《传感器技术及应用》 项目五 物位检测

任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
二、电涡流式接近开关的结构和原理
1.涡流
金属导体放置于变化的磁场中时，就会在导体中产生感生电流，这种电 流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗 一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡 流效应。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而 进行测量的。
将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，如 图所示，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动 势EH（称为霍尔电动势），这种现象称为霍尔效应。作用在半导体薄片上 的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。这种半导体薄片称为霍尔元件。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置
图（a）通过改变极距来改变电容量，可用作线位移传感器；图（b）通过改变平 板相对变面积改变电容量，也可用作线位移传感器；图（c）通过改变扇形面积改 变电容量，可用作角位移传感器；图（d）通过改变极板间的介质即改变介电常数 来改变电容量，常用于固体或液体的物位测量以及各种介质的湿度、密度的测定。
任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置
方便。
4）霍尔接近开关可以输出标准电信号，易与计算机或PLC配合使 用。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
二、霍尔接近开关的应用
1. 控制气缸活塞运动的位置 左图为气缸活塞运动位置的测量、 控制元件实物。在气缸活塞的两端 部装上磁性物质（如磁铁），在气 缸两端安装霍尔接近开关（也称磁 性开关）即可检测、控制活塞运动 的极限位置。
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
二、电涡流式接近开关的结构和原理
2. 电涡流式接近开关的结构和原理
由印刷电路板石英晶体振动器产生的中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈， 在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面 产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场， 由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这 一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线 圈到金属导体表面的距离等参数有关。
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
三、电涡流式接近开关的特性
（3）设定距离：接近开关在实际工作中的整定出来的距离，一般为额 定动作距离的0.8倍。 （4）回差值：动作距离与复位距离之差的绝对值。
（5）响应频率：在1s内，接近开关频繁动作的次数。
（6）响应时间：指从接近开关检测头检测到有效物体，到输出状态出 现电平翻转所经过的时间。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
一、了解霍尔开关
2. 霍尔接近开关的分类 1）霍尔式传感器按被测量的性质可分成电量型（电流型、电压型）
和非电量型（开关型和线性型）两大类。
2）按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线形器件和霍尔开关 器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。
3）按被检测的对象的性质可将霍尔开关的应用分为：直接应用和
一、了解霍尔开关
1. 霍尔接近开关的工作原理
霍尔接近开关工作原理电路如图所示，当磁性物体靠近霍尔元件时， 霍尔元件产生电动势EH与基极直流电压叠加使晶体管VT饱和导通，其集电 极的继电器吸合或光耦合器工作，使霍尔接近开关动作，改变电路原来的 通、断状态，即接通或断开电路。需要注意的是，霍尔接近开关检测的对 象必须是磁性物体。
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
二、电涡流式接近开关的结构和原理
2. 电涡流式接近开关的结构和原理
上图是电感式接近开关的工作框图，它由LC高频振荡器探头和放大处理电路组成， 接通电源后探头形成固定频率的交变振荡磁场。当金属物体靠近接近开关达到检测距 离时，金属物体内产生涡流，吸收振荡器的能量，使接近开关的振荡能力衰减而停振， 开关的状态发生变化，从而识别出金属物体。
任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置
一、了解电容式接近开关
1. 认识电容式接近开关
任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置
一、了解电容式接近开关
2. 电容式接近开关的基本结构及原理
C
A
d
任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置
一、了解电容式接近开关
2. 电容式接近开关的基本结构及原理
3）用一个小金属块靠近检测头，观察S7-200 CPU上指示灯的
点亮情况。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
任务导入
自制霍尔开关
把一块可以导电的物体置于磁场之中，比如磁力线向北，当你给 它施加从西向东的电流时，根据左手定则，这个电流会受到一个向上的 力。这时把电流表的正极放在物体的上边，负极接在物体的下边，电流 表中就会有电流通过。通常进入电流表的电流比较微弱，需用放大电路 进行放大，放大之后的电流再去控制开关（实际上是一个继电器），这
任务三 使用电容接近开关检测接近物体的位置
任务导入
电容式接近开关检测物体实验
按左图所示将NPN-NO型电 容式接近开关（直流24V）与 三菱FP系列PLC连接，检查接 线正确后给电路上电，然后将 金属、塑料圆柱体慢慢靠近电 容式接近开关到一定的距离时， 观察到继电器动作或PLC相应 的输入指示灯点亮。
一、了解电容式接近开关
3. 电容式接近开关的工作原理
电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构 成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体 和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化， 由此便可控制接近开关的接通和关断。
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
