Scelta e applicazione di un sensore di posizione lineare per i controlli di veicoli in ambienti industriali

Con l'Internet delle cose (IoT) per l'automazione di fabbrica e il crescente utilizzo dell'elettronica nei veicoli, i progettisti devono valutare attentamente la scelta dei sensori. I veicoli come i trattori e i carrelli elevatori presentano sfide di progettazione uniche per quanto riguarda i sensori lineari per i controlli. Questi controlli devono essere precisi, reattivi, affidabili e durevoli, in grado di affrontare temperature estreme, urti, vibrazioni, polvere e umidità per molti anni con una manutenzione minima.

Un'opzione che soddisfa i requisiti di queste applicazioni è il sensore lineare a effetto Hall. Come dispositivo senza contatto, questo tipo di sensore può essere rinforzato per resistere alle condizioni di lavoro più difficili.

Questo articolo illustra i requisiti di rilevamento dei veicoli e le caratteristiche che rendono i sensori lineari a effetto Hall una buona opzione. Presenta quindi i sensori lineari a effetto Hall di Vishay per illustrarne le caratteristiche e le modalità di selezione e applicazione.

Perché i veicoli in ambienti industriali hanno bisogno di controlli specializzati e di alta precisione

I veicoli in ambienti industriali operano spesso in condizioni pericolose, dove la precisione di funzionamento è un requisito fondamentale. Pertanto, i comandi di questi veicoli devono essere altamente precisi e reattivi. Inoltre, questi controlli dell'operatore devono spesso interfacciarsi con diversi sensori IoT di bordo e sistemi di controllo automatizzati. Ecco alcuni esempi di applicazioni:

• Leva di comando dei carrelli elevatori: il rilevamento accurato dell'angolo della leva di comando consente di effettuare manovre sicure ed efficienti, particolarmente importanti in spazi ristretti.
• Cambi di marcia del trattore: cambi di marcia fluidi riducono al minimo l'usura della trasmissione e riducono il consumo di carburante.
• Sistemi di controllo a pedale: misurazioni precise consentono un controllo ottimale del veicolo e migliorano le funzioni di sicurezza come la riduzione automatica della velocità e l'arresto di emergenza.

L'affidabilità è un altro requisito di progettazione. In ambienti quali magazzini e stabilimenti di produzione, i controlli possono essere esposti a sostanze contaminanti, temperature estreme e abusi fisici.

Infine, i veicoli in ambienti industriali hanno spesso vincoli di spazio. Ad esempio, i carrelli elevatori sono molto compatti per ottimizzare la manovrabilità nelle corsie del magazzino. Pertanto, i sensori per i controlli di questi veicoli devono essere i più piccoli possibile.

Perché i sensori lineari a effetto Hall sono particolarmente adatti ai controlli di veicoli in ambienti industriali

La scelta di un sensore adatto ai controlli di veicoli in ambienti industriali può essere difficile a causa della necessità di durata, di lunghe distanze di corsa e di piccole dimensioni. I sensori lineari a effetto Hall sono una buona opzione, perché sono una tecnologia senza contatto che può funzionare per milioni di cicli senza regolazioni. Inoltre, sono disponibili in contenitori compatti e facili da montare e offrono un'eccellente precisione per il rilevamento della posizione a corto raggio.

Per comprendere questi vantaggi è utile esaminare prima l'effetto Hall. Un sensore a effetto Hall applica una corrente di polarizzazione c.c. fissa lungo un asse e attraverso una sottile striscia di metallo o semiconduttore detta elemento Hall. Quando viene applicato un campo magnetico perpendicolarmente al flusso di corrente, i portatori di carica subiscono una deviazione da parte della forza di Lorentz e si accumulano sui lati opposti dell'elemento di Hall, creando un campo elettrico trasversale detto campo di Hall e un potenziale attraverso l'elemento detto tensione di Hall. La tensione di Hall è proporzionale al prodotto della corrente, del campo magnetico e di una costante dipendente dal materiale, nota come coefficiente di Hall.

In un sensore lineare, l'effetto Hall può creare una tensione di uscita proporzionale alla distanza tra l'elemento Hall e un magnete. Questo permette di ottenere un rilevamento della posizione estremamente accurato su brevi distanze e con tempi di risposta brevi.

Un sensore lineare a effetto Hall progettato per i controlli di veicoli in ambienti industriali

I sensori di posizione serie 20LHE di Vishay (Figura 1) esemplificano i vantaggi dei sensori lineari a effetto Hall. Hanno una corsa breve di 10 mm e una velocità di tracciamento di 60 mm/s. Grazie alla loro linearità, che può essere specificata fino a ±1%, sono particolarmente adatti ai controlli di alta precisione dei veicoli.

Figura 1: I sensori di posizione lineari a effetto Hall serie 20LHE hanno una linearità di ±1%. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

I sensori serie 20LHE sono destinati agli ambienti difficili e hanno una durata prevista senza manutenzione di oltre 10 milioni di cicli. Questi sensori forniscono misurazioni accurate quando sono alimentati, senza necessità di calibrazione o inizializzazione. Inoltre, questi sensori offrono un'eccellente stabilità senza derive di linearità. L'isteresi statica è limitata allo 0,1% della tensione di alimentazione, mentre l'isteresi dinamica è solo dello 0,25%.

