基于線性霍爾元件檢測范圍可調(diào)接近開關(guān)設(shè)計

摘要：利用線性霍爾元件設(shè)計一種體積小、造價低廉、檢測范圍可以調(diào)節(jié)的小型非接觸式接近開關(guān)，并對接近開關(guān)進行檢測范圍調(diào)整做了分析。經(jīng)試用，該接近開關(guān)取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：可調(diào) 接近開關(guān) UGN3503 線性霍爾傳感器

0 引言

目前市場上所出售的位置檢測傳感器普遍存在體積大、測量范圍小、測量范圍基本固定的缺點而不適用于直線驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)的極限位置檢測，因此課題組設(shè)計并制作了基于線性霍爾元件的檢測范圍可調(diào)接近開關(guān)。這種接近開關(guān)可以把機械安裝位置的微調(diào)轉(zhuǎn)換為對電器元件參數(shù)的調(diào)整，即可以通過調(diào)節(jié)電器元件的參數(shù)實現(xiàn)傳感器檢測范圍的調(diào)整，這樣，降低了對傳感器安裝精度的要求，易于實現(xiàn)并聯(lián)機構(gòu)四個分支桿初始極限位的統(tǒng)一調(diào)整。

這種接近開關(guān)的外觀尺寸較小，必要時檢測開關(guān)的測量敏感元件UGN3503可以和測量電路分離使用，應用機構(gòu)中安裝空間狹小的場所。該傳感器經(jīng)一段時間的試用，工作可靠、效果較好。

1 線性霍爾元件

霍爾器件是一種以霍爾效應為工作基礎(chǔ)的磁傳感器，用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。霍爾效應，是由科學家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的，是指在一塊通電的半導體薄片上，加上和薄片表面垂直的磁場B，在薄片的橫向兩側(cè)會出現(xiàn)一個電壓。UN稱為霍爾電壓，電極c與電極d間通以工作電流I，電極a與電極b間取出霍爾電壓UNI。在I恒定時，霍爾電壓UN與磁場強度B成正比。

本接近開關(guān)采用線性霍爾元件UGN3503。UGN3503供電電壓DC5V，典型供電電流9mA，靈敏度1.30mV/G，帶寬23KHz，輸出阻抗50Ω，靜態(tài)輸出電壓典型值2.5V，噪聲90μV。是美國Allegro公司產(chǎn)品，被廣泛用于位置、速度檢測等方面。

2 電路工作原理

基于線性霍爾元件的檢測范圍可調(diào)接近開關(guān)的電路原理圖如圖1所示。接近開關(guān)的測量敏感元件采用線性霍爾傳感器UGN3503，移動副的移動部件帶動磁鋼運動，霍爾元件固定于移動副的固定部件上。當移動副移動部件帶動磁鋼向霍爾元件方向移動時，影響霍爾元件所受磁場強度。霍爾元件感受到磁鋼磁場強度的變化，改變輸出端引腳3的輸出電壓。用戶設(shè)定與接近開關(guān)檢測范圍相對應的電壓閥值，通過電壓比較器與霍爾元件的輸出電壓進行比較。

當移動副移動部件帶著磁鋼向UGN3503 靠近時，UGN3503輸出引腳的電壓輸出值增加，運算放大器同相輸入端輸入電壓V+增加，當V+大于用戶設(shè)定閥值V-時，運算放大器輸出發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光電耦合器TIL117的發(fā)光二極管正向?qū)òl(fā)光，使得TIL117光敏三極管飽和，拉低limit output點電位，輸出有效信號。

本系統(tǒng)使用運算放大器作為霍爾元件的輸出電壓和用戶設(shè)定檢測范圍的開環(huán)比較，提高檢測電路的輸入阻抗及系統(tǒng)的響應速度。通過光電耦合器與運動控制卡等后續(xù)電路隔離實現(xiàn)OCL輸出，與市場上通用的接近開關(guān)輸出相匹配。

3 檢測范圍設(shè)定

UGN3503 的輸出電壓代表移動副的移動距離，接入運算放大器的通向輸入端。用戶通過調(diào)節(jié)精密可調(diào)電阻R6的阻值改變運算放大器的反向輸入端輸入電壓V-，作為位置檢測傳感器的設(shè)定值。其中：

（1）

根據(jù)實驗測得磁場方向不發(fā)生改變時UGN3503輸出電壓范圍為（+2.56V，+4.85V）。根據(jù)系統(tǒng)運行時工作電流小，能耗較低的原則兼顧電器元器件的電器參數(shù)分別取R2、R7為1KΩ，R6取值50KΩ，供電電壓取5V。用戶檢測范圍所對應的運算放大器反向輸入電壓調(diào)整范圍為

（2）

（3）

經(jīng)實驗驗證，采用φ6的厚度為3mm的磁鋼作為磁源，UGN3503的檢測范圍可達5cm以上，因此用戶可以設(shè)定傳感器的檢測范圍為[0，5cm]。

設(shè)R6阻值為R千歐姆，則有

（4）

對式（4）求導，有

（5）

顯然，當電路供電電壓U恒定時，用戶設(shè)定檢測范圍越小越靠近0處時，可調(diào)電阻的調(diào)節(jié)范圍越大，利于檢測距離的精密設(shè)定。

4 結(jié)論

采用線性霍爾元件設(shè)計的非接觸接近開關(guān)體積小較小、價格低廉、檢測范圍可調(diào)，有廣闊的市場前景。