常用接近式傳感器的特性與選用

劉嬌月

（河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000）

1 引言

接近式傳感器又稱無觸點接近傳感器，是理想的電子開關量傳感器。當被測物體接近傳感器的感應區域，開關能無接觸、無壓力、無火花、迅速發出電氣指令，準確反應出運動機構的位置和行程，一般應用于行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命和安裝調整的方便性及對惡劣環境的適用能力，是一般機械式行程開關所無法相比的。

接近式傳感器除可以完成行程控制和限位保護外，還是一種非接觸型的檢測裝置，用作檢測零件尺寸和測速等，也可用于變頻計數器、變頻脈沖發生器、液面控制和加工程序的自動銜接等。在工業自動化控制、航天、航海技術、日常生活中都有廣泛的應用，在安全防盜方面，如資料、財會、倉庫、博物館、金庫等重要場合也都裝有各式各樣的接近式傳感器［1］。

2 接近式傳感器的分類

（1）按原理分類

有電感式、電渦流式、電容式、霍爾式、干簧式、光電式、熱釋電式、多普勒式、電磁感應式、微波式、超聲波式等。

（2）按結構分類

有一體式（感應頭和信號處理電路置于一體）、分離式（感應頭和信號處理電路分開安裝）和組合式（多個感應頭組合在一體）。

（3）按工作電壓分類

有直流型（工作電壓為5～30V）和交流型（工作電壓為AC220V或AC110V）。

（4）按輸出信號分類

有正邏輯輸出方式（傳感器感應到信號時，輸出從0跳變成1）和負邏輯輸出方式（傳感器感應到信號時，輸出從1跳變成0）。

（5）按輸出引線分類

有四線制（2根電源線和2根正、負邏輯輸出信號線）、三線制（2根電源線和1根正或負邏輯輸出信號線）和二線制（2根電源線與信號線合二為一）。

（6）按輸出電信號性質分類

有電流輸出（輸出50～500mA的電流，能直接驅動執行器）、電壓輸出（用以和各種數字電路相配合）、觸點輸出（用微型繼電器觸點輸出）和光耦輸出（感應信號與輸出信號隔離，用于計算機控制）。

（7）按信號傳送方式分類

分為有線傳送（感應頭信號與后置處理電子線路直接相連）和無線傳送（用于運動中的物體測試，或不能靠近、不能連線的場合［2］）。

3 常用接近式傳感器件的基本特性

（1）電感式接近開關

也稱作電渦流式接近開關，其原理框圖如圖1所示，由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個組成部分。當金屬物體接近通有交流信號的檢測線圈時，就會產生渦流而吸收能量，使振蕩電路的振蕩減弱以至停振。振蕩與停振這兩種狀態經檢測電路轉換成開關信號輸出。

圖1 電感式接近傳感器原理框圖

圖2為常用的LJ12A3－4Z/BX型金屬接近式傳感器，其工作電壓為DC6－36V，工作電流為 0.5－3mA，負載能力最大200mA，檢測距離為4mm，最高頻率可達到300Hz，其信號可以直接驅動負載，也可以間接接至單片機和PLC進行處理。

圖2 LJ12A3－4Z/BX 型金屬接近式傳感器

電感式接近傳感器的優點為：體積小、重復定位精度高、外形結構多樣、抗干擾性能好、輸出形式多、開關頻率高、使用壽命長等，有些傳感器還具有較寬的電壓范圍和短路保護等功能。但這種接近開關所能檢測的物體必須是導電體。

（2）電容式接近開關

電容式開關的檢測端通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板則是開關的外殼，其原理框圖如圖3所示。其外殼在測量過程中通常接地或與設備的機殼相連。當有物體移向接近開關時，不論其是否為導體，都會使電容的介電常數發生變化，從而使電容量發生變化，與測量頭相連的電路狀態也會隨之發生變化，由此便可控制開關的接通或斷開。

