干簧管的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用

干簧管也稱舌簧管或磁簧開關(guān)，是一種磁敏的特殊開關(guān)，于1936年由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的沃爾特·埃爾伍德發(fā)明?；拘褪绞菍善呕善芊庠诓ＡЧ軆?nèi)，兩片雖重疊，但中間間隔有一小空隙。當(dāng)外來磁場(chǎng)時(shí)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。

干簧管是干簧繼電器和接近開關(guān)的主要部件。它通常有兩個(gè)軟磁性材料做成的、無磁時(shí)斷開的金屬簧片觸點(diǎn)，有的還有第三個(gè)作為常閉觸點(diǎn)的簧片。這些簧片觸點(diǎn)被封裝在充有惰性氣體或真空的玻璃管里，玻璃管內(nèi)平行封裝的簧片端部重疊，并留有一定間隙或相互接觸以構(gòu)成開關(guān)的常開或常閉觸點(diǎn)。

干簧管比一般機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、速度高、工作壽命長(zhǎng)；而與電子開關(guān)相比，它又有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)，工作可靠性很高。

干簧管的結(jié)構(gòu)及工作原理

干簧管的工作原理非常簡(jiǎn)單，兩片端點(diǎn)處重迭的可磁化的簧片(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(gè)微米)，這兩片簧片上的觸點(diǎn)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?dú)?，部份干簧開關(guān)為了提升其高壓性能，更會(huì)把內(nèi)部做成真空狀態(tài)。

干簧片的作用相當(dāng)與一個(gè)磁通導(dǎo)體。在尚未操作時(shí)，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(chǎng)時(shí)，外加的磁場(chǎng)使兩片簧片端點(diǎn)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(shí)，這兩片簧片會(huì)吸合導(dǎo)通電路；當(dāng)磁場(chǎng)減弱或消失后,干簧片由于本身的彈性而釋放，觸面就會(huì)分開從而打開電路。

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

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

Form C (單刀雙擲 (SPDT) 三個(gè)簧片的磁簧開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)。

可切換的簧片，在沒有磁場(chǎng)時(shí)是與常閉片接觸，當(dāng)足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)產(chǎn)生時(shí),該簧片會(huì)移向常開片，而常開片與常閉片都是固定不動(dòng)的。這兩固定片與可擺動(dòng)切換的簧片均為鐵磁片，只是常閉的干簧片觸點(diǎn)表面部份是由非磁性的金屬熔焊于干簧片上的。

置于磁場(chǎng)下時(shí)，兩旁位于常開與常閉的固定片具相同極性，且和可擺動(dòng)簧片極性相反，常閉端的非磁性金屬會(huì)隔離磁通，因此當(dāng)常開端與可擺動(dòng)簧片之間的磁力夠大時(shí), 擺動(dòng)簧片將與常開片接觸閉合。

通常情況下，令干簧開關(guān)的干簧片吸合方式有兩種：1、使用永久性磁鐵； 2、使用外加線圈。

干簧開關(guān)管在磁場(chǎng)下閉合

干簧開關(guān)在永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)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。

干簧開關(guān)管在磁場(chǎng)下閉合

將干簧開關(guān)放置在線圈中心軸位置，磁場(chǎng)在這部份是最強(qiáng)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(gè)永久磁鐵接近干簧開關(guān)時(shí)，此兩片簧片會(huì)被磁化成可相互吸引的不同極性，當(dāng)磁場(chǎng)夠大時(shí)，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(chǎng)退去后，在干簧片上的磁場(chǎng)隨即消失。

干簧管的分類

干簧管按不同的觀點(diǎn)所分類如下：

1、按簧片開關(guān)以對(duì)大氣性分類：

封入型

開放型

2、按接點(diǎn)構(gòu)造分類

A型：屬于經(jīng)常開離型簧片開關(guān)。 在施加外部磁場(chǎng)時(shí)接點(diǎn)才閉合，而在平常時(shí)，保持開離狀態(tài)。

B型：屬于經(jīng)常閉合型簧片開關(guān)。 在施加外部磁場(chǎng)時(shí)接點(diǎn)才開離，而在平常時(shí)，保持閉合狀態(tài)。

