接近开关原理及其应用

收稿日期：2003—05 1 7 修改日期：2003—06—1 8 作者简介：邓重一(1 962 )男湖南宁远县人，学士，副 教授．研究方向为检测技术、信号处理、EDA 技术，
到开关动作时测得的基准位置到检测面的空问距 离．额定动作距离指接近开关动作距离的标称值，
中雷函酝、I 业戳太礴发曩岛屠论坛(2004 年 lo 两 19--20 R)?诚征稿件 1
电容式接近开关术语：检测距离．设定距离，
类型。铡如，当无被检测物体时，常开型的霍尔开 回差
值、标准检测体、输出状态、检测方式、响应
关所接通的负载，由二『霍尔接近开关内部的输出晶
频率、导通电压降及输出形式，它们的术语解释与 体管的截止而不工作：当检测到物体时，晶体管导
电感式接近开关的相应术语解释一致。
传 用户在接通电源前检查接线是否正确，棱定电压是 感器本身性能有关外，还与所选磁钢磁场强度有关。
否为预定值。
3．2 霍尔接近开关术语解释
⑧ 为 7 使电容式接近开关长期稳定工作，由
① 磁感应强度：霍尔接近开关在工作时，它
于其受潮湿，灰尘等因素的影响比较大，请务必进
所要求磁钢具有的磁场强度的大小，一一般磁感应强
等效电容跟着变化，从而使得和测量头相连的电路 状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和
图 3 电容式液位监控器工作流程图 关断。这
种接近开关的被检测物体，并不限于金属
2．3 注意事项 导体，也司以是绝缘的液体或粉状物
体，在检测较
① 电容式接近开关理论上可以检测出任何物
低介电常数￡的物体时，可以顺时针调节多圈电位
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文献标识码：B
文章编 g-：1003—0492(2003)05—003【04
仪器与测控
接近开关原理及其应用
The Principle of Near-Switch and Their Applications
湖南建材高等专利学校电子信息]_程系，湖南衡阳 421008 J 邓重一
摘要：介绍了接近开关型传感器的原理，并对电感式、电容 式、霍尔式以及磁性接近开关的原理．术语、使用注意事项 进行了详细的说明。 词：传感嚣：接近开关：原理；应用
行定期的维护保养，包括检测物体和接近开关的安 度值 B 为 o 02～0 05 特斯拉。 装位置是否有移动
或松动，接线和连接部位是否有
②响应频率：按规定在 1 秒的时问间隔内，
接触不良现象，是否有粉尘粘附等。
允~午霍尔开关动作循环的次数。
2．4 电容式接近开关术语解释
③ 输出状态：分为常开、常闭、锁存等几种
体，但当检测过高介电常数的物体时，检测距离要
器(位于开关后部)柬增加感应灵敏度，一般调节
明显减小，这时即使增加灵敏度也起不到效果。
电位器使电容式的接近开关在 o 7—0 8Sn(Sn 为电容
② 电容式接近开关的接通时问为 50ms，所以
式接近开关的标准检测距离)的位置动作。
用户在产品的使用过程中，当负载和接近开关采用
理论的控制设计相比较，具有更先进、性能更优越
⑧ 孚．遁癌压厣即接近开关在导通状态时，开 出晶体管上的电压降。
@赫商彤式分 NPN 二线、NPN 三线、NPN
四线、PNP 二线，PNP 三线、PNP 四线，DC 二线、
AC 2-线、AC 五线(自带继电器)等几种常用的形 式输出。
的特点。 关内输
±—上一
它对金属物的敏感性，可以对物体实现定位、数目
type is introduced The principle，technical lerms and usage announcements of inducmnce．capacitor,H—type and others type
∽elucidated ln detail．
2 2 应用实例
不同电源时，务必先接通接近开关的电源．．
2004 年 s 日出敝《控翩系统与 I 控软件》．欢迎投 稿!
