应用技术 ｌ■ 基于霍尔电磁传感器的自卸车安全装置研究及应用 冯爱萍１唐安祥 （１．上海宝钢运输有限公司 Ｅ海２００９４０： ２．上海宝山钢铁股份有限公司研究院自动化所上海２０１９００） ［摘要］本文在分析霍尔电磁传感器的电磁效应工作原理的基础上，研究了利用霍尔电磁传感器测量自卸车车厢被项起位置方法，给出了霍尔电磁传感器 与ＣＭＯＳ集成电路接口的方法。结合自卸车刹车系统工作原理，提出了基于霍尔电磁传感器的自卸车安全装置设计方法，给出了设计电路，研制出自卸车安全保 护装置，应用于宝钢股份公司的ｃａ卸车生产运行中，确保了在宝钢股份７一区安全运输作业。提高了运输生产效率和公司的信誉，增加了公司的经营效益。 ［关键词］霍尔传感器 车厢顶起位置测量 延时刹车锁定 车厢项起刹车锁定 国家标准学科分类与代码４６０．４０２０ 中图分类号：ＴＰ２１２．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１０）３１—０３１２—０２ １引言 由于生产需要，在宝钢股份厂区内使用了很多自卸车。但是在，一区中，道 路上方存在架空管道和架空线路。在自卸车使用的过程中，经常出现自卸车 在行驶中顶泵出现异常，驾驶员误操作未将操作杆放到正确位置等现象。从 而引起车厢自行顶起把道路架空线或管道拉坏，同时也造成自卸车自身损坏， 严重威胁安全生产。 为了解决生产安全问题，我们调研了国内外生产自卸车的的厂家，希望找 到解决问题的办法，调查研究表明，目前国内外的自卸车均不具各车厢自行顶 起的保护功能。为此我们开展了自卸车车厢自行顶起的保护技术研究工作 ２霍尔传感器测量自卸车车厢位置原理 霍尔传感器测量车厢位置原理如图１所示。霍尔传感在作位置传感器使 用时，一般用永久磁钢随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当 位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息 在自卸车安全保护装置中，采用永久磁钢来产生工作磁场。用磁场作为 被传感物体的位置信息载体。用一个５×４×２．５（ｍｍ ）的钕铁硼ＩＩ号磁钢， 在它的磁极表面上得到约２３００高斯的磁感应强度。将永久磁钢安装固定在 自卸车的车厢下表面，霍尔传感器安装在自卸车的大梁上端口与永久磁钢保持 适当的距离，当自卸车行走或者静止时，磁钢与霍尔传感器的距离很短，霉尔传 感器附近的磁场强度大，在霍尔传感器的１端和２端接入＋１０伏电源，此时霍 尔传感器输出高电平。当自卸车开始卸货时，自卸车的车厢向上抬起，安装在 自卸车的车厢上永久磁钢随车厢一起向上抬起，因此霍尔传感器附近的磁场强 度减弱，当自卸车的车厢向上抬起的高度到达一定距离时，霍尔传感器输出低 电平。从而完成自卸车厢是否抬起的检测工作。 在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤 其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计 算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片 的深度在产品手册中会给出。 霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，因而必须保持永久 磁钢的磁力线和霍尔传感器的器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测 磁场的磁感应强度，若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应 强度值。而且，霍尔元件的尺寸极小，在使用中可以用多个霍尔传感器排成～ 排来保证测量的可靠性。 ３霍尔传感器与外电路的接口 霍尔开关电路的输出级～般是一个集电极开路的ＮＰＮ晶体管，其使用规则 和任何～种相似的ＮＰＮ开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有 几ｎＡ，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出 管的击穿电压（即规范表中规定的极限电压）。输出管导通时，它的输出端和 线路的公共端短路。因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来流过 管子的电流，使它不超过最大允许值（～般为２０ｍＡ），以免损坏输出管。输出 电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压 和你要控制的电路的截止电压（或逻辑“零”）是兼容的。 当与发光二极管的接口时，对负载电阻器的选择作一估计。若在ＩＯ为 ２０ｍＡ（霍尔电路输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降ＶＬＥＤ＝Ｉ． ４ｖ，当电源电压ＶＣＣ－１２Ｖ时，所需的负载电阻器的阻值约为５６０ Ｑ，因此，可取 图ｌ霍尔传感器测量位置 图２霍尔传感器与ＣＭＯＳ电路 子项目和其它各种类型活动的信息以及与项目有关信息的集成环境与集成 库。项目管理组件可有效和与应用系统其他组件联接和交互。 ３．４设备管理 设备是企业资产管理系统的基础。设各基础数据建立的完善与否，以及 与设备有关的信息，如供应商、保修信息、备品备件、状态检测测点信息、 型号规格、技术文档、维修费用等相互关联性如何，直接影响设备管理的效 率和易用性、易操作性。 ３．５预防性维护管理 预防性维护包括单项预防性维护和检修路线型预防性维护，后者主要用于 简单的，巡检性质的工作。对于重复性的维护工作，通过建立预防性维护策略 可以减少工作量。 ３．６工单管理 工单是企业进行设备维护、检修、操作等工作的任务书，是工作开展的 它更是一种管理思想的体现，是一个基础工程。计算机系统毕竟是由人来操 作的，因此这就需要制订相关的管理制度，端正所有操作人员的态度，严格要求 操作人员按照要求认真地进行操作。高层领导的支持很重要，因为会有较多 的业务问题需要多部门的沟通：重庆轨道交通（集团）公司ｔＥＡＭ系统正式运行 之前，进行了各种培训，同时规定了铁的纪律，做好管理的基础工作，这是任何 再好的应用软件和软件供应商都无法提供的。 因为ＥＡＭ系统是越用越精确的系统，它的使用是一个循环上升的过程，也 许上了ＥＡＭ系统可能会给某些员工增加必要的工作量，但企业一定给员工灌输 种全局思想，不要因为个别操作人员的偷懒而导致整个系统效能的下降或者 失效。企业的领导一定要处理好与下层员工之间的“利益冲突”。 只有 做到思想上的统一、纪律上的严格，才能真正地让ＥＡＭ系统实现其规范资产 管理，提升资产回报率的价值。这也是企业避免高资金引入系统后“骑虎难 一凭证。以工单为中心载体，可以实现设备技术信息、安全信息、维修物资、 专用工具、人力、维修成本等信息的关联。工单管理可以对工单从生成到注 销的全过程进行监督和控制 下”尴尬局面的关键手段。 为保证ＥＡＭ管理思想得到有效贯彻落实，重庆轨道交通（集团）公司领导多 ４开发实施过程中出现的主要问题与经验 首先，企业要结合自己的实际情况，开发出最适合的软件系统。重庆轨道 交通（集团）公司～开始就合作成立了项目小组，由公司领导亲自挂帅，实施人 员来自于各部门的业务骨干，他们既是实施参与者，也是将来的最终用户：重庆 轨道交通（集团）公司信息部的人员也全力参与，做好技术支持，比如，参与业务 调研和详细实施方案的制定、数据规划、项目监督、报表开发等工作：ＥＡＭ系 统在今后的使用过程中不可避免的还会发现新的问题，由于系统具有二次开发 的功能，项目小组的人员可以自行对ＥＡＭ系统进行改进，不断的完善ＥＡＭ系统。 