Deel 1: Belangrijkste vereisten voor het toetsenbordtestapparaat Solenoïde
1.1 Vereisten voor magnetische velden
Om toetsenbordtoetsen effectief aan te sturen, moeten solenoïden van toetsenbordtestapparaten voldoende magnetische veldsterkte genereren. De specifieke vereisten voor magnetische veldsterkte zijn afhankelijk van het type en ontwerp van de toetsenbordtoetsen. Over het algemeen moet de magnetische veldsterkte voldoende aantrekkingskracht kunnen genereren, zodat de toetsaanslag voldoet aan de triggervereisten van het toetsenbordontwerp. Deze sterkte ligt meestal tussen de tientallen en honderden Gauss (G).
1.2 Vereisten voor de reactiesnelheid
Het toetsenbordtestapparaat moet elke toets snel testen, dus de reactiesnelheid van de solenoïde is cruciaal. Na ontvangst van het testsignaal moet de solenoïde in staat zijn om in zeer korte tijd voldoende magnetisch veld te genereren om de toetsaanslag aan te sturen. De reactietijd moet meestal op milliseconden (ms) liggen. Het snel indrukken en loslaten van de toetsen kan nauwkeurig worden gesimuleerd, waardoor de werking van de toetsen, inclusief de bijbehorende parameters, effectief en zonder vertraging kan worden gedetecteerd.
1.3 Nauwkeurigheidsvereisten
De actienauwkeurigheid van de solenoïde is cruciaal voor een nauwkeurige werking. Het toetsenbordtestapparaat moet de diepte en kracht van de toetsaanslag nauwkeurig regelen. Bij het testen van sommige toetsenborden met triggerfuncties op meerdere niveaus, zoals sommige gamingtoetsenborden, kunnen de toetsen bijvoorbeeld twee triggermodi hebben: lichte en zware toetsaanslag. De solenoïde moet deze twee verschillende triggerkrachten nauwkeurig kunnen simuleren. Nauwkeurigheid omvat positienauwkeurigheid (de nauwkeurigheid van de verplaatsing van de toetsaanslag) en krachtnauwkeurigheid. De verplaatsingsnauwkeurigheid moet mogelijk binnen 0,1 mm liggen en de krachtnauwkeurigheid kan rond de ±0,1 N liggen, afhankelijk van verschillende testnormen, om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de testresultaten te garanderen.
1.4 Stabiliteitsvereisten
Een stabiele werking op lange termijn is een belangrijke vereiste voor de solenoïde van het toetsenbordtestapparaat. Tijdens de continue test mogen de prestaties van de solenoïde niet significant fluctueren. Dit omvat de stabiliteit van de magnetische veldsterkte, de stabiliteit van de reactiesnelheid en de stabiliteit van de actienauwkeurigheid. Bij grootschalige toetsenbordproductietests kan het bijvoorbeeld nodig zijn dat de solenoïde uren of zelfs dagenlang continu werkt. Als de prestaties van de elektromagneet gedurende deze periode fluctueren, bijvoorbeeld door een afname van de magnetische veldsterkte of een lage reactiesnelheid, zullen de testresultaten onnauwkeurig zijn, wat de beoordeling van de productkwaliteit beïnvloedt.
1.5 Duurzaamheidseisen
Vanwege de noodzaak om de toetsaanslag frequent aan te sturen, moet de solenoïde een hoge duurzaamheid hebben. De interne solenoïdespoelen en plunjer moeten bestand zijn tegen frequente elektromagnetische omzetting en mechanische belasting. Over het algemeen moeten solenoïden van toetsenbordtestapparaten miljoenen schakelingen kunnen weerstaan, en daarbij zullen zich geen problemen voordoen die de prestaties beïnvloeden, zoals doorbranden van solenoïdespoelen en slijtage van de kern. Zo kan het gebruik van hoogwaardig geëmailleerd draad voor de productie van spoelen hun slijtvastheid en hoge temperatuurbestendigheid verbeteren, en kan de keuze van een geschikt kernmateriaal (zoals zacht magnetisch materiaal) het hystereseverlies en de mechanische vermoeidheid van de kern verminderen.
Deel 2: Structuur van de solenoïde van een toetsenbordtester
2.1 Solenoïdespoel
- Draadmateriaal: Geëmailleerde draad wordt meestal gebruikt voor de vervaardiging van de solenoïdespoel. Aan de buitenkant van de geëmailleerde draad bevindt zich een isolerende laag verf om kortsluiting tussen de solenoïdespoelen te voorkomen. Veelgebruikte materialen voor geëmailleerde draad zijn koper, omdat koper een goede geleiding heeft en de weerstand effectief kan verminderen. Dit vermindert energieverlies bij het passeren van stroom en verbetert de efficiëntie van de elektromagneet.
- Windingenontwerp: Het aantal windingen is bepalend voor de magnetische veldsterkte van de buisvormige solenoïde voor een toetsenbordtestapparaat. Hoe meer windingen, hoe groter de magnetische veldsterkte die bij dezelfde stroomsterkte wordt gegenereerd. Te veel windingen verhogen echter ook de weerstand van de spoel, wat leidt tot verhittingsproblemen. Daarom is het zeer belangrijk om het aantal windingen goed te ontwerpen op basis van de vereiste magnetische veldsterkte en de stroomvoorziening. Voor een toetsenbordtestapparaatsolenoïde die een hogere magnetische veldsterkte vereist, kan het aantal windingen bijvoorbeeld tussen de honderden en duizenden liggen.
- Vorm van de solenoïdespoel: De solenoïdespoel is over het algemeen gewikkeld op een geschikt frame en heeft meestal een cilindrische vorm. Deze vorm bevordert de concentratie en gelijkmatige verdeling van het magnetische veld, waardoor het magnetische veld bij het aansturen van de toetsen effectiever kan inwerken op de aansturende componenten van de toetsen.
