挑選強固型車輛控制用的線性位置感測器及應用

隨著物聯網 (IoT) 在工廠自動化中的應用增加，以及車輛中使用的電子設備越來越多，設計人員必須仔細考量感測器選項。曳引機和堆高機等車輛在控制用的線性感測器方面具有獨特的設計挑戰。這些控制元件必須精確、靈敏、可靠且耐用，還要長年因應極端溫度、衝擊、振動、灰塵和濕氣，且只需最少的維護。

有個選擇可滿足這些應用的要求，那就是線性霍爾效應感測器。這些感測器屬於非接觸式元件，經過強固後可以承受惡劣的工作條件。

本文將探討車輛的感測要求，以及為何線性霍爾效應感測器是最佳選擇的原因。然後，本文會介紹 Vishay 的線性霍爾效應感測器，說明其特性以及如何挑選及順利應用的方式。

為何強固型車輛需要特殊的高精度控制

強固型車輛通常在危險環境中運作；在此環境中，精確操作不可或缺。因此，這些車輛的控制必須高度準確且反應靈敏。此外，這些操作控制單元通常需要與多個車載 IoT 感測器和自動化控制系統介接。範例應用包括：

• 堆高機舵柄：準確偵測舵柄角度 (即主控制手把) 才可達到安全高效的操控，這在狹小空間中尤其重要。
• 曳引機換檔：平穩的換檔可將變速箱的磨損降至最低並提高燃油效率。
• 踏板位移系統：精確的測量才可達到最佳化車輛控制，並增強自動減速和緊急煞車等安全功能。

另一項設計要求是可靠性。在倉庫和製造設施等環境中，控制單元可能會暴露在污染物、極端溫度中並遭到濫用。

最後，強固型車輛的設計通常會受到空間的限制。例如，堆高機非常緊湊，以便在倉庫走道間發揮最佳機動性。因此，強固型車輛控制單元用的感測器通常要盡可能小型化。

為何線性霍爾效應感測器特別適用於強固型車輛控制

由於需要耐用性、長行程距離和小尺寸，因此挑選適合強固型車輛控制用的感測器並不容易。線性霍爾效應感測器是個不錯的選擇，因為其屬於非接觸式技術，無需調整即可運作數百萬次循環。此外，採用緊湊、容易安裝的封裝，能為短距離位置偵測提供傑出的精確度。

要瞭解這些優點，先理解霍爾效應會有所幫助。霍爾效應感測器會沿一個軸和一條稱為霍爾元件的金屬或半導體細條，施加固定的 DC 偏壓電流。以垂直電流的方向施加磁場時，電荷載子會遭到勞倫茲力偏轉，並聚積在霍爾元件的對側，因此會產生稱為霍爾電場的橫向電場，且在元件上產生稱為霍爾電壓的電位。霍爾電壓會與電流、磁場和稱為霍爾係數的材料相關常數的乘積成正比。

在線性感測器中，霍爾效應產生的輸出電壓，會與霍爾元件和磁鐵之間的距離成正比。如此就可在短距離內達到高精度的位置感測，並具有快速的反應時間。

線性霍爾效應感測器，專為強固型車輛控制而設計

Vishay 的 20LHE 系列位置感測器 (圖 1) 就展現了線性霍爾效應感測器的優勢。具有 10 mm 的短行程，追蹤速度為 60 mm/s。由於具有線性度，非常適合高精度車輛控制，其額定值最低可達 ±1%。

圖 1：20LHE 系列線性霍爾效應位置感測器具有 1% 的線性度。(圖片來源：Vishay)

20LHE 系列感測器的設計可在惡劣環境中運作，免維護下的使用壽命超過 1000 萬次循環。通電後，感測器無需校準或初始化即可提供準確的測量。此外，這些感測器具有傑出的穩定性，不會出現線性漂移。靜態磁滯限制在電源電壓的 0.1%，而動態磁滯僅有 0.25%。

感測器採用凸緣安裝，可輕鬆安裝，如圖 2 所示，且軸可以從安裝面延長 30 mm，有利於與控制機構連接。同時，20LHE 系列感測器的整體尺寸僅有 46 x 20.8 x 37 mm，因此可安裝在壅塞的車廂內。

圖 2：20LHE 系列感測器結構緊湊，採用凸緣安裝設計，可輕鬆安裝。(圖片來源：Vishay)

線性霍爾效應感測器的機械設計考量

強固型車輛控制單元必須在不受控條件下提供高可靠性。因此，將車輛控制感測器承受劇烈處理的能力納入考量相當重要。在惡劣條件下可能會有物理衝擊，例如車輛引擎和懸吊系統等會產生振動一樣。20LHE 系列感測器採用堅固耐用的物理設計，可承受高達 20 g 的振動和高達 50 g 的衝擊。

20LHE 系列感測器採用耐用的熱塑性外殼，可承受灰塵、液體和 -40°C 至 +85°C 的極端溫度。具有彈簧歸位的款式更具有 IP51 環境防護 (IP) 等級；也有提供更高 IP 等級的款式。

IP 等級代表外殼對固體物體 (第一個數字) 和液體 (第二個數字) 侵入時提供的保護程度。在 IP51 等級下，5 表示外殼受到保護的程度，可避免足以影響裝置正常操作的灰塵量侵入；而 1 表示外殼受到保護的程度，可避免垂直滴下的水侵入。

採用線性霍爾效應感測器時的電氣設計考量

惡劣環境也包括電磁危害，包括靜電放電，以及各種電氣和電子系統之間非刻意的交互作用。20LHE 系列可以承受多種這類危害。最值得注意的是，可以抵抗 +20 V 的過電壓和 -10 V 的逆向電壓。其他環境規格列於表 1。

表 1：20LHE 系列2k7設計可承受物理和電磁危害。(圖片來源： Vishay)

線性霍爾效應感測器必須搭配負載電阻才能正常運作。使用 20LHE 系列時，Vishay 建議最小負載為 1 kΩ。

挑選線性霍爾效應感測器

精度是優先考量的參數，因為感測器必須支援要求的控制精度。若是 20LHE 系列，Vishay 有提供線性度為 2% 的 20LHE1XWA1P30，或是線性度為 ±1% 的 20LHE1AWA1P30 可供挑選。

輸出也必須配合控制系統其餘部分的需求。典型選項包括類比比例式或脈寬調變 (PWM)。20LHE 系列提供兩種配置，輸出可隨著感測器的位置而增加或減少。例如，20LHE1AWB1P30 具有類比遞減輸出，這表示當感測器軸完全壓縮時，輸出處於最低位準 (圖 3)。

圖 3：20LHE1AWB1P30 具有類比遞減輸出，當感測器軸完全壓縮時，輸出達到最小值。(圖片來源：Vishay)

軸本身需納入考量。例如，20LHE 系列有 3.175 mm 的軸，可以選擇採用 M3 x 6 mm 螺紋處理。這種配置可以簡化安裝，並提供更穩固的控制機構連接。

大多數 20LHE 系列型號都配備彈簧歸位。此彈簧可提供自行置中機制，確保在位移力量消失後，感測器可返回原始位置。此特點有利於車輛控制應用，例如油門位置感測器，因為操作人員會經常會對其施加並放開輸入力道。也有提供不帶彈簧的型號，例如 20LHE2AWA1P30。

結論

線性霍爾效應感測器屬於非接觸式元件，非常適合強固型車輛控制應用。20LHE 系列外形緊湊，採用凸緣安裝，可輕鬆安裝。此外更堅固耐用，可以承受惡劣的工作條件，並可在物理和電磁危害下提供穩定、免維護的精準測量。