其次，实施ＥＡＭ是企业资产管理全方位的变革。ＥＡＭ不仅仅是一套系统， ３１２ ｌ科技博览 次召开会议进行工作动员，对原有的工作模式和设备管理流程进行总结，确定 那些是必须保留的，那些是有缺陷的需要改正，在原来的工作流程基础上研究 了出一套更科学、规范、快洁、高效的设备管理流程，通过ＥＡＭ系统规范 了设备管理工作。 通过ＥＡＭ系统的应用，使重庆轨道交通（集团）公司的设备管理水平有了质 的飞跃，极大的提高了重庆轨道交通（集团）公司的设备管理水平。 参考文献 ［１］李葆文．与时俱进的设各管理与维修——国际发展潮流述评［Ｊ］．设 备管理与维修．２００２年０６期． ［２］林京．企业资产管理（ＥＮｄ）系统的应用［Ａ］．煤矿机电一体化新技术及 装备学术研讨论文专集［ｃ］．２００３年． ’应用技术 ・ ■ｌ ５６０ Ｑ的电阻器作为负载电阻器。 图２是霍尔传感器与ＣＭＯＳ电路的接口。 ３自卸车安全保护装置设计 ３ １自卸车安全保护装置设计原理 自卸车安全保护装置设计原理框图见图３。当自卸车到达目的地后，启 动顶升泵开始工作，自卸车的车厢向上升起，固定在车厢上的永久磁铁随着车 厢一起向上抬起，霍尔传感器固定在自卸车的大梁上，因此永久磁铁与霍尔传 感器之间的距离不断增加，当车厢运动到极限距离时，霍尔传感器输出信号馈 给分析处理电路，分析电路处理完成后输出信号一路馈给报警器，发出报警声 音通知驾驶人员车辆处于顶升卸货状态。另一路馈给车辆杀车系统，打开手动 刹车阀门，使车辆处于制动状态。当车辆卸货完成后，车厢回落到安全位置，传 感器检测到车厢在安全状态，分析处理电路发出信号，一路馈给刹车系统解除 刹车状态，使车厢回落到安全行车状态。另一路馈给报警系统，消除报警声音。 从上述的分析中我们可以看出，只要自卸车的车厢离开安全位置，安装在驾驶 室的报警器就会发出报警声音，提醒驾驶人员车辆当前处于卸货状态。同时， 自动锁定车辆在刹车状态。保证了白卸车在车厢顶起条件下不能行走。 ３．２自卸车安全保护装置电路设计 自卸车安全保护装置的电路原理如图４所示。为了可靠测量车厢是否升 起，电路中使用了三片霍尔传感器，一片时基电路、一片二输入端斯施密特触 发器和一片音频功率放大芯片。其中霍尔传感器检测自卸车车厢顶升情况、 ５５５时基接成单稳态工作方式，斯密特触发器Ｍ２与５５５时基单稳电路组成延时 控制电路，输出信号驱动继电器Ｊ２控制刹车电／气阀门。同时控制音频振荡 开始工作。Ｍ４和Ｃ４、Ｗ１、组成一个频率大约２ＨＺ的低频振荡器，其振荡与 否受Ｄ５状态的控制，Ｍ５、ｃ５、ｗ２组成一个８００ＨＺ音频振荡器，其振荡与否受 Ｄ３状态控制，音频振荡器输出的音频信号，直接驱动音频功放集成块放大驱动 扬声器。 自卸车辆自卸顶升系统工作时，车厢上升：固定在车厢上的永久磁钢与固 定在大梁上的霍尔电磁传感器之间的距离逐渐增加，霍尔电磁传感器第３脚输 出高电平，因此，反向器Ｍ１输出低电平，使ＰＮＰ三极管Ｔｌ饱和导通，因此继电 器Ｊｌ得电工作，常开触电Ｊ卜ｌ闭合，稳压ＩＣ７８１２输出＋１２伏电压。启动后面 电路工作。 电路Ｍ４的输出端输出高电平信号，其中，一路馈给Ｒ９、Ｒ１１、Ｒｌ２、Ｃ６、Ｔ４、 Ｔ５、Ｄ７、继电器Ｊ２构成的刹车驱动电路，当Ｔ４的基极为高电平时，Ｔ４饱和 导通，使得ＰＮＰ三极管Ｔ５的基极为低电平，因此Ｔ５饱和导通，＋１２伏电源从正 极经过继电器Ｊ２、三极管Ｔ５的集电极到发射极流入电源负极，继电器Ｊ２吸 合，因此Ｊ２ ｌ触电闭合，从而自卸车刹车控制系统得电工作，使车辆处于刹车 制动状态，保证了车辆在车厢顶起时，车辆不能移动，另外当Ｔ５饱和导通时， Ｈ２伏电源从正极经过Ｒ１２和ＬＥＤ２、Ｔ５的集电极到发射机流入电源的负极， 指示灯ＬＥＤ２发光，指示车辆刹车系统进入刹车锁定状态。