五、电涡流式接近开关的应用
连接电涡流式接近开关和西门子S7-200
主要实验器材
名称 型号规格 PNP— 电涡流式接近开关 NC+NO型 （直流24V） 直流稳压电源 24V 1 小金属块 1 PLC 数量 名称 型号 数量
西门子S7200
1
1
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
（7）导通压降：指接近开关在导通状态时，开关内输出晶体管上的电
压降。
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
四、电涡流式接近开关的接线
交流二线输出接近开关的接线
直流四线输出接近开关的接线
直流三线输出接近开关的接线
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
五、电涡流式接近开关的应用
1. 电磁炉
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
二、霍尔接近开关的应用
2. 转盘（转轴）的速度测量
在转盘上均匀地固定几个小磁铁，如图所示，当转盘转动时，固定 在转盘附近的霍尔接近开关便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应 的脉冲，检测出单位时间内脉冲数即频率，结合转盘上小磁铁的数目 便可测定转盘的转速。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
实践操作
数控车床换刀效果模拟
如图所示，用直流电动机的旋转模拟刀架伺服电动机的转动，人为 移动磁钢模拟刀架在电动机拖动下的运动，霍尔式接近开关模拟刀架 上的位置检测元件。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
实践操作
数控车床换刀效果模拟
主要实验器材
名称 代号 HA10—1K 霍尔接近开关 型 M8×20mm 1 中间继电器 KA 1 数量 名称 代号 数量
2. 电子探雷器
电子探雷器如图所示，其原理与电涡流 式传感器相同，是利用探雷器辐射电磁场， 使地雷的金属零件受激产生涡流，涡流电磁 场又作用于探雷器的电子系统，使之失去原 来的平衡状态，或者通过探雷器的接收系统 检测涡流电磁场信号，从而得知金属物体 （地雷）的位置。它能可靠地发现带有金属 零件的地雷，但容易受到战场上弹片等金属 物体的干扰。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
二、霍尔接近开关的应用
1. 控制气缸活塞运动的位置 如图所示，在机械手的手臂上安 装两个磁极，刺激与霍尔接近开关 处于同一水平面上，当磁铁随机械 手运动到距霍尔开关几毫米时，霍 尔接近开关工作驱动电路使控制机 械手动作的继电器或电磁阀释放， 控制机械手停止运动，起到限位的 作用。
项目五 物位检测
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
任务导入
电涡流式接近开关的特性检测
按图 a）或图 b）所示将电感式接近开关与继电器连接，分别用金属块 和塑料板靠近、远离电感式接近开关，观察继电器的动作情况。
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
一、了解电涡流式接近开关
电涡流式接近开关固定在支架上，工件在传送带上依次自左向右运动，当工件 进入接近开关的额定动作距离范围内之后，接近开关动作，内部晶体管导通，常开 触点闭合，常闭触点断开。接近开关动作可以触发别的机械动作或程序处理，从而 对工件进行统计。加工、分类等。图（b）所示是一个手持式电动机转速测量仪，可 以实时检测电动机的转速。
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
五、电涡流式接近开关的应用
连接电涡流式接近开关和西门子S7-200
结合左图可以知道，当电涡流式 接近开关检测到有金属物靠近时，在 黄色线上输出高电平，在黑色线上输 出低电平。相反地，没有金属物靠近 时，黄色线上输出低电平，黑色线上 输出高电平。实际选用的接近开关是 24V直流供电，分别将红、蓝色线连 接到24V电源的正负端即可，然后按 照图5-15所示，将接近开关的黄色线 和黑色线分别连接到西门子S7-200 CPU上集成的两个数字量输入点。
间接应用。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
一、了解霍尔开关
3. 霍尔接近开关的特点 1）霍尔接近开关为非接触检测，不影响被测物的运动状况；无机 械磨损和疲劳损伤，工作寿命长。
2）霍尔接近开关为电子器件，响应快（一般响应时间可达几毫秒
或几十毫秒）。 3）霍尔接近开关采用全封闭结构，防潮、防尘，可靠性高且维护
电磁炉就是利用涡流效应工作的，它将 工频交流电通过内部电路转换成高频交流电 流，高频交流电流通过励磁线圈，产生交变 磁场，在铁质锅底产生无数的电涡流，使锅 底自行发热，烧开锅内食物。电磁炉的工作 原理示意图如左上所示，其内部励磁线圈如 左下所示。
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
五、电涡流式接近开关的应用
就是霍尔开关。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
一、了解霍尔开关
霍尔开关是利用半导体的磁电转换的原理，将磁场信息变换成相 应的电信息的元器件。它可以直接测量磁场及微小位移量，也可以间 接测量液位、压力等工业生产过程参数。
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
一、了解霍尔开关ຫໍສະໝຸດ Baidu
1. 霍尔接近开关的工作原理
任务一 使用电涡流式接近开关检测金属物体的位置
三、电涡流式接近开关的特性
（1）动作距离：检测物体按照 一定的方式移动时，从接近开 关的检测表面到开关动作时的 基准位置的空间距离。 （2）复位距离：与动作距离类 似，复位距离指的是检测物体 离开检测表面到开关动作复位 时的位置之间的空间距离，复 位距离大于动作距离，两者的 关系如图所示。
五、电涡流式接近开关的应用
连接电涡流式接近开关和西门子S7-200
操作步骤 1）按照上面步骤完成接线之后，先给24V直流电源上电，然后 再给西门子S7-200 CPU上电。观察此时S7-200 CPU上输入点 指示灯的。 2）如果指示灯不亮，则应马上关闭S7-200，再关闭24V直流电 源，检查电路，确认无误后再上电测试，直至指示灯被点亮。
直流电源
小型直流电动机
DC24V
M
1
1
续流二极管
磁钢
V1
1
1
任务二 使用霍尔接近开关检测磁性物体的位置
实践操作
数控车床换刀效果模拟 操作步骤 1）使霍尔接近开关固定，而让贴有磁钢的被测物体从侧面向传感 器靠近。 2）当两者相距较远时，观察直流电机动作（VOUT输出高电平，中 间继电器线圈不得电，常闭触点闭合，直流电机旋转）。 3）移动物体接近霍尔接近开关一定位置时，观察霍尔接近开关及 电机的动作（开关动作，VOUT输出低电平，中间继电器线圈得电， 触点断开，电动机停转）。 4）移开被测物体，观察电动机动作（中间继电器失电，常闭触点 恢复导通，电动机又开始转动）。