[科普中國]-磁簧開關(guān)

磁簧開關(guān)(Reed Switch)也稱之為干簧管，它是一個通過所施加的磁場操作的電開關(guān)。

定義1936年，貝爾電話實驗室的沃爾特.埃爾伍德（Walter B. Ellwood）發(fā)明了磁簧開關(guān)，并于1940年6月27日在美國申請專利，專利號為2264746 。

基本型式是將兩片磁簧片密封在玻璃管內(nèi)，兩片雖重疊，但中間間隔有一小空隙。當(dāng)外來磁場時將使兩片磁簧片接觸，進(jìn)而導(dǎo)通。 一旦磁體被拉到遠(yuǎn)離開關(guān)，磁簧開關(guān)將返回到其原來的位置1。

磁簧開關(guān)的結(jié)構(gòu)磁簧開關(guān)是由兩片磁簧片(通常由鐵和鎳這兩種金屬所組成的) 密封在玻璃管內(nèi)。 兩片磁簧片呈重迭狀況但中間間隔有一小空隙，外來適當(dāng)?shù)拇艌鰧箖善呕善佑|。

這兩片簧片上的觸點鍍有層很硬的金屬，通常都是銠和釕，這層硬金屬大大提升了切換次數(shù)的壽命。玻璃管內(nèi)通常注入了氮氣或一些相等的惰性氣體，而部份磁簧開關(guān)為了提升切換電壓的性能，更會把內(nèi)部做成真空狀態(tài)。

原理磁簧開關(guān)的工作原理非常簡單，兩片端點處重疊的可磁化的簧片(通常由鐵和鎳這兩種金屬所組成的)密封于一玻璃管中，兩簧片呈交迭狀且間隔有一小段空隙(僅約幾個微米)，這兩片簧片上的觸點上鍍有層很硬的金屬，通常都是銠和釕，這層硬金屬大大提升了切換次數(shù)及產(chǎn)品壽命。玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體(如氮氣)，部份干簧開關(guān)為了提升其高壓性能，更會把內(nèi)部做成真空狀態(tài)。

簧片的作用相當(dāng)與一個磁通導(dǎo)體。在尚未操作時，兩片簧片并未接觸；在通過永久磁鐵或電磁線圈產(chǎn)生的磁場時，外加的磁場使兩片簧片端點位置附近產(chǎn)生不同的極性, 當(dāng)磁力超過簧片本身的彈力時，這兩片簧片會吸合導(dǎo)通電路；當(dāng)磁場減弱或消失后,干簧片由于本身的彈性而釋放，觸面就會分開從而打開電路。

基本的全密封形態(tài) Form A ( 常開 ) 干簧開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)與組件

上圖描述的是Form A (常開 (N.O.)或單刀單擲 (SPST) 干簧開關(guān)。 Form B 是代表一個常閉開關(guān)，F(xiàn)orm C (單向雙擲(SPDT))是代表一個開關(guān)帶有一個共用簧片，一個常開片和一個常閉片(見下圖)。

Form C (單刀雙擲 (SPDT) 三個簧片的干簧開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)

可切換的簧片，在沒有磁場時是與常閉片接觸，當(dāng)足夠強度的磁場產(chǎn)生時,該簧片會移向常開片，而常開片與常閉片都是固定不動的。這兩固定片與可擺動切換的簧片均為鐵磁片，只是常閉的干簧片觸點表面部份是由非磁性的金屬熔焊于干簧片上的。置于磁場下時，兩旁位于常開與常閉的固定片具相同極性，且和可擺動簧片極性相反，常閉端的非磁性金屬會隔離磁通，因此當(dāng)常開端與可擺動簧片之間的磁力夠大時, 擺動簧片將與常開片接觸閉合。

通常有兩種方式可以令磁簧開關(guān)的干簧片吸合：

使用永久性磁鐵 如下圖所示，干簧開關(guān)在永久磁鐵產(chǎn)生的磁場下之基本操作情況，兩簧片呈相反極性而在兩簧片間產(chǎn)生足夠的吸力而互相接觸

使用外加線圈

如右圖所示：將磁簧開關(guān)放置在線圈中心軸位置，磁場在這部份是最強的兩干簧片呈相反極性，在兩簧片間產(chǎn)生足夠的吸力而互相接觸。當(dāng)有一個永久 磁鐵接近干簧開關(guān)時，此兩片簧片會被磁化成可相互吸引的不同極性，當(dāng)磁場夠大時，可讓兩簧片間產(chǎn)生足夠的吸引力而互相接觸。干簧片都是經(jīng)過回火處理的，以 便消除剩磁，所以當(dāng)磁場退去后，在干簧片上的磁場隨即消失。如果有任何殘留的磁力存在于干簧片上，干簧開關(guān)的特性就會改變，在制造過程中，適當(dāng)?shù)闹瞥毯屯?火處理是非常重要的。

