杨云生 柴 凯 金牡丹 丰少伟

（1.海军工程大学舰船与海洋学院 武汉 430033）（2.中国人民解放军92555部队 上海 202158）

1 引言

在火炮弹药系统中，由于易燃易爆的环境特性，对开关的安全性与可靠性要求极其苛刻［1］。传统的物理开关在切换时容易发生打火现象，导致开关时间大大延迟或失去开关作用，存在安全隐患和可靠性问题；物理开关切换时间远大于10ms，且受负载电流的影响，无法适应微秒量级低延迟开关场合［2］。电子开关不仅需考虑供电电源和控制信号的来源与电信号特征，且其负载能力一般仅几毫安，电气结构复杂，体积也较大，适应装备的性能不强，在抗干扰和供电方面均有天然的劣势。此外，两类开关均无法适应恶劣的工作环境［3］。

为此，本文设计一种非接触磁感应式行程开关，它既是一种位置传感器，也是一种开关器件，主要由安装本体、复位系统、传感器三部分构成，安装本体与复位系统为机械结构，传感器为半导体器件；它具有抗干扰能力强、防水性能好、耐高温优等特点，可广泛应用于冶金、机械、矿山、电力、铁路、军工、纺织、造纸、化工、塑料等行业，具有极高的可靠性和安全性。

2 工作原理

2.1 物理开关工作原理

传统的物理开关主要分为机械开关与电控开关两类，机械开关如微动开关，需要人工手动操作，无法使用于自动化控制中。因此，物理开关主要以电控为主，如继电器。继电器是一种电控制器，主要由控制部件和触点构成，当外部给予控制部件（如线圈）合适的触发信号，使继电器触点动作，完成触点通断的功能［4］。

继电器在各行业应用极广，但不适合于高可靠性和高安全性的场合，主要原因如下：一是继电器触点闭合与断开均容易产生打火现象，尤其在高压环境下，该现象更加明显；二是动作时间过满，10ms 以上的动作时间无法及时为其他部件提供有效的控制命令；三是继电器机械机构寿命，通常为10 万次，实际寿命更短［5］。因此，继电器无法应用于火炮系统、弹药系统等高可靠性和安全性的场合。

2.2 电子开关工作原理

电子式开关即模拟开关，主要完成信号链路中的信号切换。一般模拟开关采用MOS 作为开关器件实现对信号链路的关断和接通，具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和寿命长等特点［6］。模拟开关在自动控制系统和计算机中得到了广泛的应用，但也有天然的缺陷。

模拟开关的耐压值一般在15V 以内，无法处理高压信号；模拟开关导通能够承受的最大电流一般在几十到几百毫安以内，无法适应大电流场合；模拟开关的关断不代表物理上的切断，其关断时阻抗极大，以达到抑制相邻两个信号链路相互干扰的能力，但并没有在物理上形成断开［7］。另外，模拟开关正常工作还需要考虑电源供电，驱动信号等问题，容易受到外界信号的干扰。

2.3 磁感应式开关原理

磁感应式开关是无源行程开关，既是一种位置传感器，也是一种接近开关［8］。磁感应式开关的开关部件是半导体器件——磁性干簧开关，内部结构类似于干簧继电器，是一种触点传感器，由两片具有高磁导率的合金簧片组成，密封在一个充满惰性气体的玻璃管中。两个簧片之间保持一定重叠和适当间隙，末端镀金作为触点，外接焊接引线。当干簧管所处位置的磁场强度足够大，使触点弹簧片磁化后所产生的磁性吸引力克服弹簧片的弹力时，两弹簧片相互吸引而使触点导通。当磁场减弱到一定程度，借助弹簧本身弹力使其释放。

3 技术实现

非接触磁感应式行程开关（以下简称“行程开关”）内有四组传感器（即干簧管），每组传感器触点均为常闭型，其结构与按钮类似［9～10］。行程开关闭合或断开状态与磁感应强度关系如表1所示。

表1 磁感应强度与开关状态关系

行程开关外观如图1 所示，具体内部结构图和部件编号分别如图2、3 所示。主要包括固定于引线座的外壳体，引线座的接口焊接有航空插座，外壳体内依次同轴设置活塞轴、屏蔽环固定管、屏蔽环、回程弹簧、磁环安装座，磁环安装座内设有传感器安装管和磁环，活塞轴的一端伸出外壳体，屏蔽环固定管外侧固定有销轴限位环，传感器安装管内设有传感器，传感器的输入端和输出端通过导线连接航空插座的引脚，磁环安装座靠近活塞轴的侧面与弹簧限位环和磁环限位环连接，回程弹簧设于弹簧限位环和销轴限位环之间。

图1 外观图

图2 内部结构图

行程开关工作时，活塞轴（部件4）会裸露出来，当无机械部件撞块或外部压力挤压活塞轴时，传感器在磁环磁场作用下处于断开状态。当有机械部件撞块或外部压力挤压到活塞轴时，活塞轴将压缩回程弹簧（部件7），屏蔽管（部件5、部件6）跟随回程弹簧一起往磁环安装座（部件9）方向移动。当回程弹簧移动至弹簧限位环时，屏蔽管深入磁环安装座，此时磁环磁场被屏蔽，传感器由断开状态变为闭合状态，起到接通作用。当机械部件撞块远离活塞轴或外力撤销时，回程弹簧将伸展使活塞轴往油嘴（部件15）方向移动，此时屏蔽管将远离磁环安装座，在磁场的作用下传感器由闭合状态变为断开状态，起到开关断开的作用。

图3 各部件编号图

表2 主要构成部件

行程开关内部设计有四个传感器，用于增加开关的可靠性，防止传感器器件本身故障或损坏而导致开关工作异常的情况发生。通过充分的余量设计，极大提高了开关的可靠性，这也是其它开关所不具有的优点［11～12］。

4 技术指标对比

各类开关的主要技术指标对比，见表3。

由表对比可知，行程开关具有以下优点：

1）具有极佳的安全性，传感器管内有惰性气体，可防止产生电火花；

2）具有极佳的可靠性，控制端与信号支路无电气连接，通过机械结构改变磁通量，实现控制，控制端不需要额外的控制电压信号；

3）行程开关内部填充有专用胶，具有防水、防盐雾、防霉菌等功能；

4）内置传感器节点与大气隔绝，管内有稀有气体，可减少接电的氧化和碳化，并且由于密封，可防止外界有机蒸气和尘埃杂质对接点的侵蚀；

5）开关通断速度快，通断时间仅为100μs 左右，比普通的电磁继电器快5倍～100倍；

6）设计有受油嘴，可保证机械件润滑，确保长期正常工作；

7）内置传感器体积小、重量轻。

表3 主要技术指标对照比

5 试验

设置开关负载电流为1.0A，通过电压为50V，以100Hz 的频率对行程开关进行可靠性试验，每100 万次对开关接触电阻进行测量，试验数据如图4 所示。行程开关初始电阻为150mΩ，每100 万次通断，触点电阻增大1mΩ。通断次数达4900 万次时，导通电阻增大约30%。当导通电阻增大100%时，开关次数将超过1亿次。从图4可以看出，本行程开关可靠性大大优于普通的继电器开关和模拟开关。

图4 可靠性试验数据图

6 结语

本文设计一种非接触磁感式行程开关，并开展了相关性能实验。主要工作和结论总结如下：

1）通过充分的冗余设计，非接触磁感应式行程开关的可靠性和安全性远远优于继电器开关或模拟开关；

2）非接触磁感应式行程开关可快速通断，重量轻，可广泛应用于火炮、冶金、机械、矿山、电力、铁路等领域。