干簧管的结构、工作原理及应用

干簧管也称舌簧管或磁簧开关，是一种磁敏的特殊开关，于1936年由贝尔电话实验室的沃尔特·埃尔伍德发明。基本型式是将两片磁簧片密封在玻璃管内，两片虽重叠，但中间间隔有一小空隙。当外来磁场时将使两片磁簧片接触，进而导通。 一旦磁体被拉到远离开关，磁簧开关将返回到其原来的位置。

干簧管是干簧继电器和接近开关的主要部件。它通常有两个软磁性材料做成的、无磁时断开的金属簧片触点，有的还有第三个作为常闭触点的簧片。这些簧片触点被封装在充有惰性气体或真空的玻璃管里，玻璃管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭触点。

干簧管比一般机械开关结构简单、体积小、速度高、工作寿命长；而与电子开关相比，它又有抗负载冲击能力强的特点，工作可靠性很高。

干簧管的结构及工作原理

干簧管的工作原理非常简单，两片端点处重迭的可磁化的簧片(通常由铁和镍这两种金属所组成的)密封于一玻璃管中，两簧片呈交迭状且间隔有一小段空隙(仅约几个微米)，这两片簧片上的触点上镀有层很硬的金属，通常都是铑和钌，这层硬金属大大提升了切换次数及产品寿命。玻璃管中装填有高纯度的惰性气体(如氮气)，部份干簧开关为了提升其高压性能，更会把内部做成真空状态。

干簧片的作用相当与一个磁通导体。在尚未操作时，两片簧片并未接触；在通过永久磁铁或电磁线圈产生的磁场时，外加的磁场使两片簧片端点位置附近产生不同的极性, 当磁力超过簧片本身的弹力时，这两片簧片会吸合导通电路；当磁场减弱或消失后,干簧片由于本身的弹性而释放，触面就会分开从而打开电路。

基本的全密封形态 Form A ( 常开 ) 磁簧开关的基本结构与组件

以上是Form A (常开 (N.O.)或单刀单掷 (SPST) 干簧开关。 Form B 是代表一个常闭开关，Form C (单向双掷(SPDT))是代表一个开关带有一个共用簧片，一个常开片和一个常闭片(见下图)。

Form C (单刀双掷 (SPDT) 三个簧片的磁簧开关的基本结构。

可切换的簧片，在没有磁场时是与常闭片接触，当足够强度的磁场产生时,该簧片会移向常开片，而常开片与常闭片都是固定不动的。这两固定片与可摆动切换的簧片均为铁磁片，只是常闭的干簧片触点表面部份是由非磁性的金属熔焊于干簧片上的。

置于磁场下时，两旁位于常开与常闭的固定片具相同极性，且和可摆动簧片极性相反，常闭端的非磁性金属会隔离磁通，因此当常开端与可摆动簧片之间的磁力够大时, 摆动簧片将与常开片接触闭合。

通常情况下，令干簧开关的干簧片吸合方式有两种：1、使用永久性磁铁； 2、使用外加线圈。

干簧开关管在磁场下闭合

干簧开关在永久磁铁产生的磁场下之基本操作情况，两簧片呈相反极性, 而在两簧片间产生足够的吸力而互相接触。

干簧开关管在磁场下闭合

将干簧开关放置在线圈中心轴位置，磁场在这部份是最强的，两干簧片呈相反极性，在两簧片间产生足够的吸力而互相接触。

当有一个永久磁铁接近干簧开关时，此两片簧片会被磁化成可相互吸引的不同极性，当磁场够大时，可让两簧片间产生足够的吸引力而互相接触。干簧片都是经过回火处理的，以便消除剩磁，所以当磁场退去后，在干簧片上的磁场随即消失。

干簧管的分类

干簧管按不同的观点所分类如下：

1、按簧片开关以对大气性分类：

封入型

开放型

2、按接点构造分类

A型：属于经常开离型簧片开关。 在施加外部磁场时接点才闭合，而在平常时，保持开离状态。

B型：属于经常闭合型簧片开关。 在施加外部磁场时接点才开离，而在平常时，保持闭合状态。

C型：转接开关型。

3、按机能分类

非自行保持型：具有可依外部磁场之有无而起作用之特征(单稳定型)。

自行保持型：一但起作用以后，即使除掉外部磁场，仍可保持原来状态(双稳定型)。

4、按形状分类

大型：玻璃管长30～60mm，玻璃管径3.5～6mm。

中型：玻璃管长20～30mm，玻璃管径2.5～3.5mm。

小型：玻璃管长5～20mm，玻璃管径1.5～2.5mm。

干簧管的特点

优点

1、干簧管的优点是其体积小、重量轻，这使得它们易于安装且不显眼。由于操作开关体积很小，因而无需复杂的凸轮或曲柄，所以不会出现金属疲劳现象，保证了几乎无限的使用寿命。并且能够安装在有限的空间里，很适合用于微型设备。 磁簧开关和合适的磁铁价格便宜且容易获取。干簧管最主要的是一种非接触式的密封开关。