斯密特电路Ｍ４的 输出端输出高电平信号另一路馈给由ｃ ４、Ｄ ５、ｗ１、Ｍ４、Ｃ ５、Ｄ６、Ｗ ２、 Ｍ５和音频功率放大器构成的报警电路，其中，Ｃ４、Ｄ５、Ｗ１、Ｍ４构成２ＨＺ振 荡器，当Ｄ５的输入端为高电平时，在Ｍ４的输出端输出２ＨＺ的脉冲信号，在Ｍ４处 于高电平期间，由ｃ５、Ｄ６、ｗ２、Ｍ５构成的８００ＨＺ振荡器进入工作状态，既 在Ｍ５的输出端输出８００ＨＺ的脉冲信号，而在Ｍ４输出低电平期问，Ｍ５输出零电 平，因此，在Ｍ４的输出控制下，Ｍ５的输出端断续输出８００ＨＺ的饮频信号馈给音 频放大电路推动扬声器发出报警声音。 当自卸车完成卸货任务以后，驾驶员会操纵设备使用车厢回落到原始位 置，当车厢回落到原始位置后，安装在车厢上的永久磁铁到达霍尔传感器的表 面附近，霍尔传感器检测到车厢复位信号后，输出低电瓶平信号馈给信号分析 处理电路控制刹车驱动电路解除刹车锁定功能，车辆进入正常工作状态。如 果在车辆卸货完成以后，驾驶员忘记操纵车厢回落，或者驾驶员操纵了车厢回 落设备，但是由于设备出现故障，车厢未能回落到原始位置，在这种情况下，霍 尔传感器没有检测到车厢回落到原始位置信号，分析处理电路不能解除刹车信 号，车辆仍然处于刹车制动状态，报警器仍然发出报警声音，在这种情况下驾驶 员移动不了车辆。 ４自卸车安全装置的应用 在以往的自卸车使用过程中，由于驾驶员误操作未将操作杆放到正确位置 时或在行驶中顶泵出现异常时，顶泵将车厢自行顶起把道路架空线或管道拉 坏，而且对自身设备也有损坏，无保护和报警装置不能及时提醒操作人员注意， 严重威胁了安全生产。从２００５年十一月安装了白卸车安全装置以后，公司自 卸运输内贸矿、焦碳、废钢量达１０７．５万吨未发生一起拉碰事故，确保了在 宝钢股份厂区安全运输作业。提高了运输生产效率和公司的信誉，增加＿『公 司的经营效益。 结语 自卸车安全装置实用性强，抗干扰、腐蚀、粉尘，适应各种恶劣环境作 业，操作简便，可以在同行业推广。稍加改进可应用于其它液压或气压控制系 统。有广泛的应用前景。已经申请了实用新型专利。 图３中，Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｄ１、Ａ２、Ｃ２、Ｔ２构成延时电路。这部 分电路的作用是当外界发生紧急情况时，例如在车厢被顶起过程中或车厢被顶 起后，自卸车需要移动位置，此时驾驶员按下Ａ２按钮，电源通过Ｒ３、Ｄ１、Ａ２ 给电容器ｃ２充电，使三极管Ｔ２基极保持高电平，从而三极管Ｔ３截止，从而刹 车控制电路退出刹车状态，驾驶员可以启动车辆。当按钮Ａ２释放以后，电容 器ｃ２通过电阻Ｒ２放电，当放电电压低于三极管Ｔ２的导通电压时，Ｔ２截止，刹 车电路再次开启刹车控制阀门，车辆再次进入刹车状态。延时电路的延时时 间可以通过调整电阻Ｒ３的阻值来调整。 在正常工作时，按钮Ａ２不需要按下，Ｔ２基极处于低电平，Ｔ２集电极输出一 稳定的高电平信号，使Ｔ３饱和导通，Ｔ３集电极输出一稳定的低电平，将５５５集 成电路的输入端钳位在低电平，因此由５５５时基电路构成的单稳态电路第３脚 输出高电平信号，５５５单稳态电路输出高电平信号馈给斯密特电路，在斯密特 参考文献 ［１］ 《传感器原理》．南京航空学院．北京航空学院，合编．国防工业出 版社． ［２］ 《传感器技术大全》．张洪润，主编．北京航空航天大学出版社． ［３］ 《数字传感器》．［英］．Ｇ．Ａ．伍尔沃特，著．国防工业出版社． ［４］ 《传感器敏感元器件大全》．张福学，等编．电子工业出版社． ［５］ 《中国集成电路大全》．国防工业出版社． 图３ 自卸率安全保护装置工作原理框圈 图４自卸车安全保护装置工作原理图 科技博览ｌ ３１３
