基于多用表磁感應(yīng)開關(guān)測量方法研究

楊 靜吳春嬋郝志坤馬 敏王麗娟

(北京航天計量測試技術(shù)研究所,北京 100076)

1 引言

磁感應(yīng)開關(guān)是一種無觸點開關(guān),用途廣泛,主要用于提升機、電梯等控制系統(tǒng)當中。為了保證其運行的安全性以及停位準確,需要對其進行調(diào)整和測量。測量的準確性是保證磁感應(yīng)開關(guān)可靠應(yīng)用的前提和基礎(chǔ),根據(jù)磁感應(yīng)開關(guān)的原理及應(yīng)用,研究其測量方法并對測量方法的不確定度進行了評定。

2 磁感應(yīng)開關(guān)工作原理

2.1 磁感應(yīng)開關(guān)的結(jié)構(gòu)

磁感應(yīng)開關(guān)是一種基于磁鐵感應(yīng)的可控制開關(guān),常見的磁感應(yīng)開關(guān)主要由永磁鐵氧體、橡膠磁、燒結(jié)釹鐵硼等多種材料制成。其基本構(gòu)成一般包括基板、電磁感應(yīng)按鍵開關(guān)和電路控制單元三個部分。磁感應(yīng)開關(guān)從類型上主要分為霍爾型和干簧管兩種。

（1）霍爾型磁感應(yīng)開關(guān)?；魻栃烷_關(guān)的外形,一般是螺紋圓柱形,也有部分是方形,外殼材料為金屬。主要由穩(wěn)壓電路A、霍爾元件B、放大器C、整形電路D 和開路輸出E 五個部分組成,如圖1 所示。穩(wěn)壓電路可以保證傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作,而開路輸出則可以保證傳感器方便地與各種邏輯電路接口相聯(lián)[1,3]。

圖1 霍爾開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of Hall switch

（2）干簧管磁感應(yīng)開關(guān)。干簧管是一類有觸點的無源電子開關(guān),結(jié)構(gòu)簡單,體積小,且便于控制。外殼當中,一般存在密封的玻璃管,在管中有兩個鐵質(zhì)彈簧片電極,電極端面觸點鍍有一層貴金屬銠或釕,使開關(guān)性能穩(wěn)定并延長使用壽命。

2.2 磁感應(yīng)開關(guān)的工作原理

磁感應(yīng)開關(guān)是一種基于電磁感應(yīng)應(yīng)用的開關(guān)類型,以霍爾型磁感應(yīng)開關(guān)為例,如圖1 所示。輸入端電壓Vcc,經(jīng)A 穩(wěn)壓后加在B 的兩端,以提供恒定不變的電流,在垂直于霍爾元件的感應(yīng)面方向施加磁場,產(chǎn)生霍爾電勢差該信號經(jīng)C 放大送到D 進行整形,當磁場達到工作點時,D 輸出高電壓,使E 導(dǎo)通,輸出端輸出低電位V0L,此狀態(tài)為“開”,當施加的磁場達到釋放點時,D 輸出低電壓,使E 截止,輸出高電位V0H,此狀態(tài)為“關(guān)”[2]。當一塊通有電流的金屬或者是半導(dǎo)體薄片垂直的放置到電磁場中,在薄片的兩端,會產(chǎn)生電位差,這種現(xiàn)象被稱之為霍爾效應(yīng)。而霍爾開關(guān)或者大部分的磁感應(yīng)開關(guān),都是基于這一原理制作的。磁感應(yīng)開關(guān)是一個單穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器,有常開型（NPN）、常閉型（PNP）和鎖存型幾種,當磁感應(yīng)強度值達到一定程度,開關(guān)的內(nèi)部觸發(fā)器就會出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的情況,此時,開關(guān)內(nèi)的輸出電平也會隨之出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。