根據(jù)磁簧開關(guān)這種特性，磁簧開關(guān)可做成非常小尺寸體積的切換組件，并且切換速度非?？焖?、且具有非常優(yōu)異的信賴性。永久磁鐵的方位和方向確定何時以及多少次開關(guān)打開和關(guān)閉2。

特點優(yōu)點觸點與惰性氣體一起密封在玻璃管內(nèi)，不會受到外部氣氛的影響。

動作回答速度迅速。

動作系統(tǒng)和電路都位于相同的軸上，適宜使用于高頻率傳輸?shù)膽?yīng)用產(chǎn)品。

小型，重量輕。

觸點具有優(yōu)越的耐蝕性和耐磨損性，使用壽命長，可獲得穩(wěn)定的開關(guān)動作。

與永久磁鐵組合，就能經(jīng)濟簡易地構(gòu)成非接觸式開關(guān)。

缺點磁簧開關(guān)觸點和簧片是相當(dāng)小而精致的，不適合處理大的電壓或電流導(dǎo)致的簧片引發(fā)切換。 磁簧開關(guān)提供開關(guān)典型的電壓和電流額定值。 僅在操作的繼電器線圈與磁簧開關(guān)的繼電器電路切換高電流才是必要的。

故障排查工序多。故障干簧管需要用專用儀器（如AT值測試器、絕緣耐壓測試器、內(nèi)阻測試器等）檢測。

不適合誤差范圍小的產(chǎn)品設(shè)計中：AT值范圍大，從成本角度考慮不能保證批量產(chǎn)品的AT值都相同，并且配套磁石也不盡相同。

磁簧開關(guān)加工損耗大。磁簧開關(guān)采玻璃封裝，在運送和加工過程中容易受損，影響產(chǎn)品及壽命。

構(gòu)建簧片觸點良好的電氣連接是通過對兩個簧片的接觸部分進(jìn)行鍍一層很厚的非磁性貴金屬來實現(xiàn)的，低電阻率的銀比耐腐蝕的金更適合做為鍍層材料.同樣也有使用水銀的濕簧管，濕簧管的觸點必須成對安裝使用。

磁簧開關(guān)簧片觸點構(gòu)造

兩個簧導(dǎo)線制成鎳/鐵（鎳鐵）合金（52%的鎳）。

受影響的，通過磁場的磁簧引線必須是鐵磁性的。

三種最流行的材料性質(zhì)，容易退火的鐵磁性：鐵，鈷和鎳。

兩個簧片觸點的尖端是鍍或濺射銠，釕或銥。

觸點材料

銠觸點
鍍銠觸點最常使用。這種觸點從低負(fù)荷至重負(fù)荷具有非常穩(wěn)定的工作特性和很長的工作壽命，這是因為銠具有高熔點及高硬度的性能。

水銀接點
水銀接點磁簧開關(guān)具有無跳動操作特點，因此不需要額外的抑制跳動電路。它們具有大功率開關(guān)能力、很低且穩(wěn)定的接觸阻抗特性以及工作壽命長的特點。他們亦可以用于高浪涌電流的開關(guān)。

釕觸點
釕的硬度比銠更高。鍍銠觸點具有較好的機械磨損及熱損耗特性，但僅用于小負(fù)載的開關(guān)。因為釕的這些特點，華壬電子已成功開發(fā)了氧化釕覆蓋于銠或者鉑上面的雙鍍觸點。這些雙鍍觸點自低負(fù)荷至重負(fù)荷均具有極良好的開關(guān)特性。

玻璃密封性用于玻璃管的外封裝，其溫度膨脹系數(shù)（TCE）完全匹配的NiFe合金。

在玻璃管的兩端部被加熱和玻璃熔化，形成氣密密封涵蓋兩端。

在玻璃封接過程中玻璃腔通常是填充有惰性氣體（通常為氮氣）或腔體，可能會產(chǎn)生真空，抽真空。 該真空通常支持高電壓開關(guān) （超過1000伏特）3。

工作特性**吸合（PI）**是打開磁簧開關(guān)接觸點

斷開（Do） 磁簧開關(guān)接觸點斷開點

大多數(shù)公司測量安培匝（AT）的簧片開關(guān)，也有公司使用毫特斯拉（mT）作為磁測量單位。

磁鐵激勵形式激勵磁簧開關(guān)最常用的方法是用一塊磁鐵。典型的激勵形式示于下面圖中：

水平激勵

垂直激勵

橫向激勵

旋轉(zhuǎn)激勵

選擇一般來說，用于磁簧開關(guān)（干簧管）的磁鐵選擇需要考慮不同的應(yīng)用因素，如工作溫度、退磁效應(yīng)、磁場強度、環(huán)境特性、運動以及用途等。

