楊云生 柴 凱 金牡丹 豐少偉

（1.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院 武漢 430033）（2.中國人民解放軍92555部隊(duì) 上海 202158）

1 引言

在火炮彈藥系統(tǒng)中，由于易燃易爆的環(huán)境特性，對(duì)開關(guān)的安全性與可靠性要求極其苛刻［1］。傳統(tǒng)的物理開關(guān)在切換時(shí)容易發(fā)生打火現(xiàn)象，導(dǎo)致開關(guān)時(shí)間大大延遲或失去開關(guān)作用，存在安全隱患和可靠性問題；物理開關(guān)切換時(shí)間遠(yuǎn)大于10ms，且受負(fù)載電流的影響，無法適應(yīng)微秒量級(jí)低延遲開關(guān)場(chǎng)合［2］。電子開關(guān)不僅需考慮供電電源和控制信號(hào)的來源與電信號(hào)特征，且其負(fù)載能力一般僅幾毫安，電氣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，適應(yīng)裝備的性能不強(qiáng)，在抗干擾和供電方面均有天然的劣勢(shì)。此外，兩類開關(guān)均無法適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境［3］。

為此，本文設(shè)計(jì)一種非接觸磁感應(yīng)式行程開關(guān)，它既是一種位置傳感器，也是一種開關(guān)器件，主要由安裝本體、復(fù)位系統(tǒng)、傳感器三部分構(gòu)成，安裝本體與復(fù)位系統(tǒng)為機(jī)械結(jié)構(gòu)，傳感器為半導(dǎo)體器件；它具有抗干擾能力強(qiáng)、防水性能好、耐高溫優(yōu)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、礦山、電力、鐵路、軍工、紡織、造紙、化工、塑料等行業(yè)，具有極高的可靠性和安全性。

2 工作原理

2.1 物理開關(guān)工作原理

傳統(tǒng)的物理開關(guān)主要分為機(jī)械開關(guān)與電控開關(guān)兩類，機(jī)械開關(guān)如微動(dòng)開關(guān)，需要人工手動(dòng)操作，無法使用于自動(dòng)化控制中。因此，物理開關(guān)主要以電控為主，如繼電器。繼電器是一種電控制器，主要由控制部件和觸點(diǎn)構(gòu)成，當(dāng)外部給予控制部件（如線圈）合適的觸發(fā)信號(hào)，使繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，完成觸點(diǎn)通斷的功能［4］。

繼電器在各行業(yè)應(yīng)用極廣，但不適合于高可靠性和高安全性的場(chǎng)合，主要原因如下：一是繼電器觸點(diǎn)閉合與斷開均容易產(chǎn)生打火現(xiàn)象，尤其在高壓環(huán)境下，該現(xiàn)象更加明顯；二是動(dòng)作時(shí)間過滿，10ms 以上的動(dòng)作時(shí)間無法及時(shí)為其他部件提供有效的控制命令；三是繼電器機(jī)械機(jī)構(gòu)壽命，通常為10 萬次，實(shí)際壽命更短［5］。因此，繼電器無法應(yīng)用于火炮系統(tǒng)、彈藥系統(tǒng)等高可靠性和安全性的場(chǎng)合。

2.2 電子開關(guān)工作原理

電子式開關(guān)即模擬開關(guān)，主要完成信號(hào)鏈路中的信號(hào)切換。一般模擬開關(guān)采用MOS 作為開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)鏈路的關(guān)斷和接通，具有功耗低、速度快、無機(jī)械觸點(diǎn)、體積小和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)［6］。模擬開關(guān)在自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，但也有天然的缺陷。

模擬開關(guān)的耐壓值一般在15V 以內(nèi)，無法處理高壓信號(hào)；模擬開關(guān)導(dǎo)通能夠承受的最大電流一般在幾十到幾百毫安以內(nèi)，無法適應(yīng)大電流場(chǎng)合；模擬開關(guān)的關(guān)斷不代表物理上的切斷，其關(guān)斷時(shí)阻抗極大，以達(dá)到抑制相鄰兩個(gè)信號(hào)鏈路相互干擾的能力，但并沒有在物理上形成斷開［7］。另外，模擬開關(guān)正常工作還需要考慮電源供電，驅(qū)動(dòng)信號(hào)等問題，容易受到外界信號(hào)的干擾。

2.3 磁感應(yīng)式開關(guān)原理

磁感應(yīng)式開關(guān)是無源行程開關(guān)，既是一種位置傳感器，也是一種接近開關(guān)［8］。磁感應(yīng)式開關(guān)的開關(guān)部件是半導(dǎo)體器件——磁性干簧開關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于干簧繼電器，是一種觸點(diǎn)傳感器，由兩片具有高磁導(dǎo)率的合金簧片組成，密封在一個(gè)充滿惰性氣體的玻璃管中。兩個(gè)簧片之間保持一定重疊和適當(dāng)間隙，末端鍍金作為觸點(diǎn)，外接焊接引線。當(dāng)干簧管所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，使觸點(diǎn)彈簧片磁化后所產(chǎn)生的磁性吸引力克服彈簧片的彈力時(shí)，兩彈簧片相互吸引而使觸點(diǎn)導(dǎo)通。當(dāng)磁場(chǎng)減弱到一定程度，借助彈簧本身彈力使其釋放。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

非接觸磁感應(yīng)式行程開關(guān)（以下簡(jiǎn)稱“行程開關(guān)”）內(nèi)有四組傳感器（即干簧管），每組傳感器觸點(diǎn)均為常閉型，其結(jié)構(gòu)與按鈕類似［9～10］。行程開關(guān)閉合或斷開狀態(tài)與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系如表1所示。