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仪器与测控
③ 当使用感性负载(如日光灯、电动机等)
霍尔接近开关的输入端是以磁感应强度 B 来表
时，其瞬间冲击电流较大，可能会劣化或损坏交流 征的，当 B 值达到一定的程度(如 BI)时．开关内
毫特斯拉以上时，其输出是标准的 TTL 电平。利用
璃金属铁芯，该铁芯造成涡流损耗使振荡电路产生
计算机的智能型控制、运算功能，组成的转速表既 衰减，如果把它放置在一个磁场范围内(例如，水 简
单叉精确。如用 3020 型霍尔式接近开关，单片机 久磁铁附近)，此时正在影响振荡电路衰减的涡流损 用
8031(它的晶振为 6MHz，经 12 分频后为 耗会减少，振荡电路不再衰减。因此，磁性接近开
(2)电感式接近开关的接通时间为 50ms，所以
电感式接近开关(GDKG)属于一种有开关量 在用户使用产品时，因负载和接近开关采用不同的
输出的位置传感器，它由 LC 高频振荡器、信号触发 器和开关放大器组成。振荡电路的线圈产生高频交 流 流磁场，该磁场经由传感器的感应面释放出来。当 近这个能产生电磁场的振荡感应头 时，就会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反 关振荡能力衰减，内部 化，当信号触发器探测到这一衰
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信号，从而达到控制或测量的目的。本文介绍 7 几 种常用的接近开关，并对它们的原理与应
用进行了
图 1 电感式接近开关应用实例
说明。
1．3 使用注意事项
l 电感式接近开关 11 原理
(1) 当被检测物体为非金属时，在检测距离很 小时也有反应，另外很薄的镀膜层是检测不到的。
o 5MHz)，则其测量的最大转速为 o 5MHz，而最小 关的消耗功率由于永久磁铁的接近而增加，1-f 号触
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2 电容式接近开关
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2．1 原理
电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的
图 2 电容式接近开关应用实例
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，
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② 赞定距剪接近开关在实际工作中整定的距 离，一般为额定动作距离的 o 8 倍。
③ 回差哲动作距离与复位距离之问的绝对
下面的例子是电容式液位监控器的工作情况 它是针对国内落后的液位控制器形式而开发的产 品．该产品一一般由两个采用密封措施(高防水等级 J
值。
④ 绔崔橙删磁可使接近开关作比较的金属检 测体。一般采用的检测体为正方形的 A3 钢，厚度为
⑤DC Z-线的接近开关具有 o 5～1mA 的静态 泄漏电流，在和一一些对 DC 二线接近开关泄漏电流
霍尔接近开关是磁性接近开关中的一一种，具有 无触电、低功耗、长使用寿命．响应频率高等特点，
要求较高的场合下，尽量使用 DC 三线的接近开关。
内部采用环氧树脂封灌制作成一一体化结构，所以能
@ 避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸， 在各类恶劣环境下可靠地工作。它_可应用于接近开
电源，所以务必先接通接近开关的电源。 (3)请勿将接近开关置于 200 高斯以上的直
磁场环境下使用，以免造成误动作。 有金属物体接 (4)不要将接近开关置于化学溶剂，特别是在
强酸、强碱的环境中。 作用于接近开关，使接近开 1．4 电感式接近开关术语解释 电路的参数发生变
① 橙删够劳动作距离是指被检测物体按一定 方式移动时，从基准位置(接近开关的感应表面)
⑦ 穆应新肇／在规定的 1 秒的时问间隔内，
控制电路。现在的电容式液位监控器在安装．精度、
接近开关动作循环的次数。响应时间 t：接近开关检
寿命、体积、外形等方面均有较大的改进和提高。
测到物体时间到接近开关出现电平状态翻转的时间 用电容式接近开关来实现控制的方案，与依据传统
之差。可用公式 t=I／f 换算。
二线型电容式接近开关，在这种情况下，应经过交 部的触发器翻转，霍尔接近开关的输出电乎状态也 流继
电器作为负载来转换使用。
随之翻转，输出端一般采用晶体管输出，和电感式
④ 请勿将接近开关置于 200 商斯以上的直流 接近开关类似的有：NPN．PNP、常开型、常闭型、
磁场环境 1、使用，以免造成误动作
锁存型(双极性)、双信号输出几种类型。
象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔
离。额定动作距离指霍尔开关动作距离的标称值。
