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磁簧开关
磁簧开关(Reed Switch)也称之为乾簧管，它是一个通过所施加的磁场操作的电开关。
基本介绍
- 中文名：磁簧开关
- 外文名：Reed Switch
- 专利号：2264746
- 别称：乾簧管
- 套用：家电、汽车、通讯、工业、医疗
定义
1936年，贝尔电话实验室的沃尔特.埃尔伍德（Walter B. Ellwood）发明了磁簧开关，并于1940年6月27日在美国申请专利，专利号为2264746 。
磁簧开关
磁簧开关基本型式是将两片磁簧片密封在玻璃管内，两片虽重叠，但中间间隔有一小空隙。当外来磁场时将使两片磁簧片接触，进而导通。 一旦磁体被拉到远离开关，磁簧开关将返回到其原来的位置。
磁簧开关的结构
磁簧开关是由两片磁簧片(通常由铁和镍这两种金属所组成的) 密封在玻璃管内。 两片磁簧片呈重迭状况但中间间隔有一小空隙，外来适当的磁场将会使两片磁簧片接触。
这两片簧片上的触点镀有层很硬的金属，通常都是铑和钌，这层硬金属大大提升了切换次数的寿命。玻璃管内通常注入了氮气或一些相等的惰性气体，而部份磁簧开关为了提升切换电压的性能，更会把内部做成真空状态。
原理
磁簧开关的工作原理非常简单，两片端点处重叠的可磁化的簧片(通常由铁和镍这两种金属所组成的)密封于一玻璃管中，两簧片呈交迭状且间隔有一小段空隙(仅约几个微米)，这两片簧片上的触点上镀有层很硬的金属，通常都是铑和钌，这层硬金属大大提升了切换次数及产品寿命。玻璃管中装填有高纯度的惰性气体(如氮气)，部份乾簧开关为了提升其高压性能，更会把内部做成真空状态。
簧片的作用相当与一个磁通导体。在尚未操作时，两片簧片并未接触；在通过永久磁铁或电磁线圈产生的磁场时，外加的磁场使两片簧片端点位置附近产生不同的极性, 当磁力超过簧片本身的弹力时，这两片簧片会吸合导通电路；当磁场减弱或消失后,乾簧片由于本身的弹性而释放，触面就会分开从而打开电路。
Form A ( 常开 ) 磁簧开关的基本结构与组件基本的全密封形态 Form A ( 常开 ) 乾簧开关的基本结构与组件
上图描述的是Form A (常开 (N.O.)或单刀单掷 (SPST) 乾簧开关。 Form B 是代表一个常闭开关，Form C (单向双掷(SPDT))是代表一个开关带有一个共用簧片，一个常开片和一个常闭片(见下图)。
Form C (单刀双掷 (SPDT) 三个簧片的乾簧开关的基本结构
Form C (单刀双掷 )三簧片磁簧开关结构
Form C (单刀双掷 )三簧片磁簧开关结构可切换的簧片，在没有磁场时是与常闭片接触，当足够强度的磁场产生时,该簧片会移向常开片，而常开片与常闭片都是固定不动的。这两固定片与可摆动切换的簧片均为铁磁片，只是常闭的乾簧片触点表面部份是由非磁性的金属熔焊于乾簧片上的。置于磁场下时，两旁位于常开与常闭的固定片具相同极性，且和可摆动簧片极性相反，常闭端的非磁性金属会隔离磁通，因此当常开端与可摆动簧片之间的磁力够大时, 摆动簧片将与常开片接触闭合。
通常有两种方式可以令磁簧开关的乾簧片吸合：
- 使用永久性磁铁
如下图所示，乾簧开关在永久磁铁产生的磁场下之基本操作情况，两簧片呈相反极性而在两簧片间产生足够的吸力而互相接触
乾簧管原理1- 使用外加线圈
