高頻接近開關檢測原理與設計*

李 銳 ，趙來定

（1.南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

接近開關在1958年誕生于Pepperl和Fuchs擁有的曼海姆實驗室中。起初它是為了解決特定客戶化工產業中易燃易爆電流電路安全檢測而構想出的方案，后來它漸漸成為被世界認可的非接觸開關中的工業標準。接近開關是自動化行業中最古老的電子器件之一，它被持續不斷的發明創新，以便滿足不斷變化的工業需求。在早些時候，電感接近開關的應用僅限于化工行業，因為該行業中由于低電流帶來的機械接觸損耗以及缺少清洗接觸導致的化學腐蝕的問題非常嚴重[1]。

10年后，第二代接近開關誕生，該接近開關是簡化了的應用器件[2]。用戶可以自行改變有效傳感面，并且放大器的不同電壓范圍能夠通過數值插入來自由替換。該接近開關的設計持續成為銷量最好的一種，但是這種科技的發展使得接近開關還有更廣闊的發展[3]。

最常見的接近開關類似于雙頭螺栓，它能被安裝在任何機械上。堅固的黃銅或不銹鋼封裝能夠使電子傳感器不受所有類型的環境影響[4]。

1 系統組成

電感式接近開關，又稱渦流接近開關，是一種利用渦流感知物體的傳感器，它由高頻振蕩電路、放大電路、檢波電路及輸出電路組成（如圖1所示）。振蕩器是由繞在磁芯上的線圈構成的LC振蕩電路。振蕩器通過傳感器的感應面，在其前方產生一個高頻交變的電磁場，當外界的金屬物體接近這一磁場，并達到感應區時，在金屬物體內產生渦流效應，這個渦流反作用于接近開關，從而導致LC振蕩電路振蕩減弱或停止振蕩，這一振蕩變化被后置電路放大處理并轉換為一個確定開關輸出信號，從而達到非接觸式檢測目標之目的。這種開關所能檢測的物體必須是導電性能良好的金屬物體。

圖1 電感接近開關原理框圖

2 檢測原理

電感式傳感器實質上就是一個帶鐵心的線圈，它基于機械量變化會引起線圈回路磁阻變化，從而導致電感量變化這一物理現象。

通過金屬導體的磁通發生變化時，就會在導體中產生感應電流，這種電流的流線在金屬體內自行閉合，通常就稱它為電渦流。電渦流的產生必然要消耗一部分磁場能量，從而使產生磁場的線圈阻抗發生變化，成為電渦流效應。渦流檢測是渦流效應的一項重要應用，其原理圖基本如圖2所示。原理可以描述如下：如果有一塊電導率為 σ、磁導率為 μ、厚度為t、溫度為 T的金屬板，離金屬板X處有一個半徑為r的線圈，當線圈中通以正弦交變電流時，線圈的周圍就產生了正弦交變磁場H1。此時，置于此磁場中的金屬板中將產生感應電動勢，從而形成電渦流。渦流的大小、相位及流動形式受到金屬板導電性能等的影響，而渦流的反作用磁場又使線圈的阻抗Z發生變化。

圖2 電渦流作用原理圖

顯然，線圈阻抗的變化既與渦流效應有關，又與靜磁學效應有關。也就是說，與金屬導體的電導率、磁導率、幾何形狀、線圈的幾何參數、激勵電流頻率以及線圈到金屬導體的距離等參數有關[5]。假定金屬導體是均勻的，其性能是線性和各向同性的，則線圈一金屬導體系統的物理性能通常可由磁導率μ、電導率σ、尺寸因子r、t、激勵電流I和頻率 ω等參數來描述，線圈的阻抗可用如下函數表示：

當氣隙長度保持不變，而鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積，即磁通截面因被測量的變化而改變時，這種類型的電感式傳感器稱為變面積型電感式傳感器[6]，結構型式如圖3所示，其中，1為線圈；2為鐵心；3為銜鐵。

圖3 變面積型電感式傳感器結構示意圖

（1）輸出特性

如圖3所示，氣隙長度為g=2δ，初始磁通截面即鐵心截面為A=ab，a為鐵心截面長，b為截面寬。X為銜鐵的位移量。此時，變面積型電感式傳感器輸出特性公式為：

（2）靈敏度

對式（2）求導，得靈敏度為：

可見，靈敏度為一常數。

3 振蕩電路

電感的變化是通過振蕩電路來進行檢測的，LC振蕩器可用于接近開關的振蕩電路。

3.1 改進型電容三端式振蕩器

為了減小器件的不穩定極間電容 Cbe、Cbc、Cce對振蕩頻率的影響，以提高頻率穩定度，采用了電容三端式振蕩器的變形電路，即克拉潑 （Clapp）振蕩器和希勒（Seiler）振蕩器[7]。