2.2 Solenoïde plunjer
- Plunjermateriaal: De plunjer is een belangrijk onderdeel van een solenoïde en zijn belangrijkste functie is het versterken van het magnetische veld. Over het algemeen worden zachte magnetische materialen zoals elektrisch koolstofstaal en siliciumstaalplaten gekozen. De hoge magnetische permeabiliteit van zachte magnetische materialen kan de doorgang van het magnetische veld door de kern vergemakkelijken, waardoor de magnetische veldsterkte van de elektromagneet wordt verbeterd. Neem bijvoorbeeld siliciumstaalplaten: dit is een siliciumhoudende gelegeerde staalplaat. Door de toevoeging van silicium worden het hystereseverlies en wervelstroomverlies van de kern verminderd en de efficiëntie van de elektromagneet verbeterd.
- Plunjervorm: De vorm van de kern komt meestal overeen met die van de solenoïdespoel en is meestal buisvormig. In sommige ontwerpen bevindt zich aan één uiteinde van de plunjer een uitstekend deel, dat wordt gebruikt om direct contact te maken met of de aandrijfcomponenten van de toetsen te benaderen, om de magnetische veldkracht beter over te brengen op de toetsen en de toetsaanslag aan te sturen.
2.3 Huisvesting
- Materiaalkeuze: De behuizing van de solenoïde van het toetsenbordtestapparaat beschermt voornamelijk de interne spoel en de ijzeren kern, en kan ook een zekere elektromagnetische afschermende rol spelen. Metalen materialen zoals roestvrij staal of koolstofstaal worden meestal gebruikt. Een behuizing van koolstofstaal is sterker en corrosiebestendiger en kan zich aanpassen aan verschillende testomgevingen.
- Structureel ontwerp: Bij het structurele ontwerp van de behuizing moet rekening worden gehouden met installatiegemak en warmteafvoer. Er zijn doorgaans montagegaten of sleuven voorzien om de elektromagneet gemakkelijker op de corresponderende positie van de toetsenbordtester te kunnen bevestigen. Tegelijkertijd kan de behuizing worden voorzien van warmteafvoervinnen of ventilatiegaten om de warmte die de spoel tijdens gebruik genereert, af te voeren en schade aan de elektromagneet door oververhitting te voorkomen.
Deel 3: De werking van de solenoïde van het toetsenbordtesttoestel is hoofdzakelijk gebaseerd op het principe van elektromagnetische inductie.
3.1.Basisprincipe van elektromagnetisme
Wanneer stroom door de spoel van de solenoïde loopt, ontstaat er volgens de wet van Ampère (ook wel de wet van de rechtse schroef genoemd) een magnetisch veld rond de elektromagneet. Als de spoel rond de ijzeren kern gewikkeld is, concentreren de magnetische veldlijnen zich in en rond de ijzeren kern, omdat de ijzeren kern een zacht magnetisch materiaal is met een hoge magnetische permeabiliteit. Hierdoor wordt de ijzeren kern gemagnetiseerd. De ijzeren kern gedraagt zich dan als een sterke magneet en genereert een sterk magnetisch veld.
3.2. Neem bijvoorbeeld een eenvoudige buisvormige solenoïde. Wanneer de stroom door één uiteinde van de spoel van de solenoïde stroomt, houd dan de spoel vast met vier vingers in de richting van de stroom, volgens de regel van de rechtshandige schroef. De richting die met de duim wordt aangegeven, is de noordpool van het magnetische veld. De sterkte van het magnetische veld is gerelateerd aan de stroomsterkte en het aantal windingen van de spoel. Deze relatie kan worden beschreven met de wet van Biot-Savart. Tot op zekere hoogte geldt: hoe groter de stroomsterkte en hoe meer windingen, hoe groter de magnetische veldsterkte.
3.3 Aandrijfproces van toetsenbordtoetsen
3.3.1. Wanneer de solenoïde van een toetsenbordtestapparaat onder spanning staat, wordt een magnetisch veld gegenereerd dat de metalen onderdelen van de toetsen (zoals de toetsschacht of metaalsplinters, enz.) aantrekt. Bij mechanische toetsenborden bevat de toetsschacht meestal metalen onderdelen, en het magnetische veld dat door de elektromagneet wordt gegenereerd, zal de schacht naar beneden trekken, waardoor de actie van het indrukken van de toets wordt gesimuleerd.
3.3.2. Neem het gewone mechanische toetsenbord met de blauwe as als voorbeeld. De magnetische veldkracht die door de elektromagneet wordt gegenereerd, werkt in op het metalen deel van de blauwe as, waardoor de elastische kracht en wrijving van de as worden overwonnen. Hierdoor beweegt de as naar beneden, wordt het circuit in het toetsenbord geactiveerd en wordt een toetsaanslagsignaal gegenereerd. Wanneer de elektromagneet wordt uitgeschakeld, verdwijnt het magnetische veld en keert de toetsas terug naar zijn oorspronkelijke positie onder invloed van zijn eigen elastische kracht (zoals de elastische kracht van de veer), wat het loslaten van de toets simuleert.
3.3.3 Signaalcontrole en testproces
- Het besturingssysteem in de toetsenbordtester regelt de in- en uitschakeltijd van de elektromagneet om verschillende toetsbedieningsmodi te simuleren, zoals kort indrukken, lang indrukken, enz. Door te detecteren of het toetsenbord correct elektrische signalen kan genereren (via het circuit en de interface van het toetsenbord) bij deze gesimuleerde toetsbewerkingen, kan de werking van de toetsen op het toetsenbord worden getest.
