什麼是幹簧管（一）

什麼是幹簧管

        所謂的開關就是使電路開通或者使之斷路，所以除了之前用過的機械式switch，繼電器，電晶體等等，還有一種叫做幹簧管，也稱之為磁簧開關(Magnetic Reed Switch)。幹簧管（磁簧開關）是一個通過所施加的磁場操作的電開關。它於1936年由貝爾電話實驗室的沃爾特.埃爾伍德（Walter B. Ellwood）發明，他本人於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，兩片雖重疊，但中間間隔有一小空隙。當外來磁場時將使兩片磁簧片接觸，進而導通。 一旦磁體被拉到遠離開關，磁簧開關將返回到其原來的位置。

       由於幹簧管的簧片都是密封在玻璃管內，所以簧片不會受到大氣侵蝕.相對於傳統的電子開關,幹簧管的獨特的密閉封口結構使幹簧管避免開關吸合時放電現象。          幹簧管的一個重要特性就是靈敏度，靈敏度決定需要多大的磁場可以驅動工作。靈敏度是用AT值來衡量的. AT值是線圈的匝數和線圈電流的乘積。商業級幹簧管的典型的 吸合值範圍是10到60 AT.AT值越小，幹簧管的靈敏度越好。同理,擁有越小的幹簧管,對磁場越靈敏。

幹簧管(磁簧開關)原理

          幹簧管的工作原理非常簡單，兩片端點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)密封於一玻璃管中，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及產品壽命。玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體(如氮氣)，部份幹簧開關為了提升其高壓效能，更會把內部做成真空狀態。

          幹簧片的作用相當與一個磁通導體。在尚未操作時，兩片簧片並未接觸；在通過永久磁鐵或電磁線圈產生的磁場時，外加的磁場使兩片簧片端點位置附近產生不同的極性, 當磁力超過簧片本身的彈力時，這兩片簧片會吸合導通電路；當磁場減弱或消失後,幹簧片由於本身的彈性而釋放，觸面就會分開從而開啟電路。

基本的全密封形態 Form A ( 常開 ) 磁簧開關的基本結構與元件

 

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

 

Form C (單刀雙擲 (SPDT) 三個簧片的磁簧開關的基本結構。

         可切換的簧片，在沒有磁場時是與常閉片接觸，當足夠強度的磁場產生時,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，只是常閉的幹簧片觸點表面部份是由非磁性的金屬熔焊於幹簧片上的。置於磁場下時，兩旁位於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幹簧管（磁簧開關）的幹簧片吸合：

• 使用永久性磁鐵

 

 

幹簧開關在永久磁鐵產生的磁場下之基本操作情況，兩簧片呈相反極性
而在兩簧片間產生足夠的吸力而互相接觸

• 使用外加線圈

將磁簧開關放置線上圈中心軸位置，磁場在這部份是最強的
兩幹簧片呈相反極性，在兩簧片間產生足夠的吸力而互相接觸

        如上圖所示，當有一個永久 磁鐵接近磁簧開關時，此兩片簧片會被磁化成可相互吸引的不同極性，當磁場夠大時，可讓兩簧片間產生足夠的吸引力而互相接觸。幹簧片都是經過回火處理的，以 便消除剩磁，所以當磁場退去後，在幹簧片上的磁場隨即消失。如果有任何殘留的磁力存在於幹簧片上，幹簧開關的特性就會改變，在製造過程中，適當的製程和退 火處理是非常重要的。

         根據幹簧管的特性，磁簧開關可做成非常小尺寸體積的切換元件，並且切換速度非常快速、且具有非常優異的信賴性。永久磁鐵的方位和方向確定何時以及多少次開關開啟和關閉。

幹簧管（磁簧開關）分類

      幹簧管與一般之繼電器最大不同之點如下：

• 電氣電路與磁場迴路使用同一媒體(簧片)。
• 由於開關與線圈互相分離，故可利用永久磁場加以驅動，僅要將接點部封入時，極為容易進行。

 

