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接近开关用电感、电容式传感器 |
| 发布日期：2013-2-23 8:59:00 |
接近开关之电感式传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测量转换成线圈的自感或互感的变化的机电
转换测量装置.
作接近开关用的电感式传感器由振荡器、开关电路和放大输出电路三部分组成，如图
12-9所示。振荡器产生交变磁场.当金属目标接近这个交变磁场并达到感应距离时，金属目
标内即能产生涡流，导致振荡衰减，直至停止振荡。振荡器的振荡或停振状态都能被后面的
放大输出级电路处理并被转换成开关信号，进而触发驱动控制器件，这样就达到了非接触检
测的目的。电感式传感器的电流损耗，随着金属目标物距离的趋近而减小。因为目标物越接
近传感器，线圈中的阻尼就越大，传感器振荡器的电流就越小。其接近开关作用情况如图
12-10所示。
接近开关用电感式传感器很适用金属物体的检出。在选型时要注意如下几个步骤:
(”选择外壳形状有圆柱形、矩型、槽形和环形传感器之分。圆柱形传感器的直径仅
3-40mm，在轴线方向有一个感应区域。罩壳材料多采用半晶体状的聚丁烯对苯二甲酸
(PBT)，并通过玻璃纤维增加强度，故这种传感器耐磨，不易变形，耐酸，耐海水，并能承受
200℃的高温。矩型传感器中的象限位开关形式的用在机械辊筒控制杆中起限位开关作用，
在罩壳盖中装有开关放大器、传感器头部可以用向左、右、上、下或向前五种方式定位。矩型
传感器中的FP型开关有一个很大的80mm X 80mm的感应面，故而有一个可以大到60mm
的动作距离，它很适合安装在楼板输送机等系统的齐平安装。槽形传感器具有采用PBT材
料制成的U形罩壳，在U形槽两边的两只线圈建立起交变磁场，当开关凸片这类被测目标
进入两个线圈之间的区域(或缝槽)时，开关即被触发�；沸未衅骺梢允亲畛Ｓ玫穆莨苁讲�
动变压器形式，它把交变磁场集中于环内，当一个金属目标(待测物)进入环内时，开关就触
发动作。
(2)动作距离所谓动作距离，是用标准测试板轴向接近开关感应面时，使开关输出的
信号发生变化时测量的开关感应面和测试板之间的距离。动作距离是接近开关最为重要的
特征。以电感式传感器而论，若以S表示传感器的动作距离，D表示传感器的传感面直径，
则根据物理学原理，D和S之间可用近似公式表达之
S<=D/2
所谓额定动作距离S.，即是在不考虑制造及外部条件所引起的偏差时，开关设计理想的动
作距离。标准测试板系用厚度为1mm的碳钢做成，其尺寸随传感器的直径变化‘测试板边
长或为传感器直径，或为3倍的额定动作距离S ，取二者中较大者�？卦诙疃üぷ鞯缪辜�
室温下测得的动作距离称为有效动作距离(S,)
0. 9S,, S,蕊I .1S.
在允许的环境温度(-25~十70`C)下，输入电压又在额定电压的85%^-110%的范围
内，开关所测得的动作距离，称为可用动作距离((S ),
0.95,(Sv(1. 1S,
所谓可靠动作距离S,，是指在这个动作距离内，开关的动作是可靠的
0成S,<0. 81S,
重复精度R指的是传感器在室温下(23士5)'C，相对湿度随机，供电电压U，允许有
士5%的波动，在8h内进行测量所产生的有效作用距离的变化量
R《0. 1S,
当标准测试板靠近接近开关或离开接近开关时所获得的两个开关点之间的距离差称回
环宽度(H)。在室温下和额定的工作电压范围内，H和s,应有如下关系
H《O.2S,
标准测量板必须轴向接近传感器感应面，才能准确测出动作距离，如图12-11所示。当
然，若标准测量板在有效传感区内作横移，则会有不同的动作距离，且与横移的距离有关，图
12-12描述了这种横移关系的响应曲线.当然，槽型电感式传感器的响应只和目标播进槽口
的深度有关。另外，影响动作距离起重要作用的衰减系数，是指某一种材料的动作距离相对
于st 37号钢减少了多少。对于某一种特定材料，衰减系数越大，则传感器的动作距离越大。
电感式传感器的衰减系数与特征参数的关系曲线如图12-13所示，而特征参数是指导电率
与导磁率之比.