C型：轉(zhuǎn)接開關(guān)型。

3、按機(jī)能分類

非自行保持型：具有可依外部磁場(chǎng)之有無而起作用之特征(單穩(wěn)定型)。

自行保持型：一但起作用以后，即使除掉外部磁場(chǎng)，仍可保持原來狀態(tài)(雙穩(wěn)定型)。

4、按形狀分類

大型：玻璃管長(zhǎng)30～60mm，玻璃管徑3.5～6mm。

中型：玻璃管長(zhǎng)20～30mm，玻璃管徑2.5～3.5mm。

小型：玻璃管長(zhǎng)5～20mm，玻璃管徑1.5～2.5mm。

干簧管的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

1、干簧管的優(yōu)點(diǎn)是其體積小、重量輕，這使得它們易于安裝且不顯眼。由于操作開關(guān)體積很小，因而無需復(fù)雜的凸輪或曲柄，所以不會(huì)出現(xiàn)金屬疲勞現(xiàn)象，保證了幾乎無限的使用壽命。并且能夠安裝在有限的空間里，很適合用于微型設(shè)備。 磁簧開關(guān)和合適的磁鐵價(jià)格便宜且容易獲取。干簧管最主要的是一種非接觸式的密封開關(guān)。

2、磁簧開關(guān)的開關(guān)元器件被密封于惰性氣體中，不與外界環(huán)境接觸，這樣就大大減少了接點(diǎn)在開、閉過程中由于接點(diǎn)火花而引起的接點(diǎn)氧化和碳化。并防止外界蒸氣和灰塵等雜質(zhì)對(duì)接點(diǎn)的侵蝕。工作壽命長(zhǎng)。

3、簧片細(xì)而短，有較高的固有頻率，提高了接點(diǎn)的通斷速度，其開關(guān)速度要比一般的電磁繼電器快5~10倍。

缺點(diǎn)

1、首先，觸點(diǎn)和簧片是相當(dāng)小而精致的，所以它們難以承受高壓或大電流。 電流過大時(shí)，簧片會(huì)因過熱失去彈性。即開關(guān)容量小，接點(diǎn)易產(chǎn)生抖動(dòng)以及接點(diǎn)接觸電阻大。

2、干簧管有電壓和電流額定值。 雖然功率W=電壓I*電流U，同樣的功率可能由不同的電壓和電流組合得到。切記不要超過額定電流。例如，10V*1A = 10W，同時(shí)1V*10A=10W，在第二種情況下，電流會(huì)太大。如果您要使用大電流，由繼電器線圈與磁簧開關(guān)組成的繼電器電路是更合適的選擇。

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

4、不適合誤差范圍小的產(chǎn)品設(shè)計(jì)：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。

5、由于磁簧開關(guān)是相當(dāng)脆弱的，如果引出線焊接到較厚器件上，很容易破損玻璃和密封件。 如果你需要彎曲引出線，需要恰當(dāng)選擇引出線的彎曲點(diǎn)。

干簧管與霍爾效應(yīng)傳感器的比較

干簧管與霍爾效應(yīng)傳感器同屬于磁敏元件，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，霍爾傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛。那么在應(yīng)用中，是選擇干簧管還是霍爾效應(yīng)傳感器，我們?cè)诖藢?duì)它們做些比較。

1、霍爾效應(yīng)傳感器一般價(jià)格低，隨著傳感器技術(shù)的不斷提升，當(dāng)前的霍爾效應(yīng)傳感器不再需要昂貴的電源電路供電，如霍尼韋爾的SL353，其內(nèi)部集成了電源電路，工作電壓范圍可以從2.2VDC到5.5VDC，而成本沒有明顯升高。而干簧管不需要外部供電，在磁場(chǎng)的作用下即能實(shí)現(xiàn)吸合與釋放的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

霍爾傳感器需要外部供電，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，霍爾傳感器的功耗也越來越小，如霍尼韋爾的SL353LT，其室溫下平均工作電流僅1.8uA，是電池供電的應(yīng)用理想的選擇。

2、干簧管傳感器無磨損元件，但還是機(jī)電式結(jié)構(gòu)，其工作壽命取決于彈片的彈性，在低負(fù)載時(shí)(在10mA及低于5V或更低時(shí))工作可達(dá)百萬次。而霍爾效應(yīng)傳感器是全電子固態(tài)結(jié)構(gòu)，其工作沒有次數(shù)限制。

3、干簧管傳感器開關(guān)的觸點(diǎn)在導(dǎo)通時(shí)有極低的導(dǎo)通電阻，典型值低到50mΩ，能直接開關(guān)信號(hào)范圍從幾納伏到千伏，電流從微安級(jí)到安培級(jí)。但有一點(diǎn)值得注意的是，干簧管工作電流越高，產(chǎn)生的熱量多，溫度越高，其彈片的彈性下降，其工作與釋放的次數(shù)將急速下降。

所以干簧管雖然能工作上百萬次，其前提是低負(fù)載，其工作于高負(fù)載條件如大電流或高電壓下，是犧牲工作次數(shù)也就是其壽命為代價(jià)的。而霍爾效應(yīng)傳感器采用半導(dǎo)體材料，如果需要驅(qū)動(dòng)大電流系統(tǒng)，還面外置功率放大器，但對(duì)于當(dāng)前大多數(shù)電池供電、低能耗的應(yīng)用來說，霍爾效應(yīng)傳感器也是理想的選擇。