圖3 電容式接近傳感器原理框圖與測量應用

電容式接近傳感器檢測的對象，不限于導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物等，可檢測金屬、木材、塑料及顆粒物、管子內液體等各種物體。圖3所示為測量料位高度應用示意圖。電容式接近傳感器常用反應頻率為2000Hz，額定電壓為10－30V，額定電流為200mA，檢測距離為20mm，可檢測直徑為0.18mm或更小的物體。電容式接近傳感器具有頻率高、靈敏度高、動作可靠、性能穩定、頻率響應快、應用壽命長、抗干擾能力強等優點。

圖4 霍爾開關測量轉速及位置示意圖

（3）霍爾接近開關

霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的接近開關就是霍爾開關。當磁性物件移近霍爾開關時，產生霍爾效應而使開關內部電路狀態發生變化，由此識別磁性物體的存在，進而控制開關的通或斷。這種接近開關的檢測對象必須是磁性物體。霍爾接近開關廣泛應用于工位識別、停動識別、極限位置識別、運動方向識別、運動狀態識別的傳感器和可逆計數傳感器、N/S極單穩態傳感器等［4］。

圖4所示為一款測量轉速和位置的霍爾式接近開關，其電源電壓為5－30V，工作距離為5－11mm，定位精度達到0.02mm，輸出電平可小于0.4V，響應頻率高達 100kHz，有極性保護、浪涌保護和過熱保護等多種保護，可以和可編程控制器直接接口，抗干擾能力強、可靠性高、壽命長。

與電感式傳感器比較，霍爾式接近傳感器的優點還有：電源電壓范圍寬、體積小、安裝方便，能直接和晶體管及TTL、MOS等邏輯電路接口，能在金屬部件中緊密安裝，可穿過金屬進行檢測，檢測距離隨檢測體磁場強弱的變化而變化。缺點是不適合用于強烈震動的場合。

（4）光電式接近開關

利用光電效應制作的接近開關叫光電開關。一般由光源、光學通路和光電器件三部分組成。可分為直射（透射）型和反射型兩種，結構有分離型和一體化型兩類。自帶光源的稱主動型，利用外部光源檢測的稱被動型。當有被檢測物體接近時，光電器件有信號輸出，由此便可“感知”物體的接近。

圖5為幾種不同的光電式接近開關傳感器，包括漫反射傳感器、精確背景抑制、偏振和非偏振反射板式傳感器、對射式傳感器，還包括3個自

學習顏色通道和5個可切換公差的顏色傳感器。其具有一體化設計、背景抑制精確、具備直角和球面光纖的精確檢測、帶數顯和IOLINK光纖放大、模擬量輸出等功能。

圖5 幾種不同的光電式接近開關的工作原理框圖

光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，光電傳感器結構簡單，使用方便、形式靈活多樣，體積小。近年來，光電系列傳感器的品種及產量日益增加，并在各種工業自動生產中廣泛應用，如：產量統計、位置檢測、料位控制等等，也在紡織機械和煙草機械自動生產線上廣泛應用，如：光電式帶材跑偏檢測、包裝充填物高度檢測、光電色質檢測、彩塑包裝制袋、塑料薄膜位置控制等等［2］。如圖6所示，光幕式接近傳感器還可以廣泛應用于制造車間以及安放場所等的安全保護和位置檢測等等。

圖6 光幕傳感器應用

（5）熱釋電式接近開關

用能感知溫度變化的元件做成的開關叫熱釋電式接近開關。這種開關是將熱釋電器件安裝在開關的檢測面上，當有與環境溫度不同的物體接近時，熱釋電器件的輸出就會變化，由此便可檢測出有物體接近。

（6）其它接近開關

當觀察者或系統對波源的距離發生改變時，接收到的波的頻率會發生偏移，這種現象稱為多普勒效應。利用多普勒效應可制成超聲波接近開關、微波接近開關等。當有物體移近時，接近開關接收到的反射信號會產生多普勒頻移，由此可以識別出有無物體接近。

