不同徑向間距對磁阻式接近開關動態(tài)性能的影響

摘要：為了尋找一種接近開關用于對鐵磁性物質的檢測，設計了基于銻化銦磁敏電阻的接近開關。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的動作距離特性進行了實驗研究。實驗結果表明，徑向間距為4 mm時，接近開關性能最佳，此時接近開關動作距離為8．14 mm，回差距離為0．05 mm，重復定位精度小于0．04 mm。該接近開關靈敏度高，開關動態(tài)特性較好，可適應于工作頻率0～5 kHz范圍內的鐵磁性物質檢測。

關鍵詞：接近開關；磁敏電阻；銻化銦；開關動態(tài)性能

0 引言

接近開關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，將物體位置量轉換成開關量電信號，輸出至負載以完成信號控制或信號的轉換。接近開關的本質是一種電子開關型傳感器，具有傳感器的優(yōu)良性能，其動作可靠、性能穩(wěn)定、頻率響應高、抗干擾能力強、重復定位精度高，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，替代傳統(tǒng)的電磁式和霍爾式接近開關，實現對鐵磁性物體檢測，用于定位控制和位移、計數、轉速等方面的測量。

1 銻化銦磁阻式接近開關工作原理

銻化銦磁阻式接近開關是基于銻化銦磁阻效應原理制成的，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，其內部結構和等效電路如圖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，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，因而當無鐵磁性物體靠近時，磁阻元件MR1和MR2阻值基本相同。當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??；反之，當鐵磁性物體通過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電路，經信號放大電路、比較電路和驅動電路幾部分處理，就可得到與磁信號相對應的開關量電壓信號，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具有較好的動態(tài)響應、較小的差程和較高的靈敏度。實際應用中，可根據動作距離需要調節(jié)電位器R8，設置比較級電路的閾值電壓。驅動電路的達林頓連接方式用于提高接近開關的帶負載能力。

3 實驗結果及討論

實驗使用釹鐵硼磁鐵(表面磁感應強度為210 mT，與接近開關的相對面積為2．5×10 mm2)為檢測物體，設接近開關表面與釹鐵硼磁鐵的相對距離為徑向間距，接近開關中心到釹鐵硼磁鐵中心的水平距離為側向間距，接近開關中心位置設為零距離。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感應面，當距接近開關較遠時，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)。當釹鐵硼磁鐵逐漸靠近接近開關內置的磁阻元件MR1時，其阻值增大，而MR2阻值減小，當接近開關輸出高電平時，記錄此時的側向間距，即得到接近開關的動作距離。當釹鐵硼磁鐵越過接近開關中心位置到達接近開關中心位置另一側時，接近開關輸出低電平時，記錄此時的側向間距，得到接近開關的復位距離。

由于徑向間距不同的情況下，釹鐵硼磁鐵產生的磁場會對磁敏電阻產生不同的影響。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，徑向間距對應的電壓輸出曲線變化趨勢基本一致。由于接近開關比較級電路的閾值電壓保持不變，因此不同徑向間距下，接近開關的動作距離、復位距離、回差值和差程等開關特性也不同。實驗測量取同一接近開關重復10次實驗，測量結果的平均值如表1所示。