12-2.2电容式传感器
电容式传感器的基本工作原理是基于物体间的电容量及其结构参数之间的关系。电容
器的电容是构成电容器的两极板形状、大小、相互位
置及电介质介电常数的函数。以最简单的如图12-14
所示的平板电容器为例.当不考虑边缘电场影响时，
其电容量C为
式中‘为介质的介电常数;S为极板的面积;S为极板之间的距离。
由(12-1)式可见，平板电容器的电容C是介电常数:、极板面积S和极板间距离8的函
数，即C=f(c,S,8)。电容式传感器就是依据上述关系作为工作原理的。具体地说，只要当被
测运动物体上下移动(8变动)或左右移动((S变化)时，都导致电容c的变化.通过适当的测
量线路即可将该电容变化转化为电压、电流或频率等信号的输出，运动物体位移的大小，可
从输出信号的大小加以测定.若设定输出信号为预定阀值，就成了接近开关，从而可以检测
任何物体.电容式传感器结构简单，价格低廉，灵敏度高，耗能小，且作为非接触型传感器，其
应用广泛，作接近开关仅是应用之一种。
工厂自动化用电容式传感器(接近开关)的工作原理框图如图12-15所示。其感应面由
两个同轴金属电极构成，很像打开的电容器电极，这两个电极构成一个电容，串接在RC振
荡电路中.当电源接通时，RC振荡器不振荡，随着目标物朝着电容器的电极移动，电容器容
童逐渐增大，致使振荡器振荡.通过开关级和输出级电路的处理，停振和振荡两种信号转变
为开关信号，也就起到了检测有无物体存在的目的。电容式传感器能检测金属和非金属物
体，能获得最大动作距离的是金属物体，而非金属物体的动作距离则决定于材料的介电常数
:.‘越大，动作距离越大。当目标物体靠近时，电容式传感器所消耗的电流I随之加大，如图
12-16所示。电容式传感器几乎都有一个电位器以供调节开关距离，其方法是:用一块3X凡
边长的接地的金属板作测试目标，调节电位器使电容式传感器开关在0. 7-0.8S。位置动
作，其他的技术指标则均以此测试目标作为基准.若测试目标是纸或玻璃等具有较低介电常
数的物体时，则还可以通过顺时针方向旋转电位器以增加灵敏度。
常用的电容式传感器(接近开关)有圆柱型、矩型和本质安全型。电容传感器的响应曲线
如图12-17所示。对于电容传感器，其特征参数是相对介电常数，曲线如图12-18所示。
无论是电感式还是电容式传感器，其安装方式都可采用齐平安装和非齐平安装两种。所
谓齐平安装，是指把传感器埋人金属性基座内，其有效感应工作表面与基座面齐平.而非齐
平安装时，传感器不可埋入金属性墓座内，其有效感应工作表面与基座必须保持一定的距
离。用非齐平式传感器能获得最大的可能动作距离。用齐平式传感器则有更好的机械�；�
性能，并具有比非齐平式传感器更低的错误电影响灵敏度。
按电气数据和输出形式，传感器可以有交流和直流两种输出，并有直流二线制、三线制
和四线制之分，交流二线制和交直流二线制之别。
12.3涡流式传感器
涡流式传感器墓于电磁感应原理，其灵敏度虽不及差动变压器，但其显著特点是可以实
现非接触测量。
涡流式传感器的作用原理如图12-19所示.当一块金属物体放在变化着的磁场中，或
者在磁场中移动时，在金属物体中就会感应出一圈圈自相闭合的称为涡流的电流。涡流的
强弱与金属物体的电阻率P、导磁率IAI厚度t,线圈与金属物体的距离.1，以及线圈励磁电
流的角频率。等参数有关.只要确定其中的一些参数，即可用涡流的大小测得另外一些
参数.
涡流式传感器与被测物的等效电路如图12-20所示，从等效电路即可写出两个电压平
衡方程式
由式(12-2)至(12-3)可见，当线圈接近金属物体时，电气参数(等效电阻R,等效电感L，和
等效品质因数Q.,)都是线圈与金属物体之间的互感系数M值的函数，即靠近距离的函数。
由此可知，凡能引起涡流变化的非电量(如金属的电导率、导磁率、形状尺寸，以及线圈与金
属物体的距离等)，均可从测量线圈的R,, , L 和Q.q测盘出来。
涡流式传感器的激励线圈工作在较高频率下，以获得明显的电涡流效应，为此常采用定
频调幅和调频电路加以实现。
定频调幅测距原理线路如图12-21所示.图中的电容C和电感线圈L构成一个并联
LC电路，在没有金属板时，振荡(激励)频率为fo，当存在金属板并改变金属板与传感器之
间的距离x时，检波电压U发生如图12-22所示的变化。这种电路多用于测量位移，若预定
位移阀值，也就成了接近开关.限于篇幅和本章内容，调频电路不再阐述.