種類依不同的觀點所分類如下：

按簧片開關以對大氣性分類

• 封入型
• 開放型

按接點構造分類

• A型：屬於經常開離型簧片開關。 在施加外部磁場時接點才閉合，而在平常時，保持開離狀態。
• B型：屬於經常閉合型簧片開關。 在施加外部磁場時接點才開離，而在平常時，保持閉合狀態。
• C型：轉接開關型。

按機能分類

• 非自行保持型：具有可依外部磁場之有無而起作用之特徵(單穩定型)。
• 自行保持型：一但起作用以後，即使除掉外部磁場，仍可保持原來狀態(雙穩定型)。

按形狀分類

• 大型：玻璃管長30～60mm，玻璃管徑3.5～6mm。
• 中型：玻璃管長20～30mm，玻璃管徑2.5～3.5mm。
• 小型：玻璃管長5～20mm，玻璃管徑1.5～2.5mm。

另外，對於簧片之形狀，接點部之構造等，常有不同的設計，但只要是使用簧片，均屬於簧片開關之範圍。

 

幹簧管應用

        幹簧管在家電、汽車、通訊、工業、醫療、安防等領域得到了廣泛的應用。除此之外，還可應用於其它在感測器及電子器件，如液位計、門磁、幹簧繼電器等。

        我們在此簡單介紹四類產品及行業應用，以便大家更深入地瞭解：幹簧管可用於簧片繼電器、油位感測器和接近感測器（磁性感測器）。

幹簧繼電器

        幹簧管可應用於幹簧繼電器。一個線圈內的一個或多個磁簧開關磁簧繼電器。 幹簧繼電器工作電流時使用的是比較低的，並提供高執行速度，良好的效能，這是不可靠的切換由傳統的接觸，高可靠性和長壽命的非常小的電流。 在20世紀70年代和80年代，以百萬計的幹簧繼電器，用於在電話交流 。 尤其是，它們被用來TXE在英國家庭的電話交流切換。 簧片觸點周圍的惰性氣氛中確保氧化將不會影響的接觸電阻。 有時使用水銀溼簧繼電器，尤其是在高速計數電路。

油位感測器

        幹簧管目前是各種車用油箱油位感測器的極好替代品，目前現有的技術中，油（液）位感測器共分兩類：一類是用滑動電位器為基本檢測元件，它是由浮子帶動電位器，再用歐姆表檢測其阻值，從而達到顯示油位的目的，但當油垢覆蓋電位器後，其阻值會發生變化，造成誤差太大，甚至不能使用，此類油箱感測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元件。它是用浮子帶動電感線圈，改變震當電路的震盪頻率，再通過頻率計檢測其頻率來測定油（液）位。但其結構複雜，除錯麻煩，成本高，價格貴，不能被廣泛使用。所以，利用幹簧管壽命長、動作安全可靠、無火花等特性生產的液位感測器,是現用各種車用油箱油位感測器的極好替代品。

磁性感測器

        幹簧管除了應用於幹簧繼電器和感測器外，幹簧管（磁簧開關）被廣泛用於電路控制，尤其是在通訊領域。磁簧開關磁鐵驅動中常用的機械系統， 接近感測器 。 例子是門和窗感測器在防盜報警系統和防篡改方法。

        膝上型電腦使用磁簧開關，把膝上型電腦的睡眠/休眠模式，當蓋子被關閉。 自行車車輪和汽車齒輪的轉速感測器使用磁簧開關，簡單驅動每個車輪上的磁鐵時通過感測器。 以前用於磁簧開關在計算機終端，其中每個鍵有一個磁鐵，通過按壓鍵致動的簧片開關的鍵盤;正在使用更便宜的開關。 電氣和電子踏板鍵盤所使用的管風琴 ， 電子琴玩家經常使用磁簧開關，接觸的玻璃外殼，保護其不受汙垢，灰塵，和其他微粒。 它們也可能被用於控制潛水裝置如手電筒或相機，它必須被密封，以保持加壓水。

        幹簧管也能用於如電腦散熱風扇和磁碟驅動器。 由於便宜的霍爾效應感測器面世，他們更換簧片開關，並給予較長的使用壽命。最近一個時期，固態霍爾效應感測器已取代磁簧開關。

