Seleção e aplicação de um sensor de posição linear para controles de veículos robustos

Com a Internet das Coisas (IoT) para automação de fábricas e o uso cada vez maior de eletrônicos em veículos, os projetistas devem considerar cuidadosamente suas opções de sensores. Veículos como tratores e empilhadeiras apresentam desafios de projeto exclusivos em relação a sensores lineares para controles. Esses controles devem ser precisos, responsivos, confiáveis e duráveis, suportando temperaturas extremas, choques, vibrações, poeira e umidade por muitos anos com o mínimo de manutenção.

Uma opção que atende aos requisitos dessas aplicações é o sensor linear de efeito Hall. Como opção sem contato, esses sensores podem ser reforçados para resistir a condições de trabalho adversas.

Este artigo discute os requisitos de detecção nos veículos e o que torna os sensores lineares de efeito Hall uma boa opção. Em seguida, ele apresenta os sensores lineares de efeito Hall da Vishay para ilustrar suas características e como selecioná-los e aplicá-los com sucesso.

Por que os veículos robustos precisam de controles especializados e de alta precisão

Veículos robustos geralmente operam em ambientes perigosos, onde a operação precisa é um requisito. Portanto, os controles para esses veículos devem ser altamente precisos e responsivos. Além disso, esses controles do operador geralmente precisam fazer interface com vários sensores de IoT a bordo e sistemas de controle automatizados. Exemplos de aplicações incluem:

• Volantes de empilhadeira: A detecção precisa do ângulo do volante (ou seja, a alavanca de controle principal) permite manobras seguras e eficientes, o que é especialmente importante em espaços apertados.
• Mudanças de marcha do trator: Mudanças de marcha suaves minimizam o desgaste da transmissão e aumentam a eficiência do combustível.
• Sistemas de deslocamento do pedal: Medições precisas permitem o controle ideal do veículo e aprimoram os recursos de segurança, como redução automática de velocidade e parada de emergência.

A confiabilidade é outro requisito do projeto. Em ambientes como armazéns e instalações de fabricação, os controles podem ser expostos a contaminantes, temperaturas extremas e abuso físico.

Por fim, os veículos robustos geralmente têm restrições de espaço em seu projeto. Por exemplo, as empilhadeiras são altamente compactas para otimizar a capacidade de manobra nos corredores do armazém. Portanto, os sensores para controles de veículos robustos normalmente precisam ser os menores possíveis.

Por que os sensores lineares de efeito Hall são especialmente adequados para controles de veículos robustos

A escolha de um sensor adequado para controles de veículos robustos pode ser difícil devido à necessidade de durabilidade, longas distâncias de curso e tamanho pequeno. Os sensores lineares de efeito Hall são uma boa opção, pois são uma tecnologia sem contato que pode atender a milhões de ciclos sem ajustes. Além disso, eles estão disponíveis em pacotes compactos e fáceis de montar e oferecem excelente precisão para detecção de posição de curto alcance.

É útil examinar primeiro o efeito Hall para entender esses benefícios. Um sensor de efeito Hall aplica uma corrente de polarização CC fixa ao longo de um eixo e em uma tira fina de metal ou semicondutor chamada de elemento Hall. Quando um campo magnético é aplicado perpendicularmente ao fluxo de corrente, os portadores de carga são desviados pela força de Lorentz e se acumulam em lados opostos do elemento Hall, criando um campo elétrico transversal chamado de campo Hall e um potencial através do elemento chamado de tensão Hall. A tensão Hall é proporcional ao produto da corrente, do campo magnético e de uma constante dependente do material conhecida como coeficiente Hall.

Em um sensor linear, o efeito Hall pode criar uma tensão de saída proporcional à distância entre o elemento Hall e um ímã. Isso resulta em uma detecção de posição altamente precisa em distâncias curtas com tempos de resposta rápidos.

Um sensor linear de efeito Hall projetado para controles de veículos robustos

Os sensores de posição da série 20LHE da Vishay (Figura 1) exemplificam os benefícios dos sensores lineares de efeito Hall. Eles têm um curso curto de 10 milímetros (mm) e uma velocidade de rastreamento de 60 mm por segundo (mm/s). Eles são adequados para controles de alta precisão de veículos devido à sua linearidade, que pode ser especificada em até ±1%.

Figura 1: Os sensores de posição de efeito Hall linear da série 20LHE apresentam uma linearidade de ±1%. (Fonte da imagem: Vishay)

Os sensores da série 20LHE são projetados para operar em ambientes adversos e têm uma vida útil livre de manutenção de mais de 10 milhões de ciclos. Os sensores fornecem medições precisas quando a energia é aplicada sem calibração ou inicialização. Além disso, esses sensores oferecem excelente estabilidade, sem desvios de linearidade. A histerese estática é limitada a 0,1% da tensão de alimentação, enquanto a histerese dinâmica é de apenas 0,25%.