4 接近式傳感器件的選用要求與原則

在接近式傳感器件的選用和安裝中，必須認真考慮檢測距離、設定距離，如圖7所示，傳感器才能可靠動作。

圖7 檢測距離與設定距離

（1）動作距離：是指檢測體按一定方式移動時，從基準位置到開關動作時測得的基準位置到檢測面的空間距離。額定動作距離是指接近開關動作距離的標稱值。

（2）設定距離：是指接近開關在實際工作中的額定距離，一般為額定動作距離的0.8倍。被測物與接近開關之間的安裝距離一般等于額定動作距離，以保證工作可靠。安裝后還須通過調試，然后緊固。

（3）復位距離：是指接近開關動作后，又再次復位時與被測物之間的距離，它略大于動作距離。

（4）回差值：是指動作距離與復位距離之間的絕對值。回差值越大，對抗外界干擾及被測物抖動等抗干擾能力就越強。

（5）接近開關的安裝方式：有齊平式和非齊平式兩種安裝方式，如圖8所示。

圖8 齊平式（埋入式）安裝和非齊平式（非埋入式）安裝

齊平式（又稱埋入型）接近開關的表面可與被安裝的金屬物件形成同一表面，不易被碰壞，但靈敏度較低。非齊平式（非埋入安裝型）的接近開關則需要把感應頭露出一定高度，否則將降低靈敏度。

（6）響應頻率：是指接近開關1秒內動作循環的最大次數。重復頻率大于該值時，接近開關無反應。

（7）輸出形式：分NPN二線、NPN三線、NPN四線、PNP二線、PNP三線、PNP四線、DC二線、AC二線、AC五線（自帶繼電器）等幾種常用輸出形式。

對于不同材質的檢測體和不同的檢測距離，應選用不同類型的接近式傳感器，以使其在系統中具有較高的性價比，在選型中應遵循以下原則：

（1）在一般的工業生產場所，通常都選用渦流式接近開關和電容式接近開關，因為這兩種接近開關對環境的要求條件較低。當被測對象是導電物體或可以固定在一塊金屬物上的物體時，一般選用渦流式接近開關，因為其響應頻率高、抗環境干擾性能好、應用范圍廣、價格較低。

（2）若所測對象是非金屬（如木材、紙張、玻璃等）、液位高度、粉狀物高度、塑料、煙草等，則應選用電容式接近開關，其響應頻率低，但穩定性好。

（3）若被測物為導磁材料，當檢測靈敏度要求不高時，可選用價格低廉的磁性接近傳感器或霍爾式接近開關。

（4）在環境條件比較好、無粉塵污染的場合，可采用光電接近開關。光電接近開關工作時對被測對象幾乎無任何影響。因此，光電開關在傳真機上及煙草機械上被廣泛使用［3］。

（5）在防盜系統中，自動門通常使用熱釋電接近開關、超聲波接近開關、微波接近開關。有時為了提高識別的可靠性，上述幾種接近開關往往被復合使用。

無論選用哪種接近開關，都要注意所用傳感器能符合對工作電壓、負載電流、響應頻率、檢測距離等各項指標的要求。選用接近開關應主要按以下幾方面進行選擇：按使用要求選擇；按動作距離選擇；按輸出信號要求選擇；按工作電源選擇；按信號感應面的位置選擇；按工作環境選擇；按價格選擇。

對于接近傳感器的合理選用，必須從以上幾方面綜合權衡，選擇最佳組合［3］。

5 接近式傳感器件的接線

一般接近開關有兩線、三線之分，三線制的有PNP、NPN兩種接法，分別對應相應的PLC輸入點，比如源型和漏型的輸入點。接線時可以根據線的顏色區分，棕色或者紅色接電源正極，藍色接電源負極，黑色接輸入信號。

NPN接通時是低電平輸出，即接通時黑色線輸出低電平（通常為0V），圖9（a）所示即為NPN型接近開關接線原理圖，中間電阻代表負載，此負載可以是金屬感應物或繼電器或PLC等，中間三個圓圈代表開關引出的三根線，其中棕線要接正，藍線要接負，黑色為信號線。此為常開開關，當開關動作關閉時黑色和藍色兩線接通如圖（b），這時黑色線輸出電壓與藍線電壓相同，自然就是負極給定電壓（通常為0V）。