幹簧管在高危環境的應用

       幹簧管可以為高真空式或惰性氣體填充式，幹簧管將控制電路通斷時觸點產生的火花封閉在管身內，使其完全與爆炸性氣體和煤塵隔絕，達到防止爆炸、提高安全係數的目的。

     幹簧管的玻璃管內裝有兩根強磁性簧片，將此置於管內一端使之以一定間隙彼此相對。玻璃管內封入惰性氣體，同時觸點部位鍍銠或銥，以防止觸點的活性化。幹簧管利用線圈或永磁體，為簧片誘匯出N極和S極，後因這種磁性的吸引力而開始吸合。

       當解除磁場時，由於簧片所具有的彈性，觸點即刻恢復原狀並開啟電路。隔爆型幹簧管按鈕和開關適用於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、船舶等危險場所，用做本質安全型控制電路和非本質安全型控制電路的控制之用。

什麼是幹簧管（二）

如何製造幹簧管（磁簧開關）

 

        製造幹簧管，高標準的清潔環境及高精密度是必不可少的，因此所有的製程均是在無塵室的環境下進行。同時，需要確保在密封過程中沒有汙染物進入玻璃管。簧片必須經過退火處理，退火的過程可移除掉金屬上的磁滯、將會讓簧片的磁場感性特性穩定、並且能避免不良品的發生。然後將簧片透過二氧化碳清洗的方式來充份清洗、強力將微小的二氧化碳晶體吹送到簧片金屬、以去除附著在其上面的雜質微粒。此時、再以噴鍍的方式精準鍍上1微米厚度的銠或釕、其底層會為約0.2微米厚度的鎢。

       下一個步驟，組裝玻璃管與鎳鐵合金的簧片。密封玻璃管之前，先將管內的空氣完全排出、並填充入以氖氣為主的惰性混合氣體。運用此製程可大幅提高磁簧管的絕緣、耐壓。密封后再經退火程式、移除玻璃結構中殘餘的應力。磁簧管外面的引線均為鍍錫，可確保良好的焊接效果。此鍍錫過程均以自動電鍍裝置、加上一層約8~12微米厚度、符合最新Rohs規定的純錫。

       在幹簧管制造過程中，金屬簧片被嵌入在玻璃管的末端。玻璃管末端受熱與簧片融合.利用玻璃管對紅外線吸收的原理，使用紅外線加熱設定對玻璃管末端進行密封。玻璃管和金屬簧片的熱膨脹係數必須接近才能防止玻璃管和金屬密封時易破碎的問題，採用的玻璃管必須有一個很高的電抗值。而且，不能含有揮發性物質比如鉛氧化物和氟化物，幹簧管的引腳必須慎重處理以防止玻璃管破碎。

 

幹簧管（磁簧開關）是如何建構的？

 

簧片觸點

        良好的電氣連線是通過對兩個簧片的接觸部分進行鍍一層很厚的非磁性貴金屬來實現的，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溼簧管，溼簧管的觸點必須成對安裝使用。

• 兩個簧導線製成鎳/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，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。

 

玻璃密封性

• 用於玻璃管的外封裝，其溫度膨脹係數（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，可能會產生真空，抽真空。 該真空通常支援高電壓開關 （超過1000伏特）。

幹簧管工作特性

• 斷開（PI,Pull In）  磁簧開關接觸點接近
• 吸合（DO,Drop Out）是開啟磁簧開關接觸點
• 大多數公司測量安培匝（AT）的簧片開關，也有公司使用毫特斯拉（mT）作為磁測量單位。

 

滯後

• 滯後是另一種引數，特別是在測量液位的測量是有用的,以百分比或十進位制的方式用於衡量開和閉的比率。
• 如果被測量的液體是在移動車輛的任何型別的或振動的環境中，滯後可發揮重要的作用，在一個成功的應用程式
• 一旦檢測發生滯後將保持在該狀態下，即使在相當大的動作的液麵。

範例：上拉/下拉輸出x 100％=％滯後

例如：12毫米/ 20毫米= 0.6×100％= 60％，遲滯

什麼是幹簧管（三）

幹簧管(磁簧開關)電氣引數

 

