)、機(jī)房、轎廂、井道的各種傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集?；魻杺鞲衅髟陔娞莠F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用便屬于典型的第二種途徑。通過指定電路，霍爾傳感器在應(yīng)用中可快速獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，作為一種根據(jù)霍爾效應(yīng)制作、遵循霍爾定律的感應(yīng)器，良好的靈敏度使得霍爾傳感器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。基于磁平衡閉環(huán)原理進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，如存在L長度、d厚度的半導(dǎo)體薄片，將半導(dǎo)體薄片置于磁場中，存在B的磁場感應(yīng)強度及流經(jīng)相對兩邊的電流I，使電流I與磁場B方向垂直，電動勢會產(chǎn)生于半導(dǎo)體兩邊，這種效應(yīng)便是剛剛提到的霍爾效應(yīng)。由于磁場中洛倫茲力對運動電荷產(chǎn)生作用，霍爾效應(yīng)會因此產(chǎn)生。結(jié)合具體實驗可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的電動勢UH與磁感應(yīng)強度B、電流強度I成正比，基于該原理，即可應(yīng)用霍爾傳感器采集電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)[1]。

1.2 霍爾傳感器的具體應(yīng)用

在采集電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)的過程中，霍爾傳感器型號的選用極為關(guān)鍵，如選擇直接檢測式霍爾電流傳感器WBI221F，并將其安裝于六條信號線上，即可基于霍爾傳感器現(xiàn)場采集電梯的下門區(qū)、上門區(qū)、門鎖回路、制動器、下門限強迫減速、上門限強迫減速。在對電梯前端運行數(shù)據(jù)的采集過程中，霍爾傳感器需分配進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，差分式放大電路負(fù)責(zé)微弱的電壓信號放大處理，最終輸出的輸出信號為直流電平信號。在具體的霍爾傳感器應(yīng)用中，可對8個通道電壓信號進(jìn)行采集，處理器接入放大電路處理后的信號。為保證霍爾傳感器應(yīng)用安全，需采用光耦隔離電路置于信號輸入端，可通過TLP181芯片，實現(xiàn)光耦隔離電路的運放電路濾波和調(diào)節(jié)作用。由于擁有較小的最大線性誤差，且具備較好的絕緣電阻和較寬的帶寬，TLP181光電耦合器在光耦隔離電路中的應(yīng)用具備優(yōu)秀的帶寬、穩(wěn)定性、線性度，可較好滿足模擬信號隔離場合需要，保證霍爾傳感器更好參與到電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中[2]。

2 霍爾傳感器在電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中的進(jìn)階應(yīng)用

為展示電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中霍爾傳感器的進(jìn)階應(yīng)用，本文以電梯稱重變送裝置與高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)作為實例，深入探討了霍爾傳感器的進(jìn)階應(yīng)用，其中自帶霍爾傳感器的無刷直流電機(jī)，也展示了一種較為特別的霍爾傳感器應(yīng)用路徑。

2.1 電梯稱重變送裝置

在基于霍爾傳感器的電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中，采用霍爾傳感器的電梯稱重變送裝置屬于其中典型，電梯運行的穩(wěn)定和安全可由此得到較好保障。在電梯的稱重測量過程中，實時監(jiān)測電梯載重量極為關(guān)鍵，但受到存在局限性的傳統(tǒng)裝置影響，電梯載重量的實時和全面監(jiān)控往往難以實現(xiàn)，但通過應(yīng)用霍爾傳感器，即可實現(xiàn)全天候、實時的電梯轎廂載重量監(jiān)測?；诨魻杺鞲衅鞯碾娞莘Q重變送裝置可通過檢查電梯轎廂底部形變，獲得轉(zhuǎn)換得到的對應(yīng)數(shù)字信號，配合針對性的線性化處理，即可最終滿足電梯載荷檢測需要。配合雙音多頻載波通訊方式，并采用兩線制同時實現(xiàn)信號的遠(yuǎn)程變送和電源供電，電梯稱重變送裝置在應(yīng)用中即可擁有高抗干擾能力、高可靠性、高檢測效率。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的電容式、電渦流式、壓敏電阻式稱重傳感器，霍爾傳感器的應(yīng)用在電路設(shè)計簡潔性方面具備長足優(yōu)勢，雖然傳統(tǒng)的稱重傳感器的測量數(shù)據(jù)精度較高，但復(fù)雜的電路設(shè)計、線路老化風(fēng)險、電線相互纏繞缺陷能夠抵消其優(yōu)勢，不采用復(fù)雜線路和電線的霍爾傳感器可實現(xiàn)電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的智能化，并能夠節(jié)省成本。此外，基于霍爾傳感器的電梯稱重變送裝置無需連接需要檢測的載重物體，這就使得傳統(tǒng)傳感器可能出現(xiàn)的連接點損壞問題可較好避免，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)幕魻杺鞲衅饕彩沟秒娞莘Q重變送裝置的實用性進(jìn)一步提升。