4、干簧管傳感器是密封的，因此它能幾乎工作于任何環(huán)境。對(duì)溫度環(huán)境沒有影響，典型的工作溫度范圍從-50℃到+150℃，無特別附加條件、限制或費(fèi)用。當(dāng)前的霍爾效應(yīng)傳感器工作溫度范圍也有較大改善，如霍尼韋爾的SL353，正常工作范圍是-40℃到+80℃，但是最大額定范圍可以從-40℃到+150℃。

5、干簧管傳感器電氣（金屬）部分是密封于玻璃外殼中，而玻璃外殼易碎。其抗沖擊及震動(dòng)的能力差，在運(yùn)送和加工過程中容易受損，加工損耗大，影響產(chǎn)品及壽命。

當(dāng)安裝到印刷電路板（PCB）上時(shí)必須注意PCB板的變形、以及干簧管本身金屬與玻璃不同的熱膨脹特性，這些因素引起的應(yīng)力可能損傷干簧管的玻璃-金屬密封。

所以在PCB板上安裝干簧管時(shí)，建議形成引線角，并在PCB板與干簧管之間留下適當(dāng)空間。同時(shí)，在焊接特別是手工焊接時(shí)，需注意焊接溫度與焊接時(shí)間等的控制。

6、霍爾傳感器越來越小，如霍尼韋爾的SL353，采用S0T-23的封裝，連引腳在一起，尺寸在2.8*2.9mm范圍內(nèi)，且不需其他的外圍元件。 霍爾傳感器加工時(shí)可以使用SMT技術(shù)，加工成本低，加工過程也不易損壞。

7、干簧管傳感器簧片輕而短，采用的是機(jī)械結(jié)構(gòu)，有固有頻率，不能將干簧管用于比其固有諧振頻率以上的場(chǎng)合。當(dāng)干簧管從30cm以上的高度跌落到硬表面（地面）時(shí)，其電氣特性（啟動(dòng)、釋放等狀態(tài)）可能被改變。而霍爾效應(yīng)傳感器則不會(huì)受到影響，工作更加可靠。

8、干簧管開關(guān)從輸入到輸出有優(yōu)良的絕緣及開關(guān)的絕緣電阻高，其斷開時(shí)漏電流為零，而霍爾傳感器因其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，漏電流通常不為零，不適合應(yīng)用到需要0漏電流的場(chǎng)合。

通過上面的比較，我們可以看出，霍爾效應(yīng)傳感器與干簧管都有各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，它們?cè)诤芏鄳?yīng)用中互換沒有技術(shù)上的障礙。

干簧管的應(yīng)用

磁簧開關(guān)在手機(jī)、程控交換機(jī)、復(fù)印機(jī)、洗衣機(jī)、電冰箱、照相機(jī)、消毒碗柜、門磁、電磁繼電器、電子衡器、液位計(jì)、遠(yuǎn)傳煤氣表水表、IC卡煤氣表水表、電子煤氣表水表中都得到很好的應(yīng)用，電子電路中只要使用自動(dòng)開關(guān)，基本上都可以使用磁簧開關(guān)。

汽車：壓力傳感器，液位傳感器，位置傳感器，電流傳感器，振動(dòng)探測(cè)器，溫度探測(cè)器。

家電產(chǎn)品：水電氣表之計(jì)數(shù)器，電炒鍋電飯鍋之溫度傳感器和位置傳感器，空調(diào)加濕器等。

健康器材：自行車計(jì)速器，跑步器，運(yùn)動(dòng)器材之位置開關(guān)。

玩具：電子玩具之位置開關(guān)控制音樂閃光等效果。

干簧管繼電器用于IC萬用表，控制系統(tǒng)，數(shù)字測(cè)試設(shè)備。安防系統(tǒng)門窗磁，門鎖。

干簧管在汽車行業(yè)的應(yīng)用

干簧管在干簧繼電器中的應(yīng)用

干簧管可應(yīng)用于干簧繼電器。一個(gè)線圈內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)磁簧開關(guān)磁簧繼電器，以得到多對(duì)極點(diǎn)的干簧繼電器。

干簧繼電器工作電流時(shí)使用的是比較低的，并提供高運(yùn)行速度，良好的性能，這是不可靠的切換由傳統(tǒng)的接觸，高可靠性和長(zhǎng)壽命的非常小的電流。 在20世紀(jì)70年代和80年代，以百萬計(jì)的干簧繼電器，用于在電話交流 。

