基于多用表磁感应开关测量方法研究

杨 静吴春婵郝志坤马 敏王丽娟

(北京航天计量测试技术研究所,北京 100076)

1 引言

磁感应开关是一种无触点开关,用途广泛,主要用于提升机、电梯等控制系统当中。为了保证其运行的安全性以及停位准确,需要对其进行调整和测量。测量的准确性是保证磁感应开关可靠应用的前提和基础,根据磁感应开关的原理及应用,研究其测量方法并对测量方法的不确定度进行了评定。

2 磁感应开关工作原理

2.1 磁感应开关的结构

磁感应开关是一种基于磁铁感应的可控制开关,常见的磁感应开关主要由永磁铁氧体、橡胶磁、烧结钕铁硼等多种材料制成。其基本构成一般包括基板、电磁感应按键开关和电路控制单元三个部分。磁感应开关从类型上主要分为霍尔型和干簧管两种。

（1）霍尔型磁感应开关。霍尔型开关的外形,一般是螺纹圆柱形,也有部分是方形,外壳材料为金属。主要由稳压电路A、霍尔元件B、放大器C、整形电路D 和开路输出E 五个部分组成,如图1 所示。稳压电路可以保证传感器在较宽的电源电压范围内工作,而开路输出则可以保证传感器方便地与各种逻辑电路接口相联[1,3]。

图1 霍尔开关结构图Fig.1 Structure diagram of Hall switch

（2）干簧管磁感应开关。干簧管是一类有触点的无源电子开关,结构简单,体积小,且便于控制。外壳当中,一般存在密封的玻璃管,在管中有两个铁质弹簧片电极,电极端面触点镀有一层贵金属铑或钌,使开关性能稳定并延长使用寿命。

2.2 磁感应开关的工作原理

磁感应开关是一种基于电磁感应应用的开关类型,以霍尔型磁感应开关为例,如图1 所示。输入端电压Vcc,经A 稳压后加在B 的两端,以提供恒定不变的电流,在垂直于霍尔元件的感应面方向施加磁场,产生霍尔电势差该信号经C 放大送到D 进行整形,当磁场达到工作点时,D 输出高电压,使E 导通,输出端输出低电位V0L,此状态为“开”,当施加的磁场达到释放点时,D 输出低电压,使E 截止,输出高电位V0H,此状态为“关”[2]。当一块通有电流的金属或者是半导体薄片垂直的放置到电磁场中,在薄片的两端,会产生电位差,这种现象被称之为霍尔效应。而霍尔开关或者大部分的磁感应开关,都是基于这一原理制作的。磁感应开关是一个单稳态的触发器,有常开型（NPN）、常闭型（PNP）和锁存型几种,当磁感应强度值达到一定程度,开关的内部触发器就会出现翻转的情况,此时,开关内的输出电平也会随之出现翻转。

3 磁感应开关的电气性能测量

3.1 磁感应开关的使用

3.1.1 磁感应开关的接线

磁感应开关有两线制和三线制区别,如图2 和图3 所示。此两种开关接线的电压区别很大,一般两线制的电压比三线制的电压要高出很多,所以在使用时,要特别注意负载最小的开启电压,从而保证开关不会出现短路或是损坏的情况。两线制开关一般能够感应到金属或者部分非金属的接近,原理就是霍尔效应。三线制开关有两个输出端,一个常闭（PNP）,另一个常开（NPN）。当有物体接近的时候,会触发不同的状态。在接线时,两线制和三线制有所区别,两线比较简单,需要负载串联,将开关接入到电源上即可;三线开关,要区分颜色,红（棕）线接标准源正端,蓝线接标准源负端及数字表负端,黄（黑）线为信号接负载,对于NPN 型磁感应开关,应接到电源正端;对于PNP 型磁感应开关,则接到标准源负端,回路完整[4]。

图2 两线制开关的连线图Fig.2 Connection of two wire switch

3.1.2 磁感应开关的判断

常用的磁感应开关接通判断方法有:

（1）声音判断。在接通启动开关后,如果出现了明显的“叭”的响声,则证明磁感应开关可以有效的连接在一起。如果声音很弱,则说明开关内部存在故障,一般是短路或者断路。

（2）试灯评判。当磁感应开关靠近磁铁,如果有发光,则磁感应开关有效连接;如果没有,则表明开关接触不良,此时需要调整弹簧拉力或者是调节螺旋长短或者调整距离。

3.2 磁感应开关的测量

本研究选用德国TRUCR 生产的BIM-PSTAP6X6m 开关进行磁感应开关测量。测量电压的选择范围为DC10 V～30 V 之间。首先,在不加负载的情况下进行测试,空载电流小于15 mA;其次,在加入负载（灯泡或者是继电器）的情况下进行测试,电流不大于200 mA。