2、磁簧开关的开关元器件被密封于惰性气体中，不与外界环境接触，这样就大大减少了接点在开、闭过程中由于接点火花而引起的接点氧化和碳化。并防止外界蒸气和灰尘等杂质对接点的侵蚀。工作寿命长。

3、簧片细而短，有较高的固有频率，提高了接点的通断速度，其开关速度要比一般的电磁继电器快5~10倍。

缺点

1、首先，触点和簧片是相当小而精致的，所以它们难以承受高压或大电流。 电流过大时，簧片会因过热失去弹性。即开关容量小，接点易产生抖动以及接点接触电阻大。

2、干簧管有电压和电流额定值。 虽然功率W=电压I*电流U，同样的功率可能由不同的电压和电流组合得到。切记不要超过额定电流。例如，10V*1A = 10W，同时1V*10A=10W，在第二种情况下，电流会太大。如果您要使用大电流，由继电器线圈与磁簧开关组成的继电器电路是更合适的选择。

3、故障排查工序多。故障干簧管需要用专用仪器（如AT值测试器、绝缘耐压测试器、内阻测试器等）检测。

4、不适合误差范围小的产品设计：AT值范围大，从成本角度考虑不能保证批量产品的AT值都相同，并且配套磁石也不尽相同。

5、由于磁簧开关是相当脆弱的，如果引出线焊接到较厚器件上，很容易破损玻璃和密封件。 如果你需要弯曲引出线，需要恰当选择引出线的弯曲点。

干簧管与霍尔效应传感器的比较

干簧管与霍尔效应传感器同属于磁敏元件，并且随着技术的发展，霍尔传感器的应用也越来越广泛。那么在应用中，是选择干簧管还是霍尔效应传感器，我们在此对它们做些比较。

1、霍尔效应传感器一般价格低，随着传感器技术的不断提升，当前的霍尔效应传感器不再需要昂贵的电源电路供电，如霍尼韦尔的SL353，其内部集成了电源电路，工作电压范围可以从2.2VDC到5.5VDC，而成本没有明显升高。而干簧管不需要外部供电，在磁场的作用下即能实现吸合与释放的状态转换。

霍尔传感器需要外部供电，随着电子技术的快速发展，霍尔传感器的功耗也越来越小，如霍尼韦尔的SL353LT，其室温下平均工作电流仅1.8uA，是电池供电的应用理想的选择。

2、干簧管传感器无磨损元件，但还是机电式结构，其工作寿命取决于弹片的弹性，在低负载时(在10mA及低于5V或更低时)工作可达百万次。而霍尔效应传感器是全电子固态结构，其工作没有次数限制。

3、干簧管传感器开关的触点在导通时有极低的导通电阻，典型值低到50mΩ，能直接开关信号范围从几纳伏到千伏，电流从微安级到安培级。但有一点值得注意的是，干簧管工作电流越高，产生的热量多，温度越高，其弹片的弹性下降，其工作与释放的次数将急速下降。

所以干簧管虽然能工作上百万次，其前提是低负载，其工作于高负载条件如大电流或高电压下，是牺牲工作次数也就是其寿命为代价的。而霍尔效应传感器采用半导体材料，如果需要驱动大电流系统，还面外置功率放大器，但对于当前大多数电池供电、低能耗的应用来说，霍尔效应传感器也是理想的选择。

4、干簧管传感器是密封的，因此它能几乎工作于任何环境。对温度环境没有影响，典型的工作温度范围从-50℃到+150℃，无特别附加条件、限制或费用。当前的霍尔效应传感器工作温度范围也有较大改善，如霍尼韦尔的SL353，正常工作范围是-40℃到+80℃，但是最大额定范围可以从-40℃到+150℃。

5、干簧管传感器电气（金属）部分是密封于玻璃外壳中，而玻璃外壳易碎。其抗冲击及震动的能力差，在运送和加工过程中容易受损，加工损耗大，影响产品及寿命。

当安装到印刷电路板（PCB）上时必须注意PCB板的变形、以及干簧管本身金属与玻璃不同的热膨胀特性，这些因素引起的应力可能损伤干簧管的玻璃-金属密封。

所以在PCB板上安装干簧管时，建议形成引线角，并在PCB板与干簧管之间留下适当空间。同时，在焊接特别是手工焊接时，需注意焊接温度与焊接时间等的控制。

6、霍尔传感器越来越小，如霍尼韦尔的SL353，采用S0T-23的封装，连引脚在一起，尺寸在2.8*2.9mm范围内，且不需其他的外围元件。 霍尔传感器加工时可以使用SMT技术，加工成本低，加工过程也不易损坏。

7、干簧管传感器簧片轻而短，采用的是机械结构，有固有频率，不能将干簧管用于比其固有谐振频率以上的场合。当干簧管从30cm以上的高度跌落到硬表面（地面）时，其电气特性（启动、释放等状态）可能被改变。而霍尔效应传感器则不会受到影响，工作更加可靠。

