CN205584167U - 一种磁性接近开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁性接近开关，包括用于产生磁场的励磁、用于测量磁场的磁性传感单元和用来将磁性传感单元的输出信号处理为开关信号的电路模块，磁性传感单元为梯度全桥结构或梯度半桥结构；梯度半桥结构包括两个串联的磁电阻；所述梯度全桥结构包括四个磁电阻，其中的两个串联的磁电阻与另两个串联的磁电阻并联；所述磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成；所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件，磁性传感元件的磁场敏感方向相同；所述磁性传感单元与电路模块电连接。本实用新型还可以包括骨架。本实用新型的磁性接近开关具有无视环境脏污、灵敏度高、体积小、精度高和抗干扰能力强的特点。

Description

一种磁性接近开关

技术领域

本实用新型涉及一种开关传感器，特别是一种磁性接近开关。

背景技术

接近开关在航空航天、现代工业、生活和消费电子产品中有广泛的应用，尤其是电梯、宾馆、车库等场所的自动门、自动热风机上都有广泛的应用。接近开关主要用于检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位置。

常用的接近式开关主要为电容式接近开关、光电式接近开关、涡流式接近开关以及霍尔接近开关。电容式接近开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。但是电容式接近开关的灵敏度偏低，且容易受环境的影响，例如脏污，维护上较为麻烦；光电式接近开关利用光敏传感器和发光模块做成开关。当有遮挡物（被检测物体）接近时，将发光模块发射的光束挡住，光敏传感器此时处于低电平，由此便可“感知”有物体接近。由于此类接近开关的发光器件容易脏污，因此要定期维护，具有安全隐患；涡流式接近开关是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。该类接近开关由于其后端的电路模块算法复杂，因此其功耗很大，且体积较大，测量精度不高。霍尔接近开关是常用的磁性接近开关，当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。采用磁性接近开关的优势是不会受到脏污的影响，但是会收到干扰磁场的影响，同时，采用霍尔元件为敏感元件的磁性接近开关其灵敏度很低，因此不能实现远距离测量。

由上述不难看出，现有的接近开关会受到环境脏污的影响，具有安全隐患，且精度较低，维护成本高，灵敏度低，无法实现远距离测量。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种磁性接近开关，该磁性接近开关具有无视环境脏污、灵敏度高、体积小、精度高和抗干扰能力强的特点。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种磁性接近开关，包括用于产生磁场的励磁、用于测量磁场的磁性传感单元和用来将磁性传感单元的输出信号处理为开关信号的电路模块，

所述磁性传感单元为梯度全桥结构或梯度半桥结构；

所述梯度半桥结构包括两个串联的磁电阻；所述梯度全桥结构包括四个磁电阻，其中的两个串联的磁电阻与另两个串联的磁电阻并联；

所述磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成；所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件，磁性传感元件的磁场敏感方向相同；

所述磁性传感单元与电路模块电连接。

作为本实用新型所述的一种磁性接近开关进一步优化方案，还包括骨架，所述骨架用来固定磁性传感单元和电路模块。

作为本实用新型所述的一种磁性接近开关进一步优化方案，还包括骨架，所述骨架用来固定磁性传感单元、电路模块和励磁。

作为本实用新型所述的一种磁性接近开关进一步优化方案，所述骨架具有凹陷。

作为本实用新型所述的一种磁性接近开关进一步优化方案，还包括2个骨架，其中，一个骨架用来固定励磁，另一个骨架用来固定磁性传感单元和电路模块。

作为本实用新型所述的一种磁性接近开关进一步优化方案，所述骨架是非磁性物质。

作为本实用新型所述的一种磁性接近开关进一步优化方案，所述巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构。

作为本实用新型所述的一种磁性接近开关进一步优化方案，所述多层膜结构包括纳米级薄膜自由层、非磁性层以及钉扎层，纳米级薄膜自由层、钉扎层分别位于非磁性层的上下两侧。

作为本实用新型所述的一种磁性接近开关进一步优化方案，所述励磁为永励磁或电磁铁。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本实用新型中的磁性传感单元采用灵敏度和精度高，同时体积小的各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为优选的敏感元件，由于上述磁性传感元件的高灵敏度特性，其可以在较长的距离下实现高精度测量；