3 磁感應(yīng)開關(guān)的電氣性能測量

3.1 磁感應(yīng)開關(guān)的使用

3.1.1 磁感應(yīng)開關(guān)的接線

磁感應(yīng)開關(guān)有兩線制和三線制區(qū)別,如圖2 和圖3 所示。此兩種開關(guān)接線的電壓區(qū)別很大,一般兩線制的電壓比三線制的電壓要高出很多,所以在使用時,要特別注意負載最小的開啟電壓,從而保證開關(guān)不會出現(xiàn)短路或是損壞的情況。兩線制開關(guān)一般能夠感應(yīng)到金屬或者部分非金屬的接近,原理就是霍爾效應(yīng)。三線制開關(guān)有兩個輸出端,一個常閉（PNP）,另一個常開（NPN）。當有物體接近的時候,會觸發(fā)不同的狀態(tài)。在接線時,兩線制和三線制有所區(qū)別,兩線比較簡單,需要負載串聯(lián),將開關(guān)接入到電源上即可;三線開關(guān),要區(qū)分顏色,紅（棕）線接標準源正端,藍線接標準源負端及數(shù)字表負端,黃（黑）線為信號接負載,對于NPN 型磁感應(yīng)開關(guān),應(yīng)接到電源正端;對于PNP 型磁感應(yīng)開關(guān),則接到標準源負端,回路完整[4]。

圖2 兩線制開關(guān)的連線圖Fig.2 Connection of two wire switch

3.1.2 磁感應(yīng)開關(guān)的判斷

常用的磁感應(yīng)開關(guān)接通判斷方法有:

（1）聲音判斷。在接通啟動開關(guān)后,如果出現(xiàn)了明顯的“叭”的響聲,則證明磁感應(yīng)開關(guān)可以有效的連接在一起。如果聲音很弱,則說明開關(guān)內(nèi)部存在故障,一般是短路或者斷路。

（2）試燈評判。當磁感應(yīng)開關(guān)靠近磁鐵,如果有發(fā)光,則磁感應(yīng)開關(guān)有效連接;如果沒有,則表明開關(guān)接觸不良,此時需要調(diào)整彈簧拉力或者是調(diào)節(jié)螺旋長短或者調(diào)整距離。

3.2 磁感應(yīng)開關(guān)的測量

本研究選用德國TRUCR 生產(chǎn)的BIM-PSTAP6X6m 開關(guān)進行磁感應(yīng)開關(guān)測量。測量電壓的選擇范圍為DC10 V～30 V 之間。首先,在不加負載的情況下進行測試,空載電流小于15 mA;其次,在加入負載（燈泡或者是繼電器）的情況下進行測試,電流不大于200 mA。

使用多用表進行測量,判斷磁感應(yīng)開關(guān)的有效性。多用表的電阻檔為R×10k,接線方式如圖4 所示。如果有磁體靠近的時候,就會被感應(yīng)到,如果此時磁感應(yīng)開關(guān)處于正常狀態(tài),那么多用表指針就會出現(xiàn)大幅向右偏轉(zhuǎn),說明磁感應(yīng)開關(guān)處于正常狀態(tài)。如果磁感應(yīng)開關(guān)的工作電壓為DC24 V,而多用表的電壓較小,則磁感應(yīng)開關(guān)出現(xiàn)感應(yīng)動作時,其指示燈不一定會發(fā)亮,如圖5 所示。

圖4 多用表的接線方式Fig.4 Connection mode of multi-purpose meter

圖5 磁感應(yīng)開關(guān)通電檢測的接線方式Fig.5 Connection mode of magnetic induction switch power-on detection

使用負載通電檢測的時候,需要將直流穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)整到磁感應(yīng)開關(guān)的工作電壓,當磁體靠近被感應(yīng)的時候,磁開關(guān)動作,則測試線路上的測試燈等會出現(xiàn)發(fā)光的情況。同時磁感應(yīng)開關(guān)的指示燈也會點亮。

測量時需要注意負載工作電流不要超過磁感應(yīng)開關(guān)的最大工作電流,否則會導(dǎo)致器件的損壞。對于直流電源磁感應(yīng)開關(guān),要避免將工作電源的“ +”和“-”接錯,否則也容易引起器件的損壞。