如右图所示：将磁簧开关放置线上圈中心轴位置，磁场在这部份是最强的两乾簧片呈相反极性，在两簧片间产生足够的吸力而互相接触。当有一个永久 磁铁接近乾簧开关时，此两片簧片会被磁化成可相互吸引的不同极性，当磁场够大时，可让两簧片间产生足够的吸引力而互相接触。乾簧片都是经过回火处理的，以 便消除剩磁，所以当磁场退去后，在乾簧片上的磁场随即消失。如果有任何残留的磁力存在于乾簧片上，乾簧开关的特性就会改变，在製造过程中，适当的製程和退 火处理是非常重要的。
乾簧管原理2
乾簧管原理2根据磁簧开关这种特性，磁簧开关可做成非常小尺寸体积的切换组件，并且切换速度非常快速、且具有非常优异的信赖性。永久磁铁的方位和方向确定何时以及多少次开关打开和关闭。
特点
优点
- 触点与惰性气体一起密封在玻璃管内，不会受到外部气氛的影响。
- 动作回答速度迅速。
- 动作系统和电路都位于相同的轴上，适宜使用于高频率传输的套用产品。
- 小型，重量轻。
- 触点具有优越的耐蚀性和耐磨损性，使用寿命长，可获得稳定的开关动作。
- 与永久磁铁组合，就能经济简易地构成非接触式开关。
缺点
- 磁簧开关触点和簧片是相当小而精緻的，不适合处理大的电压或电流导致的簧片引发切换。 磁簧开关提供开关典型的电压和电流额定值。 仅在操作的继电器线圈与磁簧开关的继电器电路切换高电流才是必要的。
- 故障排查工序多。故障乾簧管需要用专用仪器（如AT值测试器、绝缘耐压测试器、内阻测试器等）检测。
- 不适合误差範围小的产品设计中：AT值範围大，从成本角度考虑不能保证批量产品的AT值都相同，并且配套磁石也不尽相同。
- 磁簧开关加工损耗大。磁簧开关采玻璃封装，在运送和加工过程中容易受损，影响产品及寿命。
构建
簧片触点
良好的电气连线是通过对两个簧片的接触部分进行镀一层很厚的非磁性贵金属来实现的，低电阻率的银比耐腐蚀的金更适合做为镀层材料.同样也有使用水银的湿簧管，湿簧管的触点必须成对安装使用。
磁簧开关簧片触点构造
- 两个簧导线製成镍/铁（镍铁）合金（52%的镍）。
- 受影响的，通过磁场的磁簧引线必须是铁磁性的。
- 三种最流行的材料性质，容易退火的铁磁性：铁，钴和镍。
- 两个簧片触点的尖端是镀或溅射铑，钌或铱。
乾簧管簧片触点构造触点材料
- 铑触点
镀铑触点最常使用。这种触点从低负荷至重负荷具有非常稳定的工作特性和很长的工作寿命，这是因为铑具有高熔点及高硬度的性能。 - 水银接点
水银接点磁簧开关具有无跳动操作特点，因此不需要额外的抑制跳动电路。它们具有大功率开关能力、很低且稳定的接触阻抗特性以及工作寿命长的特点。他们亦可以用于高浪涌电流的开关。 - 钌触点
钌的硬度比铑更高。镀铑触点具有较好的机械磨损及热损耗特性，但仅用于小负载的开关。因为钌的这些特点，华壬电子已成功开发了氧化钌覆盖于铑或者铂上面的双镀触点。这些双镀触点自低负荷至重负荷均具有极良好的开关特性。
玻璃密封性
- 用于玻璃管的外封装，其温度膨胀係数（TCE）完全匹配的NiFe合金。
- 在玻璃管的两端部被加热和玻璃熔化，形成气密密封涵盖两端。
- 在玻璃封接过程中玻璃腔通常是填充有惰性气体（通常为氮气）或腔体，可能会产生真空，抽真空。 该真空通常支持高电压开关 （超过1000伏特）。
乾簧管玻璃密封性工作特性
- 吸合（PI）是打开磁簧开关接触点
- 断开（Do） 磁簧开关接触点断开点
- 大多数公司测量安培匝（AT）的簧片开关，也有公司使用毫特斯拉（mT）作为磁测量单位。
磁铁
激励形式
激励磁簧开关最常用的方法是用一块磁铁。典型的激励形式示于下面图中：