額定功率（瓦特）	多達100
開關電壓（伏特直流/交流）	0到10,000
擊穿電壓（伏特直流）	200到15000
開關電流（安培）	0到3.0
通電電流（安培）	0到15.0
接觸電阻（毫歐）	<100
絕緣電阻（歐姆）	10E15
工作時間（毫秒）	<1.0
釋放時間（微秒）	<50
電容（皮法）	0.2典型

 

幹簧管壽命測試

 

幹簧管(磁簧開關)DCR測試是什麼？

• 動態接觸電阻（DCR）測試將消除早期故障，提高在客戶的裝置和/或技術系統的長期可靠性。
• DCR測試是限定一個新的感測器或繼電器，以確保涉及的所有工具都不會受到不利影響的脆弱簧開關的不錯的方法。

 

是什麼原因導致DCR中斷？

• 壓力過大的磁簧開關
• 一個小裂縫上的簧片開關的密封
• 一個破碎的磁簧開關
• 電鍍或濺射剝離或剝落的接觸面積
• 不正確的空氣的混合物（水分）內的玻璃
• 顆粒接觸簧片

 

DCR測量最大拉力

• 最大拉力作為過驅動電平的另一種方法。
• 在這裡，如果最大拉規範DCR測量是3.75伏。
• 然而，在這種情況下，如果一些拉入的人口是在或接近3.2伏，這將表示只有一個過載小於15％
• 同樣，這可能代表了不公平的測試方法，可能會拒絕完全好幹簧繼電器（在這種情況下，不公平，意味著扔掉非常好的產品）

 

DCR電壓等級

• 測試工程師的喜歡選擇一個給定的測試電壓對於一個給定的規範做對DCR，因為它更容易。 但是，這樣做可能會掩蓋潛在的嚴重幹簧管的問題
• 超速40％通常被認為是一個公平的超速，但在這種情況下，測試工程師必須新增額外的軟體程式，首先測量拉，然後計算超速。 這是可以做到的程式碼行數，從而不佔用太多的測試時間
• 大於40％的超速可能是一個更好的測試較大的磁簧開關
• 在這種情況下，測試敲定確切的DCR電壓之前的部分人口可能是最好的方法

 

正常的幹簧管DCR測試什麼樣子呢？

• 當磁簧開關被關閉，接觸產生一個振動，也被稱為磁簧開關振動 。 固有振動發生的觸點閉合時產生一致的波圖案。 正常的振動模式看起來類似於磁簧開關的大小取決於以下波。 較小的磁簧開關生產更小的正東，閉合時間縮短。
• 開關觸點異常振動模式將表現出過度的動態噪音，通常需要更長的時間才能完全關閉。 幹簧開關的密封是關鍵的設計元素，不僅保護了從惡劣環境中接觸，但也保持觸頭到位，確保切換一致。
• DCR（動態接觸電阻）測試是檢測密封或接觸損傷休克誘導應力的缺陷的最佳方法。

更改幹簧管DCR連續操作

作為一個磁簧繼電器，幹簧管（磁簧開關）是怎樣的？

• 放置一個線圈周圍的磁簧開關，使電流通過的線圈相當於一個永久磁鐵產生的磁場。
• 交換機周圍放置一個同軸遮蔽，使高頻訊號被切換到20GHz。
• 因為幹簧開關無易損件，觸點可切換低電平訊號。
• 幹簧繼電器被廣泛用於整個測試測量領域。
• 測試系統，矩陣，RF，調變解調器，報警器，非常適合用於磁簧繼電器：
  1、高迴圈計數
  2、高電壓應用
  3、低電流，低電壓開關

 

作為一個幹簧感測器，幹簧管（磁簧開關）是怎樣的？

• 使用磁簧開關， 幹簧感測器可以感知各類機芯採用永久磁鐵。
• 幹簧開關在開啟狀態下汲取電流為零，這使他們在節能裝置應用中成為理想的選擇。
• 即使當空氣、塑料和金屬分離，磁體是可應用的
• 磁鐵和磁簧開關一般分為物理外罩或其他障礙物隔開。
• 幹簧感測器用於檢測運動，計數，檢測液麵高度，液位測量，開關惡劣的環境下，植入裝置等

