不同徑向間距對磁阻式接近開關(guān)動態(tài)性能的影響

摘要：為了尋找一種接近開關(guān)用于對鐵磁性物質(zhì)的檢測，設(shè)計了基于銻化銦磁敏電阻的接近開關(guān)。介紹了它的工作原理和信號處理電路，并對不同徑向間距對應(yīng)的動作距離特性進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，徑向間距為4 mm時，接近開關(guān)性能最佳，此時接近開關(guān)動作距離為8．14 mm，回差距離為0．05 mm，重復(fù)定位精度小于0．04 mm。該接近開關(guān)靈敏度高，開關(guān)動態(tài)特性較好，可適應(yīng)于工作頻率0～5 kHz范圍內(nèi)的鐵磁性物質(zhì)檢測。

關(guān)鍵詞：接近開關(guān)；磁敏電阻；銻化銦；開關(guān)動態(tài)性能

0 引言

接近開關(guān)無需與運動部件進行機械接觸，就可以對被檢測物體進行位置檢測，將物體位置量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量電信號，輸出至負載以完成信號控制或信號的轉(zhuǎn)換。接近開關(guān)的本質(zhì)是一種電子開關(guān)型傳感器，具有傳感器的優(yōu)良性能，其動作可靠、性能穩(wěn)定、頻率響應(yīng)高、抗干擾能力強、重復(fù)定位精度高，且與被測物體無機械接觸，具有防水、防油污、耐腐蝕等優(yōu)點。利用銻化銦磁敏電阻對鐵磁性物體具有較高靈敏度的優(yōu)點可制成磁阻式接近開關(guān)，替代傳統(tǒng)的電磁式和霍爾式接近開關(guān)，實現(xiàn)對鐵磁性物體檢測，用于定位控制和位移、計數(shù)、轉(zhuǎn)速等方面的測量。

1 銻化銦磁阻式接近開關(guān)工作原理

銻化銦磁阻式接近開關(guān)是基于銻化銦磁阻效應(yīng)原理制成的，其核心部件為銻化銦磁敏電阻。銻化銦磁敏電阻主要組件為電極、引腳、磁阻元件MR1和MR2(阻值大致相等)、永磁體、絕緣基片和金屬外殼(屏蔽外部干擾和保護磁阻元件)。內(nèi)部由環(huán)氧樹脂灌封而成，三個引腳分別與電源、地線和輸出端相連，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示。其中永磁體為兩個磁阻元件提供偏置磁場，使磁敏電阻工作特性移到電阻-磁場變化曲線的線性范圍之內(nèi)，提高磁敏電阻靈敏度。由于偏置磁場使磁敏電阻處于相同的磁場環(huán)境，因而當(dāng)無鐵磁性物體靠近時，磁阻元件MR1和MR2阻值基本相同。當(dāng)鐵磁性物體通過磁敏電阻時，永磁體的磁場分布發(fā)生變化，先通過磁阻元件MR1時，通過MR1的磁感強度增大，通過MR2的磁感強度減小，因此致使MR1的阻值增大，MR2的阻值減小；反之，當(dāng)鐵磁性物體通過MR2時，MR2的阻值增大，MR1的阻值減小。在直流電源供電的情況下，兩個磁阻元件阻值的變化將引起磁敏電阻的輸出電壓發(fā)生變化。

2 信號處理電路

磁敏電阻的輸出電壓輸入到銻化銦磁阻式接近開關(guān)電路，經(jīng)信號放大電路、比較電路和驅(qū)動電路幾部分處理，就可得到與磁信號相對應(yīng)的開關(guān)量電壓信號，如圖2所示。磁敏電阻采用三端式輸出，可以有效減小環(huán)境溫度變化引起的溫度漂移，且能穩(wěn)定低頻時放大電路的輸出電壓。電壓跟隨器用于提高信號放大級的輸入電阻，減小輸出電阻，降低對銻化銦磁敏電阻影響。采用直接耦合方式進行濾波放大，可滿足較寬頻率范圍的檢測需要，并能濾除環(huán)境中的高頻噪聲。反相輸入比較器保證接近開關(guān)具有較好的動態(tài)響應(yīng)、較小的差程和較高的靈敏度。實際應(yīng)用中，可根據(jù)動作距離需要調(diào)節(jié)電位器R8，設(shè)置比較級電路的閾值電壓。驅(qū)動電路的達林頓連接方式用于提高接近開關(guān)的帶負載能力。

3 實驗結(jié)果及討論

實驗使用釹鐵硼磁鐵(表面磁感應(yīng)強度為210 mT，與接近開關(guān)的相對面積為2．5×10 mm2)為檢測物體，設(shè)接近開關(guān)表面與釹鐵硼磁鐵的相對距離為徑向間距，接近開關(guān)中心到釹鐵硼磁鐵中心的水平距離為側(cè)向間距，接近開關(guān)中心位置設(shè)為零距離。實驗過程中，將釹鐵硼磁鐵以0．2 mm／s的運動速度沿水平方向靠近接近開關(guān)感應(yīng)面，當(dāng)距接近開關(guān)較遠時，磁敏電阻未受磁鐵的影響，因此磁阻元件阻值大致相等，磁敏電阻輸出電壓為2．56 V，此時電路處于低電平工作狀態(tài)。當(dāng)釹鐵硼磁鐵逐漸靠近接近開關(guān)內(nèi)置的磁阻元件MR1時，其阻值增大，而MR2阻值減小，當(dāng)接近開關(guān)輸出高電平時，記錄此時的側(cè)向間距，即得到接近開關(guān)的動作距離。當(dāng)釹鐵硼磁鐵越過接近開關(guān)中心位置到達接近開關(guān)中心位置另一側(cè)時，接近開關(guān)輸出低電平時，記錄此時的側(cè)向間距，得到接近開關(guān)的復(fù)位距離。

由于徑向間距不同的情況下，釹鐵硼磁鐵產(chǎn)生的磁場會對磁敏電阻產(chǎn)生不同的影響。因而放大電路的輸出電壓也將發(fā)生不同變化，但實驗過程可知，徑向間距3～9 mm范圍內(nèi)，徑向間距對應(yīng)的電壓輸出曲線變化趨勢基本一致。由于接近開關(guān)比較級電路的閾值電壓保持不變，因此不同徑向間距下，接近開關(guān)的動作距離、復(fù)位距離、回差值和差程等開關(guān)特性也不同。實驗測量取同一接近開關(guān)重復(fù)10次實驗，測量結(jié)果的平均值如表1所示。