- 水平激励
磁簧开关水平激励- 垂直激励
磁簧开关垂直激励- 横向激励
磁簧开关横向激励- 旋转激励
磁簧开关旋转激励选择
一般来说，用于磁簧开关（乾簧管）的磁铁选择需要考虑不同的套用因素，如工作温度、退磁效应、磁场强度、环境特性、运动以及用途等。
NdFeB 钕铁硼
- 最高能源产品
- 非常高remanance矫顽力
- 价格相对较低
- 机械强度比钐钴
- 某些级别可使用至200°C
- 不建议在氢气
- 粘结方式可机械加工，但并非螺纹
SmCo 钐钴
- 高磁能积
- 适合高性能套用
- 高抗退磁
- 优良的热稳定性
- 高耐腐蚀性
- 最昂贵的磁铁
- 最多可以使用到300°C
- 易切削-不应该作为一个结构
AlNiCo 铝镍钴
- 比稀土磁铁便宜
- 最高工作温度为550℃
- 最低温度係数
- 相对于其他类型低矫顽力
- 高感应水平
Ferrites 铁氧体
- 脆
- 热稳定性差
- 最便宜所有类型
- 最多可以使用到300°C
- 需要研磨，以满足严格的公差
- 高耐腐蚀性
性能
磁簧开关是一项独特的技术，全密封的特性使得它可以在几乎所有环境下使用。磁簧开关的结构虽然简单但是其製作加工过程中却包含了多项工艺。这些年来，磁簧开关的尺寸已经由大约50毫米 (2寸) 发展到细如6毫米 (0.24寸)，这些小的尺寸的出现使它能套用到更多领域中，尤其满足了射频和快速时域的需求。
磁簧开关的性能如下：
- 能够切换高达10,000 伏
- 能够切换高达 5安培
- 能够切换或者负载低至 10nanoVolts（纳伏）而没有信号损失
- 能够切换或者负载低至1femptoAmps(毫微微安)而没有信号损失
- 能够切换或者负载高达 6 GigaHertz(十亿赫兹)而只有少量的信号损失
- 触点间绝缘为 10 Ω
- 接触电阻通常为50 milliOhms（毫欧）(mΩ)
- 在常开的情况下无需耗费任何能源或电力能够提供双稳态功能
- 操作时间範围100μs至300μs
- 能在从-55°C至200°C的极端的温度範围下使用
- 能够于各种环境下操作。包括空气中，水中，真空中，油中，燃料中和含尘环境
- 能够承受高达200Gs 撞击力
- 在 高 达 3 0 G s （ 高 斯 ） 的 磁 感 应 强 度 下 能 承 受50Hz至2000Hz的震荡
- 使用寿命长，在 5 伏 10毫安工作条件下，可以操作达十亿次
套用
磁簧开关在家电、汽车、通讯、工业、医疗、安防等领域得到了广泛的套用。简单说明一下磁簧开关在磁簧继电器和乾簧感测器的套用。
磁簧继电器
- 放置一个线圈周围的磁簧开关，使电流通过的线圈相当于一个永久磁铁产生的磁场。
- 交换机周围放置一个同轴禁止，使高频信号被切换到20GHz。
- 因为乾簧开关无易损件，触点可切换低电平信号。
- 乾簧继电器被广泛用于整个测试测量领域。
- 测试系统，矩阵，RF，数据机，报警器，非常适合用于磁簧继电器：
1、高循环计数
2、高电压套用
3、低电流，低电压开关
乾簧感测器
- 使用磁簧开关， 乾簧感测器可以感知各类机芯採用永久磁铁。
- 乾簧开关在开启状态下汲取电流为零，这使他们在节能设备套用中成为理想的选择。
- 即使当空气、塑胶和金属分离，磁体是可套用的
- 磁铁和磁簧开关一般分为物理外罩或其他障碍物隔开。
- 乾簧感测器用于检测运动，计数，检测液面高度，液位测量，开关恶劣的环境下，植入设备等。