（2）本实用新型中的磁性传感单元采用梯度半桥或梯度全桥结构，由于梯度计式传感器只对梯度场敏感，因此对于大的干扰磁场（为均匀场）并不敏感，解决了磁场干扰问题；

（3）本实用新型的磁性接近开关具有无视环境脏污、灵敏度高、体积小、精度高和抗干扰能力强的特点。

附图说明

图1是本实用新型提出的磁性接近开关的结构示意俯视图。

图2是本实用新型提出的磁性接近开关的结构示意侧视图。

图3是梯度半桥式磁性传感单元的电连接示意图。

图4是梯度半桥式磁性传感单元的输出信号图。

图5是梯度全桥式磁性传感单元的电连接示意图。

图6是梯度全桥式磁性传感单元的物理位置图。

图7是梯度全桥式磁性传感单元的输出信号图。

图8是本实用新型提出的磁性接近开关的输出信号图。

图中的附图标记解释为：1-磁性传感单元的磁场敏感方向，11-磁性传感单元，21-遮挡物，32-励磁施加的磁场，12-励磁，31-励磁的充磁方向，13-骨架，71-第一磁电阻，72-第二磁电阻，73-第三磁电阻，74-第四磁电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

图1是本实用新型提出的磁性接近开关的结构示意俯视图，图2是本实用新型提出的磁性接近开关的结构示意侧视图；如图1和图2所示，本实用新型提出的磁性接近开关包括磁性传感单元11、励磁12、电路模块（图中未标示）以及骨架13。磁性传感单元11用以测量励磁12施加的磁场32，当没有遮挡物21经过时，磁性传感单元11处于高输出电压值，当有遮挡物21经过时，励磁12的磁场分布发生变化，磁性传感单元11的输出处于低输出电压值。电路模块和磁性传感单元11电连接，其用以将磁性传感单元11的输出信号处理为开关信号，其输出信号的模拟结果如图7所示，在工作场H ₁和H ₂之间，接近开关输出一开关信号。其中，遮挡物21为包含磁性材料的物质，其运动方向平行于y轴，31是励磁12的充磁方向，1是磁性传感单元的磁场敏感方向，在本实施例中，磁场敏感方向1平行于z轴。励磁12的充磁方向31可以是任意方向，磁场敏感方向1也可以是任意方向，可根据实际需求设置。

本实施例中，磁性传感单元11、励磁12以及电路模块共用一个骨架13，骨架13的作用为固定前述的部件，该骨架13具有凹陷以便于遮挡物21通过。实际使用中，也可将磁性传感单元11和电路模块固定在一个骨架中，励磁12位于另一个骨架中；或者该接近开关不需要骨架，只是固定即可；也可以将磁性传感单元11和电路模块固定在骨架中，励磁12不需要骨架。前述的磁性传感单元11、励磁12以及电流模块可以位于骨架13内，也可固定在其上。

励磁12可以是永励磁，也可以是电磁铁，可根据实际需求设置。

就结构而言，图1和图2披露的结构依然是常用的磁性接近开关的结构，因此依然具有两个缺陷：（1）采用以霍尔元件为敏感元件的磁性传感单元精度和灵敏度都很低，因此不能实现长间距的测量，同时会有安全隐患；（2）磁性传感单元会受到外场的影响，因此会出现误跳操作，具有安全隐患。

针对问题（1），本实用新型中的磁性传感单元11采用灵敏度和精度高，同时体积小的各向异性磁电阻元件（AMR）、巨磁电阻元件（GMR）或磁性隧道结元件（MTJ）为优选的敏感元件，由于上述磁性传感元件的高灵敏度特性，其可以在较长的距离下实现高精度测量。

针对问题（2），本实用新型中的磁性传感单元11采用梯度半桥或梯度全桥结构。由于梯度计式传感器只对梯度场敏感，因此对于大的干扰磁场（为均匀场）并不敏感，解决了磁场干扰问题。

通常磁性传感单元为单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻结构包括一个磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的磁电阻；所述全桥结构包括两个并联的半桥结构；所述磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成，所述磁性传感元件包括各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件。巨磁电阻元件和磁性隧道结元件是一种阻值随外磁场变化而变化的磁电阻元件，通过现有的技术磁电阻元件的R-H（阻值-外磁场）曲线具有低磁滞，高饱和场和宽线性范围的特性，相对于传统的磁性传感元件如电感线圈和霍尔元件具有更高的精度和更好的温度特性，相比于各向异性磁电阻元件具有更高的饱和场，其作为磁性传感单元的敏感元件是最理想的。

巨磁电阻元件以及磁性隧道元件的结构图和工作原理，以及磁性传感器芯片的具体工作方式可参考公开号为CN103645369A的中国专利：一种电流传感装置以及公开号为CN204740297U的中国专利：电磁辐射测量模块。