圖9 NPN型接近開關

PNP接通時為高電平輸出，即接通時黑線輸出高電平（通常為24V），圖10為PNP型三線開關接線原理圖，電阻代表負載，當開關工作時，圖10（a）中開關閉合，即黑線和棕線接通如圖10（b），此時棕線與黑線相當于一條線，電壓自然就是正極電壓（通常為24V）。

圖10 PNP型接近開關

需要特別注意接到PLC數字輸入模塊的三線制接近開關的型式選擇千萬不能選錯。PLC數字量輸入模塊一般可分為兩類：一類是公共輸入端為電源0V，電流從輸入模塊流出（日本模式），此時，一定要選用NPN型接近開關；另一類是公共輸入端為電源正端，電流流入輸入模塊，即阱式輸入（歐洲模式），此時，一定要選用PNP型接近開關。

兩線制接近開關受工作條件的限制，導通時開關本身產生一定壓降，截止時又有一定的剩余電流流過，選用時應予考慮。三線制接近開關雖多了一根線，但不受剩余電流等不利因素的干擾，工作更為可靠。

有的廠商將接近開關的“常開”和“常閉”信號同時引出，或增加其它功能，遇到這種情況，請按產品說明書要求具體接線。常見的接近開關接線方式如圖11所示。

6 接近式傳感器件的裝調與維護

接近開關在使用和安裝時要注意以下事項：

（1）螺旋式開關安裝時不可采用過大力矩緊固，緊固時請務必采用齒墊圈。無螺旋式柱型開關的安裝采用調節螺釘，緊固力矩不要超過2－4kgf－cm。

（2）在金屬件上安裝接近開關時，要防止非檢測物體的干擾，要預留一定空間以避免開關誤動作。

（3）在安裝電容式接近傳感器時應注意：檢測區不應有金屬物體，傳感器與周圍物體金屬距離應大于80mm；應遠離高頻電場。

圖11 常見接近開關接線圖

（4）防止開關之間的相互干擾：當開關對置或并列安裝時，要保留合適間距，以免相互干擾而產生誤動作。

（5）大部分接近開關動作距離（靈敏度）都可通過微調電位器調節。一般是順時針旋轉動作距離會增大（靈敏度減低），逆時針則反之，切忌在動作距離最大（臨界狀態）時使用。

（6）安裝開關時，要將離開關10cm左右的引線位置用線夾固定，防止開關引線受外力作用而損壞。

（7）直流開關應使用絕緣變壓器，并確保穩壓電源紋波。如有電力線、動力線通過開關引線周圍時，為防止開關損壞或誤動作，應將金屬管套在開關引線上并接地。

（8）接近開關的使用距離要設定在額定距離以內，以免受溫度和電壓影響［4］。

要使接近傳感器能長期、穩定工作，還要經常進行以下檢查：

（1）檢查被測物體及接近傳感器的安裝位置有無偏移、松動或變型。

（2）檢查傳感器的配線及連接部位有無松動、接觸不良或斷線。

（3）檢查傳感器有無附粘金屬粉末等沉積物或油污。

（4）檢查使用場所的溫度、濕度及環境條件有無異常。

（5）檢查傳感器檢測距離有無異常等。

如果在日常和定期檢查中發現問題，就要及時處理，適當維修，以確保傳感器正常工作。

［1］楊聚慶，劉嬌月.常用光電器件的特性與選用技巧［J］.精密制造與自動化，2008，（2）：32－34.

［2］王煜東.傳感器及應用［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］朱 偉，韓服善.光電傳感器在自動化生產線上的應用［J］.電子工程師，2004，（8）：72－73.

［4］王繼民，馬文平等.接近開關在機電設備技術改造中的應用［J］.中國科技縱橫，2013，（4）：50－52.

［5］李長兵.接近開關在機床改造中的應用［J］.電氣制造，2013，（6）：76－78.