12.4磁式接近传感器
作为接近开关的磁式接近传感器，能透过非磁性材料制成的护套而对永久磁场产生响
应，其作用距离大于电感式传感器。响应曲线和基本结构如图12-23所示。由图可见，响应曲
线与永久磁场的方向有关。
当一个永久磁铁或一个外部磁场接近时，线圈铁芯(可以是非晶态或巨莫等高导磁率材
料制成，线圈的电感量L由它决定)的导磁性变小，线圈电感t随之变小，品质因数Q值增
高，激起振荡器振荡，并导致振荡电流的增大.该振荡信号通过处理器放大后转换成开关信
号，从而达到检测作用。
当一个磁性目标靠近时，磁式接近传感器电流i消耗随着增大。当达到S。时，开关由关
闭转揍成开启状杰，如图12-24所示。
磁式接近传感器与电感式传感器相比，其优点是:传感器可以安装在金属中，并排安装
时也没有任何特殊要求;传感器的传感面(顶部)可由金属制造，即可透过金属检测。其缺点
是:动作距离受检测体(永久磁铁)磁场强弱之影响，检测体(永久磁铁)的接近方向会影响动
作距离的长短(径向接近是轴向接近时动作距离的一半);径向接近时可能会出现两个工作
点;固定检测体(永久磁铁)时，只能用非铁磁性物质，不允许用铁氧体或铁螺钉之类铁磁性
物质。
磁式接近传感器的输出形式中，最常用的有本质安全型(NAMUR);故障安全型;直流
二线制、三线制和四线制。交流二线制;交直流二线制;模拟量输出以及公共总线等。
德国P+F公司提供的新的磁式接近传感器可以透过最大至25mm厚的钢板进行位置
检测，这无疑是技术上的一个突破.其工作方法是把永久磁铁吸附在移动的待测物体上，则
在其周围就会产生残余的磁场。当移动待测物体进入开关位置时.安装在诸如钢管厚壁外面
的传感器即能吸收该磁场同时发出开关信号。只要有带磁性待测物体位于开关范围内，传感
器发射出静态输出信号，当待测物体通过开关区域，传感器就会发射出短暂的输出脉冲信
号，这种脉冲检测信号可大到looms.
12. 5霍尔传感器
霍尔传感器是一种根据霍尔效应开发出来的磁敏传感器。由于半导体具有比金属材料
高得多的霍尔系数，所以，用半导体材料制造的霍尔传感器具有对磁场特别敏感、结构简单
且使用方便的特点。非但用于电磁参数〔电流、电压、功率及磁感应强度)的测量，也广泛用于
直线位移等非电量的测量，而接近开关仅仅是预定阀值后作直线位移测t时的特定应用。
如图12-25中，一个橄尔元件(通常选用N型半导体薄片)的两端通以控制电流I，并在
薄片的垂直方向上施加磁场B，则由于洛仑兹力几的作用，在既垂直于电流I又垂直于磁
场B的方向上产生了电动势UH,U，称为霍尔电势或霍尔电压，产生的这种现象称霍尔
效应。
由于洛仑兹力人的作用，电子向一边偏转(图中的O)，形成电子积累，而另一边则形成
正电荷①的积累，此时就形成了电场.该电场阻止运动电子的继续偏转，若电场作用在运动
电子上的力几与洛仑兹力人相等时，电子的积累便达到了动态平衡.此时的霍尔电势U,,
的大小为
UH=R,-,-I -B (V)
a
式中，R二为霍尔常数(m℃一’); I为控制电流(A); B为磁感应强度(T); d为霍尔元件的
厚度(m)。
灵敏度
则
、。一今(VA一w‘一)
U =K ·I·B
由上式可知，霍尔电势的强弱正比于电流和磁场，也要求灵敏度越大越好，这就是选取
有高的霍尔常数R。的半导体材料和在基片上采用真空镀膜(膜层厚度为。。02^-0. 1mm)方
法，以减小d做成薄片元件的原因。
霍尔传感器在现代机械设计中，可以作为开关或接近传感器�；舳衅髯骺氐拇怕�
结构如图12-26(a)所示。图中，霍尔片置于极性相反且磁场强度相同的两块磁钢的气隙之
中，当霍尔元件的控制电流I保持不变时，霍尔电势U，与磁场强度B成正比，若磁场在一
定范围内沿x方向的变化如图12-26(b)所示的线性关系，霍尔电势的极性反映了元件左右
移动的方向.此时，只要设定+x或一x,霍尔电势UH与输出灵敏度K的关系式U -=Kx)
也就成了开关量。
霍尔元件作接近传感器的原理图如图12-27所示。永久磁铁装在软磁性工件突出部边
缘，磁铁的N极和S极的距离等于软磁性工作突出部距离，霍尔元件粘贴在磁极端面。当软
磁性工件接近时，霍尔元件就输出一个脉冲给检测电路，这个脉冲信号就可用来控制机械的
动作.根据该原理，霍尔传感器还可扩展应用于传输带上的工件计数和速度及转速的测量。
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