电势 U，其表达式为：
⑥ 回差距离：动作距离与复位距离之间的绝
U-K，B／d，其中 K 为霍尔系数，1 为薄片中通 对值。 过的电流，B 为外加磁场
(洛伦慈力 Lorrentz)的磁 感应强度，d 是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的 灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比。霍尔
减现象时，便把它转换成开关电信号。由此识别出 有无金属物体接近开关，进而控制开关的通或断。 这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。 关键 l 2 应用实例
从图 1 可以看出电感式接近开关的应用，利用
Abstract：In this paper,the principle of sensolN of near-switch
Key words：sensor：near—swilch；principle：application
接近开关是传感器家族中众多种类中的一个，
检测、料位控制等功能
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(1)料位的控制
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-i=)一—IC 用
(2)物体的舭到。
它是利用电磁工作原理，用先进的工艺制成的，是 一种位置传感器。它能通过传感器与物体之间的位 置关系变化将非电量或电磁量转源自文库为所希望的电
的传感器及一个控制处理器组成。当液体即将接触 到高液位或低液位传感器的感应面时 该传感嚣就 会发出一一个信号到控制处理器．然后按照一定的程
1mm，所呆用的边长是接近开关检测面的 2 5 倍。
序启动或关闭控制器内的继电器，这样用户就可以
⑤ 籽。毋攒番分为常开和常闭两种类型 当无 用该继电器的触发电平去控制诸如电机、水泵、电 检测
型。埋入式的接近开关在安装上为齐平安装型，可
物体的位置变化时，被测电容量变化，振荡电路的
与安装的金属物件形成同一表面：非埋入式的接近
振荡频率会跟着变化，F／v 转换电路的输出电压也变
开关则需把感应头露出．以达到其长检测距离的目 化，这些变化通过信号处理电路和开关量调理电路
的，
后，输出开关信号，该开关信号进入控制处理器去
通，负载得电工作．
3 霍尔式接近开关
④输出形式：分为 NPN、PNP、常开，常闭， 多功能等几种常用的形式输出。
3．1 原理
⑤ 动作距离：动作距离是指被检测物体按一
当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放 定方式移动时，从基准位置(霍尔开关的感应表面) 在磁
场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现
到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距
▲
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接近开关就属于这种有源磁／电转换器件，它是在霍 尔效应原理的基础上，利用先进的集成封装和组装 工艺制作而成，它可方便地把磁输入信号转换成实 际应用中的电信号，同时叉具备工业场合实际应用 易操作和可靠性的要求。
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图 4 霍尔接近开关原理图
3 3 应用实例 图 5 是由霍尔接近开关与其它芯 爿组成的智能
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仪器与测控
自 i 扫化博
笕 型磁敏转速测试仪的工作原理囹。由于转速信号是 包含一。个 Lc 振荡器、一个信号触发器和一个开关
放 以脉冲形式出现的，当被测磁性物体磁场强度达到 25 大器，还有一个非晶体化的、高穿透率的磁。ti 软玻
物体时，常开型的接近开关所接通的负载，由 灯等负载。它的工作示意图如图 2 所示，工作原理 于接
近开关内部的输出晶体管的截止而不工作：当 流程图如图 3 所示。从图 2 可以看出，容器中的水 检
测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。
位过高或过低时，都会分别使低位或商位传感器动
⑥ 掺缈方戈分为埋入式和非埋入式两种类 作，从而使控制处理器动作．从斟 3 可以看出，当
强碱的环境下使用。
关、压力开关、里程表等，它是一种新型的电器配
⑦大多数产品是由 SMD 工艺生产制造，并经 件。图 4 是它的内部原理及转移特性图。霍尔武开
严格的测试，产品合格后才出厂，在一一般情况下使 关比电感式开关响应频率高，它用磁钢触发，电感
斤 J 均不会出现损坏。为 7 防止意外性事件发生，请 式用导磁金属触发，霍尔式开关感应距离除 7 与