I sensori sono montati su flangia per facilitare l'installazione, come mostra la Figura 2, e l'albero può estendersi di 30 mm dalla superficie di montaggio per facilitare il collegamento con il meccanismo di controllo. Allo stesso tempo, le dimensioni complessive di un sensore serie 20LHE sono di soli 46 x 20,8 x 37 mm e per questo il dispositivo si adatta perfettamente alle cabine dei veicoli più anguste.

Figura 2: I sensori serie 20LHE sono compatti e utilizzano un design a flangia per facilitarne il montaggio. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Considerazioni sulla progettazione meccanica dei sensori lineari a effetto Hall

I controlli per veicoli in ambienti industriali devono offrire un'elevata affidabilità in circostanze non controllate. Pertanto, è fondamentale considerare la capacità di un sensore di controllo del veicolo di resistere a manipolazioni brusche. L'impatto fisico è probabile in condizioni difficili, così come le vibrazioni provenienti da fonti quali il motore e le sospensioni del veicolo. I sensori serie 20LHE hanno una struttura fisica robusta, in grado di resistere alle vibrazioni fino a 20 g e agli urti fino a 50 g.

I sensori serie 20LHE sono alloggiati in un involucro termoplastico durevole, in grado di resistere a polvere, liquidi e temperature estreme da -40 °C a +85 °C. I modelli con ritorno a molla hanno un grado di protezione ambientale (IP) di IP51; sono disponibili anche gradi di protezione superiori.

Il grado di protezione IP indica il livello di protezione che un involucro offre contro l'intrusione di oggetti solidi (prima cifra) e liquidi (seconda cifra). Nel caso di IP51, 5 indica che l'involucro è protetto dall'ingresso di polvere in quantità sufficiente a compromettere il normale funzionamento del dispositivo, mentre 1 indica che l'involucro è protetto dalla caduta verticale di gocce d'acqua.

Considerazioni sulla progettazione elettrica per l'utilizzo di sensori lineari a effetto Hall

Gli ambienti industriali presentano anche rischi elettromagnetici, tra cui scariche elettrostatiche e interazioni involontarie tra vari sistemi elettrici ed elettronici. La serie 20LHE è in grado di resistere a una vasta gamma di pericoli. In particolare, può resistere a una sovratensione di +20 V e a una tensione inversa di -10 V. Le altre specifiche ambientali sono elencate nella Tabella 1.

Tabella 1: La serie 20LHE è progettata per resistere a potenziali rischi fisici ed elettromagnetici. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Per funzionare correttamente, un sensore lineare a effetto Hall deve essere abbinato a una resistenza di carico. Per la serie 20LHE, Vishay raccomanda un carico minimo di 1 kΩ.

Scelta di un sensore lineare a effetto Hall

La precisione è il primo parametro da considerare, poiché il sensore deve supportare la precisione di controllo richiesta. Nel caso della serie 20LHE, Vishay offre la possibilità di scegliere tra una linearità del ±2% con il modello 20LHE1XWA1P30 e una linearità del ±1% con il modello 20LHE1AWA1P30.

L'uscita deve anche corrispondere alle esigenze del resto del sistema di controllo. Le opzioni tipiche sono la raziometria analogica o la modulazione della larghezza di impulso (PWM). La serie 20LHE è disponibile in entrambe le configurazioni, con l'uscita che aumenta o diminuisce in relazione alla posizione del sensore. Ad esempio, il modello 20LHE1AWB1P30 ha un'uscita analogica decrescente, nel senso che l'uscita è al minimo quando l'albero del sensore è completamente compresso (Figura 3).

Figura 3: Il modello 20LHE1AWB1P30 è disponibile con un'uscita analogica decrescente, che raggiunge il minimo quando l'albero del sensore è completamente compresso. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

L'albero stesso merita due parole. Ad esempio, la serie 20LHE ha un albero da 3,175 mm che può essere filettato opzionalmente con una filettatura M3 x 6 mm. Questa configurazione può semplificare l'installazione e fornire un collegamento più sicuro al meccanismo di controllo.

La maggior parte dei modelli della serie 20LHE è dotata di un ritorno a molla. Questa molla è un meccanismo di autocentraggio, assicurando che il sensore ritorni alla sua posizione originale quando viene meno la forza che lo ha spostato. Questa caratteristica può essere utile per le applicazioni di controllo dei veicoli, come i sensori di posizione dell'acceleratore, in cui gli operatori applicano e rilasciano frequentemente le forze di comando. Sono disponibili anche modelli senza molla, come 20LHE2AWA1P30.

Conclusione

Come opzione senza contatto, i sensori lineari a effetto Hall sono ideali per i controlli di veicoli in ambienti industriali. La serie 20LHE ha una forma compatta ed è montata su flangia per facilitarne l'installazione. Questi sensori sono inoltre sufficientemente resistenti da sopportare condizioni di lavoro difficili e garantiscono una precisione stabile e priva di manutenzione in presenza di rischi fisici ed elettromagnetici.