集成开关型霍尔传感器在新型塔吊超载报警器中的应用

■王佳优，孙利民 ■郑州大学力学与工程科学学院，河南 郑州 450001

集成开关型霍尔传感器(集成霍尔开关)是一种利用霍尔效应实现磁电转换的传感器，它是目前较为先进的传感器，具有灵敏度高、线性度好、稳定性高和体积小等特点，多用于位置转速检测与控制，如应用于转速测量、液位控制、液体流量检测、产品计数、车辆行程检测等，它在物理实验的周期测量中也有许多应用。

我国正处于经济大发展的重要时期，各行各业发展迅速，伴随着安全生产也就成为当前各行各业的工作重点之一，特别是建筑行业的塔式起重机的安全运行。这就对塔吊超载报警器的工作能力有了更高的要求。传统的塔吊超载报警器多采用电葫芦超载限位器，市场价格相对较高。本文研制的新型塔吊超载报警器结构简单、实用性强、应用效果好，对以往此类报警器有很大的创新。

1 集成开关型霍尔传感器工作原理

1.1 传感器结构

集成开关型霍尔传感器主要由以下5 个部份组成:稳压器A、霍尔电势发生器(霍尔片)B、差分放大器C、施密特触发器D 和OC 门输出E，如

图1 霍尔开关图

图1 所示。(1)(2)(3)表示霍尔开关的三个引出端点。

1.2 传感器工作原理

将霍尔片置于磁场中，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会有一个霍尔电压UH 输出，UH 信号经差分放大器放大后，送至施密特触发器。当施加的磁场达到“工作点”或称“导通点”(即BOP 时)，施密特触发器就翻转，其输出导通，使OC 门输出端由高电平变为低电平，通常称这种状态为“开”。当施加的磁场达到“释放点”(即BRP 时)，触发器再一次翻转，输出晶体管截止，使OC 门输出端由低电平变为高电平，这时称其为“关”态。

2 集成开关型霍尔传感器特性测量

实验中用于测量的是A44E 集成霍尔开关。磁钢用直径D=6mm，长度为L=3.5mm 的钕铁硼磁钢。电源用12V 电源，磁感应强度B 用SXG-1B 毫特仪测量。图2 中(a)为集成霍尔传感器外形图。测量时，在输出端(3)与电源(1)之间接一个2kΩ 的负载电阻，如图2(b)所示。

图2 接线示意图

图3 测量示意图

开始测量，移动磁体，且使移动方向在磁铁与霍尔开关的轴心线方向上，如图3 所示。实验显示:当磁铁和霍尔开关移近到一定位置，霍尔开关接通;二者移开一定距离后，霍尔开关断开。试验结果为电路导通时两者距离r=6.5mm、BOP=17.576mT。

3 新型塔吊超载报警器工作原理和参数设计

3.1 工作原理

该塔吊超载报警器由底座1、永久磁铁2、霍尔开关3、叠簧4、保护开关5、顶座6 组成。当钢丝绳上加重物时，钢丝绳拉紧，产生张力，会带动底座1 外伸，顶座6 不动，这时压缩碟簧4，当与底座一起连接的永久磁铁2 达到设定位移时，电压放大到预订电压，电路导通报警。保护开关5也随底座一起移动，当霍尔开关3 失效时，保护开关5 也能导通电路，达到双重保护的效果。(如图4 示)

图4 超载报警器简图

3.2 参数设计

3.2.1 钢丝绳的选择

选取10mm 钢丝绳，根据工程上塔吊零件尺寸要求结合钢丝绳的强度推出碟簧的具体型号和尺寸:(见表1)

表1 钢丝绳参数

许用拉力:52.9/00F7/3.3=15.1KN

分解到横向拉杆上的力 F (碟簧所受力):15.1/00D7/2/00D7/sin15°/FF1D/7.8KN

3.2.2 碟簧的选择

第一步:预定压缩量为fz1=5mm，选用C 系列D=63mm 复合弹簧组，每一叠合组用两个碟片。

第二步:由3.2.1 知F/2248/7.8KN，取F=8KN。则单个碟片的弹簧力/00A0/F1=F/00F7/n=8000/00F7/2=4000N

第三步:查碟簧GB/T 1972-2005 知Fc=4467N，则F1/00F7/Fc=4000/00F7/4467/2248/0.89

第四步:查碟簧GB/T 1972-2005 知/00A0/f=0.62/00D7/2.35=1.457mm

第五步:按照总变形量5mm 的要求，得碟簧组数 i=5/00F7/1.457/2248/3.4

第六步:最终确定取4 个碟簧组，理论压缩量为f/603B/=i/00B7/f=4/00D7/1.457=5.828mm

4 新型塔吊超载报警器的承载实验

4.1 实验仪器和环境

4.1.1 实验仪器

WDW-10H 电子万能试验机(产地:江苏常州，载荷范围:0 -10KN，精度:优于示值的±1%)

SXG-1B 毫特仪(产地:北京，供电电源:AC220V 50Hz，量程:0～2000mT，精度:±2.5%)

4.1.2 实验环境:温度25℃ 湿度65%

4.2 实验过程

将报警器穿好钢丝绳后固定于万能拉压试验机上，如图4 所示。将霍尔元件和磁铁之间距离调整为12.328mm(即接通时磁体距霍尔元件距离r 与碟簧压缩量之和)。开始实验，将拉压试验机设定加载10KN，开始加载，当报警器开始报警时，用SXG-1B 毫特仪测量开关处的磁感应强度B，加载10 次，记磁感应强度分别为B1/3001/B2/3001/B3…B10，记录在表格中2 中。

图4 承载实验图

表2 10 次实验磁感应强度值

4.3 误差分析

由公式(1)计算误差为3.03%，小于工程中误差要求5%，说明报警器参数设计合理，霍尔开关在报警器中的应用效果很好，同时也体现了霍尔开关抗干扰能力强。

5 结束语

通过一系列承载实验，集成霍尔开关型传感器在新型塔吊超载报警器上的应用是科学合理的，它提高了报警器的工作能力。报警器制作原理简单，不需要过分复杂的传感器，零件可拆卸，便于更换。同时碟簧体积小，极大的节约空间，采用不同的组合，可以得到不同的负荷、非线性、渐增性、零刚度及负刚度的变形特性曲线，采用集成开关型霍尔传感器控制塔吊超载报警器报警电路灵敏度高、误差小。另外，实验中没有考虑钢丝绳、拉杆和基座之间的摩擦，可能使实验数据出现小的偏差，后期实验将会改进。

［1］李占春.钢丝绳简易计算方法［M］.中国水利水电第七工程局安装公司.四川:彭占山，2000.

［2］张勇，孟建新，杨红英，张银铃.霍尔效应的发展及应用［M］.解放军坦克学院基础部实验中心:安徽:蚌埠，2010.

［3］焦丽凤.集成开关型霍尔传感器在测量物体转动惯量中的应用［M］.常熟高等专科学校，2000.