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锑化铟磁阻式接近开关原理与特性

2014-09-27 展誉传感 2585

接近开关是无需与运动部件进行机械接触,就可以对被检测物体进行位置检测,将物体位置量转换成开关量电信号,输出至负载以完成信号控制或信号的转换的电子器件。接近开关的本质是一种电子开关型传感器,具有传感器的优良性能,其动作可靠、性能稳定、频率响应高、抗干扰能力强、重复精度高,且与被测物体无机械接触,具有防水、防油污、耐腐蚀等优点。利用锑化铟磁敏电阻对铁磁性物体具有较高灵敏度的优点可制成磁阻式接近开关,替代传统的电磁式和霍尔式接近开关,实现对铁磁性物体检测,用于控制和位移、计数、转速等方面的测量。

1 锑化铟磁阻式接近开关工作原理

锑化铟磁阻式接近开关是基于锑化铟磁阻效应原理制成的,其核心部件为锑化铟磁敏电阻。锑化铟磁敏电阻主要组件为电极、引脚、磁阻元件mr1和mr2(阻值大致相等)、永磁体、绝缘基片和金属外壳(屏蔽外部干扰和保护磁阻元件)。内部由环氧树脂灌封而成,三个引脚分别与电源、地线和输出端相连,其内部结构和等效电路如图1所示。其中永磁体为两个磁阻元件提供偏置磁场,使磁敏电阻工作特性移到电阻-磁场变化曲线的线性范围之内,提高磁敏电阻灵敏度。由于偏置磁场使磁敏电阻处于相同的磁场环境,因而当无铁磁性物体靠近时,磁阻元件mr1和mr2阻值基本相同。当铁磁性物体通过磁敏电阻时,永磁体的磁场分布发生变化,先通过磁阻元件mr1时,通过mr1的磁感强度增大,通过mr2的磁感强度减小,因此致使mr1的阻值增大,mr2的阻值减小;反之,当铁磁性物体通过mr2时,mr2的阻值增大,mr1的阻值减小。在直流电源供电的情况下,两个磁阻元件阻值的变化将引起磁敏电阻的输出电压发生变化。

2 信号处理电路

磁敏电阻的输出电压输入到锑化铟磁阻式接近开关电路,经信号放大电路、比较电路和驱动电路几部分处理,就可得到与磁信号相对应的开关量电压信号,如图2所示。磁敏电阻采用三端式输出,可以有效减小环境温度变化引起的温度漂移,且能稳定低频时放大电路的输出电压。电压跟随器用于提高信号放大级的输入电阻,减小输出电阻,降低对锑化铟磁敏电阻影响。采用直接耦合方式进行滤波放大,可满足较宽频率范围的检测需要,并能滤除环境中的高频噪声。反相输入比较器保证接近开关具有较好的动态响应、较小的差程和较高的灵敏度。实际应用中,可根据动作距离需要调节电位器r8,设置比较级电路的阈值电压。驱动电路的达林顿连接方式用于提高接近开关的带负载能力。

3 实验结果及讨论

实验使用钕铁硼磁铁(表面磁感应强度为210 mt,与接近开关的相对面积为2.5×10 mm2)为检测物体,设接近开关表面与钕铁硼磁铁的相对距离为径向间距,接近开关中心到钕铁硼磁铁中心的水平距离为侧向间距,接近开关中心位置设为零距离。实验过程中,将钕铁硼磁铁以0.2 mm/s的运动速度沿水平方向靠近接近开关感应面,当距接近开关较远时,磁敏电阻未受磁铁的影响,因此磁阻元件阻值大致相等,磁敏电阻输出电压为2.56 v,此时电路处于低电平工作状态。当钕铁硼磁铁逐渐靠近接近开关内置的磁阻元件mr1时,其阻值增大,而mr2阻值减小,当接近开关输出高电平时,记录此时的侧向间距,即得到接近开关的动作距离。当钕铁硼磁铁越过接近开关中心位置到达接近开关中心位置另一侧时,接近开关输出低电平时,记录此时的侧向间距,得到接近开关的复位距离。

由于径向间距不同的情况下,钕铁硼磁铁产生的磁场会对磁敏电阻产生不同的影响。因而放大电路的输出电压也将发生不同变化,但实验过程可知,径向间距3~9 mm范围内,径向间距对应的电压输出曲线变化趋势基本一致。由于接近开关比较级电路的阈值电压保持不变,因此不同径向间距下,接近开关的动作距离、复位距离、回差值和差程等开关特性也不同。实验测量取同一接近开关重复10次实验,径向间距对接近开关的动作距离、复位距离、回差值和差程值都会产生影响。

虽然接近开关的动作距离、复位距离等特性会随径向间距发生变化,但在径向间距3~7 mm的范围内,接近开关的差程值基本保持不变,说明锑化铟磁阻式接近开关具有良好的开关特性和稳定性。当径向间距大于7 mm时,由于外界环境的干扰导致接近开关稳定性变差,差程发生明显变化。考虑到实际工业生产和自动控制中接近开关的动作距离要求和环境干扰对接近开关的影响,接近开关取径向距离为4 mm为宜。径向距离为4 mm时,侧向间距大于8.13 mm,电压比较器的反相输入端电压大于同相输入端电压,接近开关为初始状态,保持低电平工作状态;当侧向间距小于8.13 mm时,电压比较器的反相输入端电压小于同相输入端电压,接近开关工作发生跳变,输出高电平;当检测磁铁越过接近开关中心位置后,接近开关复位,跳变为低电平。实验结果可知,径向间距为4 mm时,接近开关的动作距离可达8 mm以上,且回差距离小于0.06 mm,重复精度小于0.04 mm。频率实验表明,磁阻式接近开关在0~5 khz的频率范围内都能够正常工作,动态特性良好。

4 结语

锑化铟磁阻式接近开关结构简单、灵敏度高,可靠性好。实验可知,径向间距不同对应的接近开关的动作距离、复位距离、回差值和差程都不相同。径向距离为4 mm时,接近开关动作距离大,回差距离小、重复精度高,具有良好的动态特性。实验结果可知,该接近开关动作距离为8.13 mm,在0~5 khz频率范围内,动态性能良好。采取适当的温度补偿和屏蔽措施,可以有效减少外界对接近开关传感器系统的干扰,提高接近开关稳定性,替代传统的霍尔接近开关,用于铁磁性物体检测。

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