幹簧管的優點和缺點

       簧片開關由兩個或三個具有鍍金，長壽命接觸的彈性金屬簧片的提示，並封裝在一個密封的玻璃管。 兩個簧型常開（NO）觸點關閉操作時，三個簧片型的切換，也就是說，幹簧管具有一對常開（NO）和常閉（NC）觸點。 當開關被操作時，這兩個對改變為相反的狀態。 下圖中所示的這兩種型別。

雙簧片和三簧片的幹簧管（磁簧開關）

       幹簧管玻璃管中的兩個由特殊材料製成的簧片是分開的。當有磁性物質靠近玻璃管時，在磁場磁力線的作用下，管內的兩個簧片被磁化而互相吸引接觸，簧片就會吸合在一起，使結點所接的電路連通。外磁力消失後，兩個簧片由於本身的彈性而分開，線路也就斷開了。

       首先，遠離磁鐵相當短的一個距離很快下降。 事實上，上面的距離的兩倍，只有四分之一的磁場強度。 這意味著，運作磁鐵，必須通過非常接近（1cm或以下允許的小的間隙），以磁簧開關，其他的場強變得不充分。

       其次，簧片開關只是一時的行動，只要磁場減弱，簧片的聯絡會恢復到原來的狀態。 所以，如果你想要的簧片開關的觸發電路繼續保持開啟（或關閉），將需要使用自鎖繼電器電路。

 

幹簧管的優點

• 幹簧管（磁簧開關）的優點是其體積小、重量輕，這使得它們易於安裝和不顯眼的。操作開關是非常小的，因而消除了繁瑣的凸輪或曲柄，所以不會出現在所有金屬降級有關的金屬疲勞現象，確保實際上無極限的機械使用壽命。並且，能夠安裝在極度有限的空間，極適合用於微型化裝置。 磁簧開關和合適的磁鐵，是又便宜又容易獲得。
   
• 磁簧開關的開關元器件被氣密式密封於一惰性氣體氣氛中，永遠不會與外界環境接觸，這樣就大大減少了接點在開、閉過程中由於接點火花而引起的接點氧化和碳化。並防止外界有機蒸氣和灰塵等雜質對接點的侵蝕。工作壽命長。
   
• 簧片細而短，有較高的固有頻率，提高了接點的通斷速度，其開關速度要比一般的電磁繼電器快5~10倍。

 

幹簧管的缺點

      應該指出，簧片開關有幾個缺點 ，沒有什麼是完美的！

• 首先，觸點和簧片是相當小而精緻的，所以它們不會處理大的電壓或電流導致的簧片引發切換。 大電流過熱導致簧片失去彈性；即開關容量小，接點易產生抖動以及接點接觸電阻大；抗突波能力低：交流電感性電路之應用上存在的斷開逆向瞬間電流,極易對幹簧管造成過載損壞。
   
• 幹簧管提供開關典型的電壓和電流額定值。 測量的額定功率，在功率（W），僅僅意味著乘以電流和電壓，但切記不要超過額定電流的 - 例如，10V，1A = 10W，但也等於1V 10A 10W，但在這種情況下，電流會太高。如果您要切換大電流，僅僅操作的繼電器線圈與磁簧開關的繼電器電路才是必要使用的。
   
• 故障排查工序多。故障幹簧管需要用專用儀器（如AT值測試器、絕緣耐壓測試器、內阻測試器等）檢測。
   
• 不適合誤差範圍小的產品設計中：AT值範圍大，從成本角度考慮不能保證批量產品的AT值都相同，並且配套磁石也不盡相同。
   
• 幹簧管加工損耗大。幹簧管採玻璃封裝，在運送和加工過程中容易受損，影響產品及壽命。由於磁簧開關是相當脆弱的，尤其是如果你是厚厚的引出線焊接到，很容易打破玻璃和密封件。如果你需要彎曲的引出線，確保您玻璃之間的密封和彎曲點，圖2中所示的頂部用鉗子夾住他們安全。

如何彎曲簧片開關的引線