在電梯稱重變送裝置的霍爾傳感器應(yīng)用中，需在一個芯片上集成穩(wěn)壓電路、溫度補償器、放大器、霍爾元件，由此基于霍爾磁效應(yīng)的芯片即可轉(zhuǎn)化磁場磁通量變化為線性電壓信號輸出。在電梯稱重變送裝置的稱重操作中，霍爾傳感器為最重要的元件，前期安裝稱重裝置需在轎廂的底部安裝變送裝置，在活動轎廂的底部吸附感應(yīng)磁體，這一過程需在變送裝置的中間位置設(shè)置感應(yīng)磁體，采用平行安裝，保證變送裝置的水平，避免傳感器失重或超重現(xiàn)象出現(xiàn)，保證稱重結(jié)果的準(zhǔn)確性。為避免安裝好之后的磁體磁力增大，安裝完成后需對磁體磁力進(jìn)行重新測定，保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性。為保證霍爾傳感器更好用于電梯稱重變送裝置之中，還需要針對性開展A/D轉(zhuǎn)換電路、前端信號調(diào)理電路、復(fù)位電路單元、微控制器、雙音多頻發(fā)送電路的選用及設(shè)計，軟件的針對性設(shè)計也需要得到重視。電梯稱重變送裝置的配套軟件需在檢測到轎廂重量信息后，分析整理傳感器硬件設(shè)備傳輸?shù)男盘?，并進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換處理，以此在發(fā)生電路輸出雙音頻信號。需增加轉(zhuǎn)碼的閾值于預(yù)設(shè)環(huán)節(jié)，采用40ms為限，較為簡單的霍爾傳感器軟件結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步降低其在電梯稱重變送裝置中的應(yīng)用難度。

2.2 高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)

霍爾傳感器還能夠用于高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)，霍爾傳感器可內(nèi)置于無刷直流電機(jī)之中，由此即可建設(shè)基于霍爾傳感器的鋼絲繩線速度自動測量系統(tǒng)，電梯現(xiàn)場檢測速度和精度可由此大幅提升。在高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)的測速模塊中，可選擇單片機(jī)ARDUINO mega2560，并針對性設(shè)定初始PWM信號，將信號輸送給電機(jī)驅(qū)動器，即可控制無刷直流電機(jī)加速，直到收到NJK-5002C（霍爾式接近開關(guān)）發(fā)出的停止指令。在高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)中，霍爾接近開關(guān)和霍爾傳感器可實現(xiàn)對限速器動作速度及電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，滿足電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集需要。結(jié)合模塊化設(shè)計理念，高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)由測速模塊和提繩模塊組成，其中測速模塊包括短信發(fā)送子模塊、顯示子模塊、測速子模塊、電機(jī)驅(qū)動子模塊、中央處理器子模塊，提繩模塊包括固定子模塊、提升子模塊、夾繩子模塊。其中，中央處理器子模塊需負(fù)責(zé)接收來自霍爾傳感器的信號，并開展針對性處理，測速子模塊采用無刷直流電機(jī)，其自帶霍爾傳感器，通過無刷直流電機(jī)探測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場位置，即可實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)動狀態(tài)的間接測量。而在對限速器的甩塊動作檢測中，甩塊的動作檢測采用霍爾開關(guān)，需在甩塊一側(cè)粘貼小磁塊，磁塊的運動由此即可通過傳感器探頭檢測，在磁塊經(jīng)過時，需對霍爾接近開關(guān)的輸出端進(jìn)行測量，結(jié)合脈沖變化，即可最終實現(xiàn)甩塊動作檢測目的。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，基于霍爾接近開關(guān)的限速器甩塊動作檢測具備響應(yīng)頻率較高、壽命長、低功耗、無觸點、安裝簡單等優(yōu)勢，具體可采用NJK-5002C型號的霍爾式接近開關(guān)。

對于高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)各模塊來說，中央控制器子模塊需負(fù)責(zé)霍爾傳感器（無刷直流電機(jī)自帶）發(fā)出信號的接收和處理，以此來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。測量子模塊需基于霍爾接近開關(guān)模塊（檢測甩塊動作）、霍爾傳感器模塊運行，在電機(jī)轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器模塊會輸出方形脈沖，脈沖計數(shù)在單位時間完成，即可對此時的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算，應(yīng)用于接近開關(guān)的霍爾開關(guān)也能夠較好服務(wù)于高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。為保證霍爾傳感器較好服務(wù)于高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)，無刷直流電機(jī)的合理選擇極為關(guān)鍵，可選擇超群公司推出的57BL95S06-210TF9直流無刷電機(jī)，作為57系列直流無刷電機(jī)的代表，該直流無刷電機(jī)擁有57mm的法蘭直徑、95mm的機(jī)身長度，帶有霍爾傳感器，擁有方形的法蘭盤，電機(jī)額定功率為60W、額定轉(zhuǎn)速為1000r/min、額定轉(zhuǎn)矩為0.8Nm、工作電壓為DC24V，屬于單出軸、銑扁出軸形式的直流無刷電機(jī)?；谥绷鳠o刷電機(jī)自帶的霍爾傳感器，高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)測速模塊的設(shè)計僅需要關(guān)注霍爾接近開關(guān)的電路部分，霍爾開關(guān)的型號為NJK-5002C，這一型號的霍爾開關(guān)擁有NPN三線常閉的工作模式，采用5～30VDC的供電電源，同時需提供4.5kΩ的上拉電阻。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的限速器校驗手段，基于自帶霍爾傳感器直流無刷電機(jī)實現(xiàn)的測速可有效節(jié)省空間，檢測人員人數(shù)減少、測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度提升也能夠由此實現(xiàn)，由此可見霍爾傳感器在高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)中的應(yīng)用價值，電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中霍爾傳感器的應(yīng)用也得到了更為直觀展示。

3 結(jié)束語

綜上所述，霍爾傳感器能夠較好用于電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的工作原理分析、霍爾傳感器的具體應(yīng)用、電梯稱重變送裝置、高速電梯限速器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)等內(nèi)容，則提供了可行性較高的基于霍爾傳感器的電梯現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集路徑。為更好發(fā)揮霍爾傳感器優(yōu)勢，各類新型霍爾傳感器的合理應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)等新型技術(shù)的綜合應(yīng)用同樣需要得到重視。

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