表1 磁感應(yīng)強(qiáng)度與開關(guān)狀態(tài)關(guān)系

行程開關(guān)外觀如圖1 所示，具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和部件編號(hào)分別如圖2、3 所示。主要包括固定于引線座的外殼體，引線座的接口焊接有航空插座，外殼體內(nèi)依次同軸設(shè)置活塞軸、屏蔽環(huán)固定管、屏蔽環(huán)、回程彈簧、磁環(huán)安裝座，磁環(huán)安裝座內(nèi)設(shè)有傳感器安裝管和磁環(huán)，活塞軸的一端伸出外殼體，屏蔽環(huán)固定管外側(cè)固定有銷軸限位環(huán)，傳感器安裝管內(nèi)設(shè)有傳感器，傳感器的輸入端和輸出端通過導(dǎo)線連接航空插座的引腳，磁環(huán)安裝座靠近活塞軸的側(cè)面與彈簧限位環(huán)和磁環(huán)限位環(huán)連接，回程彈簧設(shè)于彈簧限位環(huán)和銷軸限位環(huán)之間。

圖1 外觀圖

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

行程開關(guān)工作時(shí)，活塞軸（部件4）會(huì)裸露出來，當(dāng)無機(jī)械部件撞塊或外部壓力擠壓活塞軸時(shí)，傳感器在磁環(huán)磁場(chǎng)作用下處于斷開狀態(tài)。當(dāng)有機(jī)械部件撞塊或外部壓力擠壓到活塞軸時(shí)，活塞軸將壓縮回程彈簧（部件7），屏蔽管（部件5、部件6）跟隨回程彈簧一起往磁環(huán)安裝座（部件9）方向移動(dòng)。當(dāng)回程彈簧移動(dòng)至彈簧限位環(huán)時(shí)，屏蔽管深入磁環(huán)安裝座，此時(shí)磁環(huán)磁場(chǎng)被屏蔽，傳感器由斷開狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài)，起到接通作用。當(dāng)機(jī)械部件撞塊遠(yuǎn)離活塞軸或外力撤銷時(shí)，回程彈簧將伸展使活塞軸往油嘴（部件15）方向移動(dòng)，此時(shí)屏蔽管將遠(yuǎn)離磁環(huán)安裝座，在磁場(chǎng)的作用下傳感器由閉合狀態(tài)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，起到開關(guān)斷開的作用。

圖3 各部件編號(hào)圖

表2 主要構(gòu)成部件

行程開關(guān)內(nèi)部設(shè)計(jì)有四個(gè)傳感器，用于增加開關(guān)的可靠性，防止傳感器器件本身故障或損壞而導(dǎo)致開關(guān)工作異常的情況發(fā)生。通過充分的余量設(shè)計(jì)，極大提高了開關(guān)的可靠性，這也是其它開關(guān)所不具有的優(yōu)點(diǎn)［11～12］。

4 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

各類開關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比，見表3。

由表對(duì)比可知，行程開關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）具有極佳的安全性，傳感器管內(nèi)有惰性氣體，可防止產(chǎn)生電火花；

2）具有極佳的可靠性，控制端與信號(hào)支路無電氣連接，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)改變磁通量，實(shí)現(xiàn)控制，控制端不需要額外的控制電壓信號(hào)；

3）行程開關(guān)內(nèi)部填充有專用膠，具有防水、防鹽霧、防霉菌等功能；

4）內(nèi)置傳感器節(jié)點(diǎn)與大氣隔絕，管內(nèi)有稀有氣體，可減少接電的氧化和碳化，并且由于密封，可防止外界有機(jī)蒸氣和塵埃雜質(zhì)對(duì)接點(diǎn)的侵蝕；

5）開關(guān)通斷速度快，通斷時(shí)間僅為100μs 左右，比普通的電磁繼電器快5倍～100倍；

6）設(shè)計(jì)有受油嘴，可保證機(jī)械件潤(rùn)滑，確保長(zhǎng)期正常工作；

7）內(nèi)置傳感器體積小、重量輕。

表3 主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)照比

5 試驗(yàn)

設(shè)置開關(guān)負(fù)載電流為1.0A，通過電壓為50V，以100Hz 的頻率對(duì)行程開關(guān)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，每100 萬次對(duì)開關(guān)接觸電阻進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4 所示。行程開關(guān)初始電阻為150mΩ，每100 萬次通斷，觸點(diǎn)電阻增大1mΩ。通斷次數(shù)達(dá)4900 萬次時(shí)，導(dǎo)通電阻增大約30%。當(dāng)導(dǎo)通電阻增大100%時(shí)，開關(guān)次數(shù)將超過1億次。從圖4可以看出，本行程開關(guān)可靠性大大優(yōu)于普通的繼電器開關(guān)和模擬開關(guān)。

圖4 可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一種非接觸磁感式行程開關(guān)，并開展了相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)。主要工作和結(jié)論總結(jié)如下：

1）通過充分的冗余設(shè)計(jì)，非接觸磁感應(yīng)式行程開關(guān)的可靠性和安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于繼電器開關(guān)或模擬開關(guān)；

2）非接觸磁感應(yīng)式行程開關(guān)可快速通斷，重量輕，可廣泛應(yīng)用于火炮、冶金、機(jī)械、礦山、電力、鐵路等領(lǐng)域。