8、干簧管开关从输入到输出有优良的绝缘及开关的绝缘电阻高，其断开时漏电流为零，而霍尔传感器因其半导体结构，漏电流通常不为零，不适合应用到需要0漏电流的场合。

通过上面的比较，我们可以看出，霍尔效应传感器与干簧管都有各自的优点与缺点，它们在很多应用中互换没有技术上的障碍。

干簧管的应用

磁簧开关在手机、程控交换机、复印机、洗衣机、电冰箱、照相机、消毒碗柜、门磁、电磁继电器、电子衡器、液位计、远传煤气表水表、IC卡煤气表水表、电子煤气表水表中都得到很好的应用，电子电路中只要使用自动开关，基本上都可以使用磁簧开关。

汽车：压力传感器，液位传感器，位置传感器，电流传感器，振动探测器，温度探测器。

家电产品：水电气表之计数器，电炒锅电饭锅之温度传感器和位置传感器，空调加湿器等。

健康器材：自行车计速器，跑步器，运动器材之位置开关。

玩具：电子玩具之位置开关控制音乐闪光等效果。

干簧管继电器用于IC万用表，控制系统，数字测试设备。安防系统门窗磁，门锁。

干簧管在汽车行业的应用

干簧管在干簧继电器中的应用

干簧管可应用于干簧继电器。一个线圈内的一个或多个磁簧开关磁簧继电器，以得到多对极点的干簧继电器。

干簧继电器工作电流时使用的是比较低的，并提供高运行速度，良好的性能，这是不可靠的切换由传统的接触，高可靠性和长寿命的非常小的电流。 在20世纪70年代和80年代，以百万计的干簧继电器，用于在电话交流 。

尤其是，它们被用来TXE在英国家庭的电话交流切换。 簧片触点周围的惰性气氛中确保氧化将不会影响的接触电阻。 有时使用水银湿簧继电器，尤其是在高速计数电路。

干簧继电器的优点：

(1)体积小，质量轻；

(2)簧片轻而短，有固有频率，可提高接点的通断速度，通断的时间仅为1～3ms，比一般的电磁继电器快5～10倍；

(3)接点与大气隔绝，管内有稀有气体，可减少接点的氧化合碳化,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。

干簧管在油位传感器中的应用

干簧管是各种车用油箱油位传感器的极好替代品，油（液）位传感器共分两类：一类是用滑动电位器为基本检测元件，它是由浮子带动电位器，再用欧姆表检测其阻值，从而达到显示油位的目的，但当油垢覆盖电位器后，其阻值会发生变化，造成误差太大，甚至不能使用，此类油箱传感器成为寿命很短的易损件。

另一类是用电感线圈为基本检测元件。它是用浮子带动电感线圈，改变震当电路的震荡频率，再通过频率计检测其频率来测定油（液）位。但其结构复杂，调试麻烦，成本高，价格贵，不能被广泛使用。所以，利用干簧管寿命长、动作安全可靠、无火花等特性生产的液位传感器,是现用各种车用油箱油位传感器的极好替代品。

干簧管在磁性传感器中的应用

干簧管除了应用于干簧继电器和传感器外，干簧管（磁簧开关）被广泛用于电路控制，尤其是在通信领域。磁簧开关磁铁驱动中常用的机械系统， 接近传感器 。 例子是门和窗传感器在防盗报警系统和防篡改方法。

笔记本电脑使用磁簧开关，把笔记本电脑的睡眠/休眠模式，当盖子被关闭。自行车车轮和汽车齿轮的转速传感器使用磁簧开关，简单驱动每个车轮上的磁铁时通过传感器。

以前用于磁簧开关在计算机终端，其中每个键有一个磁铁，通过按压键致动的簧片开关的键盘；正在使用更便宜的开关。 电气和电子踏板键盘所使用的管风琴 ， 电子琴玩家经常使用磁簧开关，接触的玻璃外壳，保护其不受污垢，灰尘，和其他微粒。

它们也可能被用于控制潜水设备如手电筒或相机，它必须被密封，以保持加压水。

干簧管在高危环境中的应用

干簧管可以为高真空式或惰性气体填充式，干簧管将控制电路通断时触点产生的火花封闭在管身内，使其完全与爆炸性气体和煤尘隔绝，达到防止爆炸、提高安全系数的目的。

干簧管的玻璃管内装有两根强磁性簧片，将此置于管内一端使之以一定间隙彼此相对。玻璃管内封入惰性气体，同时触点部位镀铑或铱，以防止触点的活性化。干簧管利用线圈或永磁体，为簧片诱导出N极和S极，后因这种磁性的吸引力而开始吸合。

当解除磁场时，由于簧片所具有的弹性，触点即刻恢复原状并打开电路。隔爆型干簧管按钮和开关适用于含有爆炸性气体和煤尘的矿井，以及含有爆炸性气体的工厂、船舶等危险场所，用做本质安全型控制电路和非本质安全型控制电路的控制之用