基于多用表的磁感應(yīng)開關(guān)測量方法如圖6 和圖7 所示。磁感應(yīng)開關(guān)BIM-PST-AP6X6m 在與磁鐵相接觸時,回路導(dǎo)通,輸入DC10 V～30 V,輸出導(dǎo)通DC10 V～30 V?？蛰d電流要求小于15 mA,通常在1 mA 以下數(shù)值平穩(wěn);加載電流要求小于200 mA,電流隨電壓升高連續(xù)遞增。

圖6 負載測量原理框圖Fig.6 Schematic diagram of load measurement

圖7 空載測量原理圖Fig.7 Schematic diagram of no-load measurement

3.3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表1 和表2 所示。

表1 空載測量數(shù)據(jù)Tab.1 No-load measurement data

表2 負載測量數(shù)據(jù)（R=243 Ω）Tab.2 Load measurement data（R=243 Ω）

測量數(shù)據(jù)表明,在測量過程中,無論是電源電壓還是空載電流或者是負載電流,都出現(xiàn)不同程度的波動;其中,接通示值遞增,空載電流穩(wěn)定;連續(xù)負載時電流遞增,磁感應(yīng)開關(guān)的電氣性能符合要求。

4 測量不確定度的評定

4.1 測量模型

式中:Δ——測量誤差;U0——多功能標準源輸出標準電壓值,V;U1——指針表電壓示值,V。

4.2 不確定度主要來源有[5，6]：

（1）測量結(jié)果的重復(fù)性引入的標準不確定度分量u1;

（2）多用表準確度引入的標準不確定度分量u2;

（3）分壓器的非線性引入的標準不確定度分量u3;

（4）刻度因素引入的標準不確定度分量分量u4。

4.2.1 測量結(jié)果的重復(fù)性引入的標準不確定度分量u1

以空載測量數(shù)據(jù),電源電壓輸入值24.00 V 為例,測量10 次得到的數(shù)據(jù),如表3 所示。

根據(jù)試驗的測量結(jié)果,采用統(tǒng)計分析的方法,對測量結(jié)果的不確定度進行分析。由測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量u1采用A 類評定。以算術(shù)平均值表征空載測量數(shù)據(jù)的測量結(jié)果,此項不確定度分量按公式（1）計算。

4.2.2 多用表準確度引入的標準不確定度分量u2

在該試驗當中,需要充分的考慮影響測量結(jié)果的各種因素,由多用表準確度引入的標準不確定度分量u2采用B 類評定。本試驗選用的多用表查得其最大允許誤差為±0.2%,則區(qū)間半寬度為0.2%,設(shè)在區(qū)間內(nèi)呈均勻分布,取包含因子k為,由此得到的不確定度分量u2。

4.2.3 分壓器的非線性引入的標準不確定度分量u3

根據(jù)實測的相關(guān)結(jié)果,由分壓器的非線性引入的標準不確定度分量u3采用B 類評定。分壓器的非線性為不大于±0.3%,設(shè)在區(qū)間內(nèi)呈均勻分布,取包含因子k為,由此得到的不確定度分量u3。

4.2.4 刻度因素引入的標準不確定度分量u4

允許的波動時間范圍內(nèi),會發(fā)生不同程度的擾動,由刻度因素引入的標準不確定度分量u4采用B類評定。刻度因素的非線性為不大于±0.1%,設(shè)在區(qū)間內(nèi)呈均勻分布,取包含因子k為,由此得到的不確定度分量u4。

4.3 合成標準不確定度

以上各分量互相獨立,按公式（2）計算合成標準不確定度uc。

4.4 擴展不確定度

擴展不確定度U按公式（3）計算,取包含因子k=2,測量不確定度的置信概率約為95%。

5 結(jié)束語

磁感應(yīng)開關(guān)具有廣泛的應(yīng)用前景,結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,不需要提供電源,沒有復(fù)雜電路,體積小,工作壽命長。當金屬檢測體接近開關(guān)感應(yīng)區(qū)域時,開關(guān)就能無接觸、無壓力、無火花迅速發(fā)出指令。對感應(yīng)開關(guān)進行準確測量,提升測量范圍和測量能力。對測量結(jié)果的不確定度進行了較為全面的評估,證明了該方法在應(yīng)用當中的可行性。