图3是梯度半桥结构的电连接示意图。如图所示，第一磁电阻71和第二磁电阻72串联起来，三个端口V _IN、GND以及V _OUT接入系统，V _IN和GND之间通入稳恒电压或电流。第一磁电阻71和第二磁电阻72沿着磁场敏感方向1的位于不同的位置，由于磁场32是梯度场，沿着磁场梯度方向的场强大小不同，因此第一磁电阻71和第二磁电阻72的阻值不同，进而产生输出，其输出曲线和外场H的依赖关系如图4所示。当没有遮挡物时，由于磁场32不变，因此磁性传感单元11的输出电压为一恒定值；当含有磁性物质的遮挡物21经过励磁12和磁性传感单元11之间的位置时，磁场32的分布发生变化，有部分磁力线被遮挡物21屏蔽，磁性传感单元11的输出电压位于低电压输出。

图5是梯度全桥结构的电连接示意图。如图所示，第一磁电阻71和第二磁电阻72串联，第三磁电阻73和第四磁电阻74串联，串联的两个电阻对再并联，端口V _IN和GND之间通入稳恒电压或电流。

图6是梯度全桥的物理位置摆放图。如图所示，1是磁性传感单元的磁场敏感方向，沿着磁场敏感方向1的方向，第一磁电阻71和第四磁电阻74的位置相同，第二磁电阻72和第三磁电阻73的位置相同。在没有外场的作用下，磁电阻71、72、73、74的阻值相同，输出端没有电势差，无输出。当磁场32施加于四个磁电阻上时，由于该磁场是梯度场，沿着梯度方向的场强大小不同，则沿着磁场敏刚方向1位置相同的第一磁电阻71和第四磁电阻74的电阻值相同，第二磁电阻72和第三磁电阻73的电阻值相同，第一磁电阻71和第二磁电阻72（第三磁电阻73和第四磁电阻74）的阻值不同，则梯度全桥的输出端V+和V-之间具有输出电压V _OUT，其输出值和外场的依赖关系如图7所示。当没有遮挡物时，由于磁场32不变，因此磁性传感单元11的输出电压为一恒定值；当含有磁性物质的遮挡物21经过励磁12和磁性传感单元11之间的位置时，磁场32的分布发生变化，有部分磁力线被遮挡物21屏蔽，磁性传感单元11的输出电压位于低电压输出。

无论是梯度半桥还是梯度全桥，其输出信号通过电路模块处理后输出开关信号，其输出曲线图如图8所示。工作场H ₁和H ₂可根据需求设置，不一定是饱和场H _S大小。现有的电路设计可以实现将线性信号转化为开关信号，因此电路模块为一公知常识，在此不赘述，具体可参考中国公开号为CN102901941A的专利：用于磁开关传感器的电路以及中国公开号为CN102931965A的专利：一种用于开关传感器的电路。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种磁性接近开关，包括用于产生磁场的励磁、用于测量磁场的磁性传感单元和用来将磁性传感单元的输出信号处理为开关信号的电路模块，其特征在于，

所述磁性传感单元为梯度全桥结构或梯度半桥结构；

所述梯度半桥结构包括两个串联的磁电阻；所述梯度全桥结构包括四个磁电阻，其中的两个串联的磁电阻与另两个串联的磁电阻并联；

所述磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成；所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件，磁性传感元件的磁场敏感方向相同；

所述磁性传感单元与电路模块电连接。

2.如权利要求1所述的一种磁性接近开关，其特征在于，还包括骨架，所述骨架用来固定磁性传感单元和电路模块。

3.如权利要求1所述的一种磁性接近开关，其特征在于，还包括骨架，所述骨架用来固定磁性传感单元、电路模块和励磁。

4.如权利要求3所述的一种磁性接近开关，其特征在于，所述骨架具有凹陷。

5.如权利要求1所述的一种磁性接近开关，其特征在于，还包括2个骨架，其中，一个骨架用来固定励磁，另一个骨架用来固定磁性传感单元和电路模块。

6.如权利要求2-5中任意一项所述的一种磁性接近开关，其特征在于，所述骨架是非磁性物质。

7.如权利要求1所述的一种磁性接近开关，其特征在于，所述巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构。

8.如权利要求7所述的一种磁性接近开关，其特征在于，所述多层膜结构包括纳米级薄膜自由层、非磁性层以及钉扎层，纳米级薄膜自由层、钉扎层分别位于非磁性层的上下两侧。

9.如权利要求1所述的一种磁性接近开关，其特征在于，所述励磁为永励磁或电磁铁。