使用多用表进行测量,判断磁感应开关的有效性。多用表的电阻档为R×10k,接线方式如图4 所示。如果有磁体靠近的时候,就会被感应到,如果此时磁感应开关处于正常状态,那么多用表指针就会出现大幅向右偏转,说明磁感应开关处于正常状态。如果磁感应开关的工作电压为DC24 V,而多用表的电压较小,则磁感应开关出现感应动作时,其指示灯不一定会发亮,如图5 所示。

图4 多用表的接线方式Fig.4 Connection mode of multi-purpose meter

图5 磁感应开关通电检测的接线方式Fig.5 Connection mode of magnetic induction switch power-on detection

使用负载通电检测的时候,需要将直流稳压电源输出电压调整到磁感应开关的工作电压,当磁体靠近被感应的时候,磁开关动作,则测试线路上的测试灯等会出现发光的情况。同时磁感应开关的指示灯也会点亮。

测量时需要注意负载工作电流不要超过磁感应开关的最大工作电流,否则会导致器件的损坏。对于直流电源磁感应开关,要避免将工作电源的“ +”和“-”接错,否则也容易引起器件的损坏。

基于多用表的磁感应开关测量方法如图6 和图7 所示。磁感应开关BIM-PST-AP6X6m 在与磁铁相接触时,回路导通,输入DC10 V～30 V,输出导通DC10 V～30 V。空载电流要求小于15 mA,通常在1 mA 以下数值平稳;加载电流要求小于200 mA,电流随电压升高连续递增。

图6 负载测量原理框图Fig.6 Schematic diagram of load measurement

图7 空载测量原理图Fig.7 Schematic diagram of no-load measurement

3.3 试验结果分析

试验结果数据如表1 和表2 所示。

表1 空载测量数据Tab.1 No-load measurement data

表2 负载测量数据（R=243 Ω）Tab.2 Load measurement data（R=243 Ω）

测量数据表明,在测量过程中,无论是电源电压还是空载电流或者是负载电流,都出现不同程度的波动;其中,接通示值递增,空载电流稳定;连续负载时电流递增,磁感应开关的电气性能符合要求。

4 测量不确定度的评定

4.1 测量模型

式中:Δ——测量误差;U0——多功能标准源输出标准电压值,V;U1——指针表电压示值,V。

4.2 不确定度主要来源有[5，6]：

（1）测量结果的重复性引入的标准不确定度分量u1;

（2）多用表准确度引入的标准不确定度分量u2;

（3）分压器的非线性引入的标准不确定度分量u3;

（4）刻度因素引入的标准不确定度分量分量u4。

4.2.1 测量结果的重复性引入的标准不确定度分量u1

以空载测量数据,电源电压输入值24.00 V 为例,测量10 次得到的数据,如表3 所示。

根据试验的测量结果,采用统计分析的方法,对测量结果的不确定度进行分析。由测量重复性引入的标准不确定度分量u1采用A 类评定。以算术平均值表征空载测量数据的测量结果,此项不确定度分量按公式（1）计算。

4.2.2 多用表准确度引入的标准不确定度分量u2

在该试验当中,需要充分的考虑影响测量结果的各种因素,由多用表准确度引入的标准不确定度分量u2采用B 类评定。本试验选用的多用表查得其最大允许误差为±0.2%,则区间半宽度为0.2%,设在区间内呈均匀分布,取包含因子k为,由此得到的不确定度分量u2。

4.2.3 分压器的非线性引入的标准不确定度分量u3

根据实测的相关结果,由分压器的非线性引入的标准不确定度分量u3采用B 类评定。分压器的非线性为不大于±0.3%,设在区间内呈均匀分布,取包含因子k为,由此得到的不确定度分量u3。

4.2.4 刻度因素引入的标准不确定度分量u4

允许的波动时间范围内,会发生不同程度的扰动,由刻度因素引入的标准不确定度分量u4采用B类评定。刻度因素的非线性为不大于±0.1%,设在区间内呈均匀分布,取包含因子k为,由此得到的不确定度分量u4。

4.3 合成标准不确定度

以上各分量互相独立,按公式（2）计算合成标准不确定度uc。

4.4 扩展不确定度

扩展不确定度U按公式（3）计算,取包含因子k=2,测量不确定度的置信概率约为95%。

5 结束语

磁感应开关具有广泛的应用前景,结构简单、使用方便,不需要提供电源,没有复杂电路,体积小,工作寿命长。当金属检测体接近开关感应区域时,开关就能无接触、无压力、无火花迅速发出指令。对感应开关进行准确测量,提升测量范围和测量能力。对测量结果的不确定度进行了较为全面的评估,证明了该方法在应用当中的可行性。