Os sensores são montados em flange para facilitar a instalação, conforme mostrado na Figura 2, e o eixo pode se estender 30 mm da face de montagem para facilitar a conexão com o mecanismo de controle. Ao mesmo tempo, as dimensões gerais de um sensor da série 20LHE são de apenas 46 x 20,8 x 37 mm, permitindo que o dispositivo caiba em cabines veiculares apertadas.

Figura 2: Os sensores da série 20LHE são compactos e usam um design montado em flange para facilitar a montagem. (Fonte da imagem: Vishay)

Considerações de projeto mecânico para sensores lineares de efeito Hall

Os controles de veículos robustos devem oferecer alta confiabilidade em ambientes não controlados. Portanto, é fundamental considerar a capacidade de um sensor de controle veicular de resistir a um tratamento difícil. O impacto físico é provável em condições adversas, assim como a vibração de fontes como o motor e a suspensão do veículo. Os sensores da série 20LHE oferecem um design físico robusto que pode suportar vibrações de até 20 g e choques de até 50 g.

Os sensores da série 20LHE são alojados em um invólucro de termoplástico durável para suportar poeira, líquidos e temperaturas extremas de -40°C a +85°C. Os modelos com retorno por mola têm uma classificação de proteção ambiental contra ingresso (IP) de IP51; também estão disponíveis classificações IP mais altas.

A classificação IP indica o nível de proteção que um invólucro oferece contra a intrusão de objetos sólidos (primeiro dígito) e líquidos (segundo dígito). No caso do IP51, 5 indica que o invólucro está protegido contra a entrada de poeira em uma quantidade suficiente que afetaria a operação normal do dispositivo, enquanto 1 indica que o compartimento está protegido contra gotas de água que caem verticalmente.

Considerações sobre o projeto elétrico para o uso de sensores lineares de efeito Hall

Os ambientes rústicos também apresentam riscos eletromagnéticos, incluindo descargas eletrostáticas e interações inadvertidas entre vários sistemas elétricos e eletrônicos. A série 20LHE pode resistir a uma ampla gama de riscos desse tipo. Mais notavelmente, podem resistir a uma sobretensão de +20 volts e a uma tensão reversa de -10 volts. Outras especificações ambientais estão listadas na Tabela 1.

Tabela 1: A série 20LHE foi projetada para resistir a riscos físicos e eletromagnéticos. (Fonte da imagem: Vishay)

Um sensor de efeito Hall linear deve ser combinado com uma resistência de carga para funcionar corretamente. Para a série 20LHE, a Vishay recomenda uma carga mínima de 1 quilohm (kΩ).

Seleção de um sensor de efeito Hall linear

A exatidão é o primeiro parâmetro a ser considerado, pois o sensor deve suportar a precisão de controle necessária. No caso da série 20LHE, a Vishay oferece uma opção de ±2% de linearidade com o 20LHE1XWA1P30 ou ±1% de linearidade com o 20LHE1AWA1P30.

A saída também deve corresponder às necessidades do restante do sistema de controle. As opções típicas incluem grandeza de proporção analógica ou modulação por largura de pulso (PWM). A série 20LHE está disponível em ambas as configurações, com a saída aumentando ou diminuindo em relação à posição do sensor. Por exemplo, o 20LHE1AWB1P30 tem uma saída analógica decrescente, o que significa que a saída está em seu nível mais baixo quando o eixo do sensor está totalmente comprimido (Figura 3).

Figura 3: O 20LHE1AWB1P30 está disponível com uma saída analógica decrescente, que atinge seu mínimo quando o eixo do sensor está totalmente comprimido. (Fonte da imagem: Vishay)

O próprio eixo merece consideração. Por exemplo, a série 20LHE tem um eixo de 3,175 mm que pode ser opcionalmente fixado com uma rosca M3 x 6 mm. Essa configuração pode simplificar a instalação e proporcionar uma conexão mais segura com o mecanismo de controle.

A maioria dos modelos da série 20LHE vem equipada com um retorno por mola. Essa mola fornece um mecanismo de autocentralização, garantindo que o sensor retorne à sua posição original quando a força que o deslocou for removida. Esse recurso pode beneficiar aplicações de controle veicular, como sensores de posição do acelerador, em que os operadores aplicam e liberam forças de entrada com frequência. Modelos sem mola, como o 20LHE2AWA1P30, também estão disponíveis.

Conclusão

Como uma opção sem contato, os sensores lineares de efeito Hall são uma excelente opção para controles de veículos robustos. A série 20LHE é fornecida em um fator de forma compacto e é montada em flange para facilitar a instalação. Também são duráveis o suficiente para suportar condições de trabalho adversas e oferecer precisão estável e livre de manutenção em virtude dos riscos físicos e eletromagnéticos.