NdFeB 釹鐵硼

最高能源產(chǎn)品

非常高remanance矯頑力

價格相對較低

機械強度比釤鈷

某些級別可使用至200°C

不建議在氫氣

粘結(jié)方式可機械加工，但并非螺紋

SmCo 釤鈷

高磁能積

適合高性能應(yīng)用

高抗退磁

優(yōu)良的熱穩(wěn)定性

高耐腐蝕性

最昂貴的磁鐵

最多可以使用到300°C

易切削-不應(yīng)該作為一個結(jié)構(gòu)

AlNiCo 鋁鎳鈷

比稀土磁鐵便宜

最高工作溫度為550℃

最低溫度系數(shù)

相對于其他類型低矯頑力

高感應(yīng)水平

Ferrites 鐵氧體

脆

熱穩(wěn)定性差

最便宜所有類型

最多可以使用到300°C

需要研磨，以滿足嚴(yán)格的公差

高耐腐蝕性

性能磁簧開關(guān)是一項獨特的技術(shù)，全密封的特性使得它可以在幾乎所有環(huán)境下使用。磁簧開關(guān)的結(jié)構(gòu)雖然簡單但是其制作加工過程中卻包含了多項工藝。這些年來，磁簧開關(guān)的尺寸已經(jīng)由大約50毫米 (2寸) 發(fā)展到細(xì)如6毫米 (0.24寸)，這些小的尺寸的出現(xiàn)使它能應(yīng)用到更多領(lǐng)域中，尤其滿足了射頻和快速時域的需求。

磁簧開關(guān)的性能如下：

能夠切換高達(dá)10,000 伏

能夠切換高達(dá) 5安培

能夠切換或者負(fù)載低至 10nanoVolts（納伏）而沒有信號損失

能夠切換或者負(fù)載低至1femptoAmps(毫微微安)而沒有信號損失

能夠切換或者負(fù)載高達(dá) 6 GigaHertz(十億赫茲)而只有少量的信號損失

觸點間絕緣為 10 Ω

接觸電阻通常為50 milliOhms（毫歐）(mΩ)

在常開的情況下無需耗費任何能源或電力能夠提供雙穩(wěn)態(tài)功能

操作時間范圍100μs至300μs

能在從-55°C至200°C的極端的溫度范圍下使用

能夠于各種環(huán)境下操作。包括空氣中，水中，真空中，油中，燃料中和含塵環(huán)境

能夠承受高達(dá)200Gs 撞擊力

在 高 達(dá) 3 0 G s （ 高 斯 ） 的 磁 感 應(yīng) 強 度 下 能 承 受50Hz至2000Hz的震蕩

使用壽命長，在 5 伏 10毫安工作條件下，可以操作達(dá)十億次

應(yīng)用磁簧開關(guān)在家電、汽車、通訊、工業(yè)、醫(yī)療、安防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。簡單說明一下磁簧開關(guān)在磁簧繼電器和干簧傳感器的應(yīng)用。

磁簧繼電器放置一個線圈周圍的磁簧開關(guān)，使電流通過的線圈相當(dāng)于一個永久磁鐵產(chǎn)生的磁場。

交換機周圍放置一個同軸屏蔽，使高頻信號被切換到20GHz。

因為干簧開關(guān)無易損件，觸點可切換低電平信號。

干簧繼電器被廣泛用于整個測試測量領(lǐng)域。

測試系統(tǒng)，矩陣，RF，調(diào)制解調(diào)器，報警器，非常適合用于磁簧繼電器：
1、高循環(huán)計數(shù)
2、高電壓應(yīng)用
3、低電流，低電壓開關(guān)

干簧傳感器使用磁簧開關(guān)， 干簧傳感器可以感知各類機芯采用永久磁鐵。

干簧開關(guān)在開啟狀態(tài)下汲取電流為零，這使他們在節(jié)能設(shè)備應(yīng)用中成為理想的選擇。

即使當(dāng)空氣、塑料和金屬分離，磁體是可應(yīng)用的

磁鐵和磁簧開關(guān)一般分為物理外罩或其他障礙物隔開。

干簧傳感器用于檢測運動，計數(shù)，檢測液面高度，液位測量，開關(guān)惡劣的環(huán)境下，植入設(shè)備等3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)