霍尔传感器在跑车防护装置中的应用研究

摘 要： 为了研制适应矿井恶劣环境下跑车防护装置使用的速度传感器，分析了已有跑车速度检测方法存在问题。在简述霍尔传感器工作原理的基础上，提出了使用双霍尔传感器检测速度的方法，介绍了采用PLC软件编制的主要程序。该方法可以同时检测主提升绞车的运行方向、速度和深度，从而为跑车防护装置提供了一种全新的检测方案。同时提出了应根据煤矿井下的使用环境为霍尔传感器选择适合的防爆设计、抗干扰设计并给出了在实际应用中的安装建议。

关键词： 霍尔传感器原理； 跑车防护装置； 速度； 传感器； 防爆； 抗干扰

中图分类号：TD55 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2013）09-34-03

0 引言

在煤矿生产中，兼作行驶人车的倾斜井巷，在提升人员时，倾斜井巷中的挡车装置和跑车防护装置必须是常开状态，并可靠地锁住。每个倾斜巷道里通常按MT933-2005《跑车防护装置技术条件》的要求，根据巷道倾角和长度安装若干台跑车防护装置。当矿车运行到跑车防护装置附近时，装置打开，远离后装置关闭，当矿车运行速度大于5m/s时，则视同发生跑车事故，保持挡车栏关闭状态，拦截矿车，阻止矿车继续运行[1]。因此，如何检测矿车的运行位置、方向和速度是跑车防护装置中的关键技术问题。

目前常见的速度位置感应方式有光电开关、多普勒雷达、轨道感应、地感线圈、光电编码器和霍尔开关等。其中光电开关、多普勒雷达、轨道感应、地感线圈传感方式因为井下工作环境等因素已经很少使用；光电编码器技术成熟，配套软件完善，抗电磁干扰强，因而得到广泛应用[2]，但由于光电编码器必须安装在提升绞车旋转轴的轴端上，而小型绞车无外露轴端，因此在小绞车提升的巷道中无法使用。

随着矿用提升绞车的技术进步，各种绞车保护系统广泛使用到提升系统中，大型绞车的电机、减速机、卷筒在出厂时都安装了保护系统必须使用的转速检测单元，所以大型绞车上无法安装跑车防护装置使用的光电编码器。

针对以上实际情况，研制以非接触、只对磁场敏感、开关量输出的速度传感器是跑车防护装置研制工作中首要任务。而霍尔开关（霍尔传感器）以非接触、只对磁场敏感、开关量输出等优点得到应用。

本文采用两个霍尔传感器，提供两个具有90?相位差的脉冲信号，用以检测主提升绞车运动方向、速度和深度。本文所阐述的霍尔传感器结构简单，工作可靠，成本低廉，为跑车防护装置提供了一种全新的传感检测方案。

1 霍尔传感器的工作原理

在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，此现象称为霍尔效应。利用霍尔效应和相关电路构成的传感器称为霍尔传感器[3]。

霍尔传感器根据输出模式分为线性型和脉冲型两类。我们使用的霍尔传感器为脉冲型，又称霍尔开关。霍尔开关主要由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。

在外磁场的作用下，当磁感应强度B超过导通阀值（工作点）时，霍尔开关输出管导通，输出低电平。之后，B值再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到截止阀值（释放点）时，输出管截止，输出高电平。工作点与释放点之间存在差值（回差），该差值可以有效提高霍尔开关的抗干扰能力。霍尔开关输出脉冲信号，其频率与磁场变化频率相同，受霍尔元件的响应频率限制，输出幅度与输出电路及其工作电源相关。

受测磁钢与霍尔元件之间的相对运动方式常见的有两种：相对接近式和相对旋转式。

如图1所示为相对接近式：磁钢沿霍尔传感器轴向移动，接近或远离霍尔传感器端面。

如图2所示为相对旋转式：磁钢沿霍尔传感器径向、以与霍尔传感器端面相对固定距离为旋转半径移动。

2 双霍尔传感器检测速度、方向和深度的方法

跑车防护装置工作时，既要检测矿车的行驶速度，又要检测其行驶方向和位置，因此在实际设计中使用两个霍尔开关，并列布置，当绞车运行时，使磁钢依次通过霍尔元件，如图3所示。

在图3中，A、B为霍尔传感器，当磁钢在端面左右移动时，A、B两个霍尔传感器能感应到周围的磁场发生变化，从而输出开关信号。

磁钢在端面左右移动时，A、B两个霍尔传感器输出开关信号的时序关系图如图4所示。

当磁钢移动到图3位置1时，A霍尔传感器输出开关信号为高电位。

当磁钢移动到图3位置2时，A、B输出开关信号均为高电位。

当磁钢移动到图3位置3时，A霍尔传感器输出开关信号为低电位。

当磁钢移动到图3位置4时，A、B两个霍尔传感器输出开关信号均为低电位，因此A、B两个霍尔传感器输出的开关信号始终存在90?相位差，利用PLC的计数和计时功能可以编写准确检测磁钢的运动方向、速度的程序，通过计算获得绞车运行深度。