與電容三端式電路比較，在圖4所示的克拉潑振蕩器中，增加了一個和電感串接的電容C5。雖然C5越小，振蕩器的頻率穩定度越高，但是C5太小將不能滿足振幅起振條件而停止振蕩。因此，為了保證振蕩器的起振，C5應有一個最小的允許值。

圖4 克拉潑振蕩電路

克拉潑振蕩電路中，振蕩回路由L1、C3和C4構成，具有選頻作用。由圖5可見，波形較好，幾乎無失真。周期 T=1.6 μs，頻率 f=6.25×105Hz，幅值最大為 10.8 V，最小為3.2 V，振幅為3.8 V，有效值為 2.69 V。

圖5 克拉潑振蕩電路波形圖

若采用調節C5來改變振蕩頻率，不僅Rc的變化會很大，并且在波段高端（此時 C5最小）會因Re太小而停振。為了克服這一缺點，可以采用希勒振蕩電路，如圖6所示。與克拉潑電路相比，希勒電路在回路電感兩端并接了一個可變電容C4。希勒電路不僅在波段內的振幅比較平穩，還避免了高頻端可能出現的停振現象。因此希勒電路很適合于工作在工作頻率較高的場合。

在圖6所示的希勒振蕩電路中，振蕩回路由 L1、C3和C4構成，具有選頻作用。由圖7可見，波形較好，幾乎無失真。周期T=3.3 μs，頻率 f=3.03×105 Hz，幅值最大為10.6 V，最小為3.3 V，振幅為3.65 V，有效值為2.58 V。

圖6 希勒振蕩電路

圖7 希勒振蕩電路波形圖

4 檢波電路

檢波電路如圖8所示，其需實現如下功能：當金屬物體還未接近電感器時，振蕩電路正常振蕩，輸出端輸出高電平；當金屬物體接近感應頭時，振蕩電路停振，輸出端輸出低電平[8]。檢波作用及原理簡述如下：C4是耦合電容，把振蕩器上的振蕩信號送往Q2。Q2、Q3和R3、R4、R5組成施密特電路，此電路主要有3個作用：（1）信號放大；（2）檢波；（3）信號整形，把直流脈沖信號變為方波信號，并送往下一級。C5是濾波電容。Q4和R7、R8、R9及D2、D3是簡單的開關電路，其中D2是發光二極管，作信號指示用，R7是分流電阻，防止信號過強把指示燈D2燒壞，R8是降壓電阻，防止信號過強把末級Q4燒壞，R6是保護電阻，D3是保護二極管，防止反向電壓擊穿Q4[9]。

圖8 檢波電路

檢波原理：

（1）當金屬物體還沒有接近感應頭時，振蕩器開始振蕩，振蕩信號通過C4 送 到 Q2，Q2 導通，Q3截止，Q4處于截止狀態，輸出端（即Q4集電極）持續輸出12 V高電平，如圖9所示。

圖9 輸出端（Q4集電極）持續輸出高電平

（2）當金屬物體接近感應頭時，振蕩器中的磁力線被接近的金屬物破壞，由振蕩變為不振蕩 （即停振），C4沒有信號送到Q2，Q2 由 導 通 變 截止，Q3由截止變為導通，Q4跟著導通，集電極持續輸出13.5 mV低電平[10]。輸出端由常開狀態變為常閉狀態，如圖10所示。

圖10 輸出端（Q4集電極）持續輸出低電平

綜上所述，高頻接近開關可分為電感式接近開關與電容式接近開關兩種。本文著重研究了電感式接近開關的工作原理。電感接近開關由振蕩電路、檢波電路以及輸出電路三部分組成。在對這三部分進行研究的基礎上，得出以下結論：

（1）振蕩電路宜選擇改進型電容三端式振蕩電路，即希勒振蕩電路，因為希勒電路在回路電感兩端并接了一個可變電容器，它使得希勒電路不僅在波段內的振幅比較平穩，還避免了高頻端可能出現的停振現象。因此，希勒電路很適合于工作在工作頻率較高的場合。

（2）檢波電路宜設計成由施密特觸發電路構成的檢波電路，因為施密特電路能較好地實現信號放大、檢波及信號整形的作用。

（3）輸出電路宜選擇推挽式輸出電路，因為它結合了線驅動與集電極開路輸出電路的特性。

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