尤其是，它們被用來TXE在英國(guó)家庭的電話交流切換。 簧片觸點(diǎn)周圍的惰性氣氛中確保氧化將不會(huì)影響的接觸電阻。 有時(shí)使用水銀濕簧繼電器，尤其是在高速計(jì)數(shù)電路。

干簧繼電器的優(yōu)點(diǎn)：

(1)體積小，質(zhì)量輕；

(2)簧片輕而短，有固有頻率，可提高接點(diǎn)的通斷速度，通斷的時(shí)間僅為1～3ms，比一般的電磁繼電器快5～10倍；

(3)接點(diǎn)與大氣隔絕，管內(nèi)有稀有氣體，可減少接點(diǎn)的氧化合碳化,并且由于密封，可防止外界有機(jī)蒸氣和塵埃雜質(zhì)對(duì)接點(diǎn)的侵蝕。

干簧管在油位傳感器中的應(yīng)用

干簧管是各種車用油箱油位傳感器的極好替代品，油（液）位傳感器共分兩類：一類是用滑動(dòng)電位器為基本檢測(cè)元件，它是由浮子帶動(dòng)電位器，再用歐姆表檢測(cè)其阻值，從而達(dá)到顯示油位的目的，但當(dāng)油垢覆蓋電位器后，其阻值會(huì)發(fā)生變化，造成誤差太大，甚至不能使用，此類油箱傳感器成為壽命很短的易損件。

另一類是用電感線圈為基本檢測(cè)元件。它是用浮子帶動(dòng)電感線圈，改變震當(dāng)電路的震蕩頻率，再通過頻率計(jì)檢測(cè)其頻率來測(cè)定油（液）位。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試麻煩，成本高，價(jià)格貴，不能被廣泛使用。所以，利用干簧管壽命長(zhǎng)、動(dòng)作安全可靠、無火花等特性生產(chǎn)的液位傳感器,是現(xiàn)用各種車用油箱油位傳感器的極好替代品。

干簧管在磁性傳感器中的應(yīng)用

干簧管除了應(yīng)用于干簧繼電器和傳感器外，干簧管（磁簧開關(guān)）被廣泛用于電路控制，尤其是在通信領(lǐng)域。磁簧開關(guān)磁鐵驅(qū)動(dòng)中常用的機(jī)械系統(tǒng)， 接近傳感器 。 例子是門和窗傳感器在防盜報(bào)警系統(tǒng)和防篡改方法。

筆記本電腦使用磁簧開關(guān)，把筆記本電腦的睡眠/休眠模式，當(dāng)蓋子被關(guān)閉。自行車車輪和汽車齒輪的轉(zhuǎn)速傳感器使用磁簧開關(guān)，簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)每個(gè)車輪上的磁鐵時(shí)通過傳感器。

以前用于磁簧開關(guān)在計(jì)算機(jī)終端，其中每個(gè)鍵有一個(gè)磁鐵，通過按壓鍵致動(dòng)的簧片開關(guān)的鍵盤；正在使用更便宜的開關(guān)。 電氣和電子踏板鍵盤所使用的管風(fēng)琴 ， 電子琴玩家經(jīng)常使用磁簧開關(guān)，接觸的玻璃外殼，保護(hù)其不受污垢，灰塵，和其他微粒。

它們也可能被用于控制潛水設(shè)備如手電筒或相機(jī)，它必須被密封，以保持加壓水。

干簧管在高危環(huán)境中的應(yīng)用

干簧管可以為高真空式或惰性氣體填充式，干簧管將控制電路通斷時(shí)觸點(diǎn)產(chǎn)生的火花封閉在管身內(nèi)，使其完全與爆炸性氣體和煤塵隔絕，達(dá)到防止爆炸、提高安全系數(shù)的目的。

干簧管的玻璃管內(nèi)裝有兩根強(qiáng)磁性簧片，將此置于管內(nèi)一端使之以一定間隙彼此相對(duì)。玻璃管內(nèi)封入惰性氣體，同時(shí)觸點(diǎn)部位鍍銠或銥，以防止觸點(diǎn)的活性化。干簧管利用線圈或永磁體，為簧片誘導(dǎo)出N極和S極，后因這種磁性的吸引力而開始吸合。

當(dāng)解除磁場(chǎng)時(shí)，由于簧片所具有的彈性，觸點(diǎn)即刻恢復(fù)原狀并打開電路。隔爆型干簧管按鈕和開關(guān)適用于含有爆炸性氣體和煤塵的礦井，以及含有爆炸性氣體的工廠、船舶等危險(xiǎn)場(chǎng)所，用做本質(zhì)安全型控制電路和非本質(zhì)安全型控制電路的控制之用