图4中的t为A、B两个霍尔传感器输出开关信号同时输出为高电平的时间，该时间决定双传感器的响应频率：

公式⑴中，v为磁钢的运动速度；L为图3中磁钢运行的位置2与位置3的距离；l为两个霍尔传感器的距离。

t与磁钢的大小和相对传感器距离有关，l与传感器的机械结构相关，v为磁钢的运动速度。

当L≤l时A、B两个传感器不能输出具有90?相位差的信号，失去双传感器的意义。

当t小于PLC软件的运行周期时，相位差信号将丢失，PLC不能准确计数。

由以上分析可知：双传感器的有效使用条件受磁钢大小和运动速度、传感器的机械结构、PLC软件的运行周期等几个方面因素影响。

以下结合实际使用情况，设PLC运行周期为20ms，单霍尔传感器为M8×1的外螺纹圆柱体结构，磁钢为φ30mm×3，则：

即在设计条件下，磁钢安装在提升绞车上，当磁钢随绞车运行时，其线速度必须小于1.1m/s。

PLC软件设计时主要考虑检测出AB两信号的相位差，并判断相位差方向[4]。代码如下：

3 霍尔开关在煤矿井下应用

3.1 防爆设计

矿井环境复杂且存在爆炸性气体，所以霍尔开关必须采用相应的防爆型式。由于每台跑车防护装置使用一个双霍尔开关，为了降低成本，提高部件的通用性，霍尔开关在井下使用时采用如图5所示隔爆型防爆结构[5]。

霍尔开关体积小，功耗低，工作时不产生高温和火花，防爆外壳采用电缆直接引入方式。为了提高霍尔元件的敏感性，防爆外壳采用黄铜或不锈钢加工制作[1-2]。

3.2 抗干扰设计

由于提升绞车目前普遍使用变频调速拖动技术，井下存在严重的传导干扰和辐射干扰。在跑车防护装置中使用霍尔传感器时，特别是采用高速计数器采样时，要特别注意解决电磁干扰问题[6]。

3.2.1 电源隔离

霍尔传感器电源回路使用如图6所示的隔离变压器和电抗器相结合，目的是为了减少电源中变频器产生的高频分量[1-2]。

传感器输出回路采用如图7所示的光电耦合器与PLC输入端隔离，这样既能达到电气隔离的目的，又能够使霍尔传感器以不同的工作电压与PLC输入端匹配。

3.2.2 电磁屏蔽

在井下实际使用环境中，干扰信号主要为低频信号。霍尔传感器信号线应采用铜编织屏蔽层的电缆，布线时选择单点接地方式。由于井下电气设备均接安全保护地，连接电缆时，屏蔽层尽量不要接在防爆外壳上。如果无法实现，应减少传感器外壳与其他设备外壳之间的电位差，降低干扰源。

3.3 现场安装注意事项

为了降低磁钢的线速度，一般要求磁钢安装在旋转半径较小的绞车卷筒轴上，同时尽量选择外径较小的霍尔传感器。在软件设计时，尽可能采用指令周期小的指令，简化软件流程，压缩运行周期。当实际工况无法满足响应频率时，可以采用PLC的高速计数器来实现计数和计时。

4 结束语

本文阐述了霍尔传感器的工作原理，提出了在跑车防护装置用中运用双霍尔传感器检测方法检测矿车运动速度和位置的方法，利用两个霍尔传感器提供两个具有90?相位差的脉冲信号，编写相应的PLC程序，解决了单个霍尔开关检测时容易受到电气和机械干扰而出现数据误差的问题，分析了实际应用中的相关影响因素，设计了符合在矿井爆炸气体环境下使用的隔爆型霍尔传感器，为跑车防护装置提供一种独特的检测主提升绞车运动方向、速度和深度检测方法。利用该传感器研制的跑车防护装置完全符合《煤矿安全生产规程》和MT933-2005《跑车防护装置技术条件》的要求，为煤矿生产运输工作提供一种全新的安全保护设备。随着煤炭行业的扩展和安全生产意识的提高，这种跑车防护装置具有广阔的市场前景。

为了提高设备工作可靠性，霍尔传感器应具有自检功能，即当自身出现故障或失灵时，应向控制器（PLC）发送报警信号，通过控制器向集控中心的设备监控系统发出设备异常信息。这是跑车防护装置研制工作在现代化矿山建设中的努力方向。

参考文献：

[1] 宁要武，朱香卫.速度传感器在跑车防护装置中的应用[J].煤炭工程，2012.3：123-125

[2] 宁要武，朱香卫.自动无人职守煤矿斜井跑车防护装置的设计[J].煤矿安全，2011.42（12）：58-60

[3] 郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用（第三版）[M]. 西安电子科技大学出版社，2008.

[4] 三菱电机（自动化）中国有限公司.FX系列编程手册（中文版）[M].三菱电机（自动化）中国有限公司，2009.4.

[5] 尤国俊，耿香红.斜井小绞车运输防护挡车装置的应用[J].煤炭技术，2009.28（2）：20-22

[6] 巩寿辉，王建新，冯发刚.矿井斜巷常闭式跑车防护装置的推广应用[J].河北煤炭，2009.2：29-31