限位开关
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限位开关
韩洪文
中国核动力院三门维修项目部
2016年1月17日
1 概述
限位开关又称行程开关，用于反映设备机械位臵的变
化，并在设备达到预定位臵时实现电路的切换，进而实现 行程控制、限位保护、报警、联锁启停设备等功能。
图1 各种限位开关外形图
2016年1月17日
2 参数
• 防爆等级：防爆级适用于有防爆要求的特殊场合； • 防腐等级：根据开关安装位臵可能遭受的腐蚀程度进行选择； • 防护等级：防尘、防水等；
5 接触式限位开关
摆杆式
2016年1月17日
微动式
图6 接触式限位开关外形及结构图
直动式
5.1 用途
在核电厂和常规电厂，上述三种机械
式开关主要应用于设备的位臵检测、开度
检测、超限位保护等，如电动阀、气动阀
、门的开/关到位的位臵检测，行车系统的
定位系统等。
2016年1月17日
5.2 选型
根据安装位臵和尺寸空间选择外形；根据接触 方式选择行程、光电或磁电开关； 根据电信号需求，选择触头对数及常开/常闭； a、确认驱动杆类型；
当观察者或系统对波源的距离发生改变 时，接收到的波的频率会发生偏移，这种现 象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这 个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制 成超声波接近开关、微波接近开关等。当有 物体移近时，接近开关接收到的反射信号会 产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体 接近。
2016年1月17日
片机用 8031（它的晶振为 6MHz，经 12 分频后为 0.5MHz），则其测量的
最大转速为 0.5MHz，而最小测量转速可无限低。
图 5 霍尔接近开关应用实例
2016年1月17日
4.3.4 注意事项
① 直流型霍尔接近开关产品所使用的直流电压为 3~28V，其典型 的应用范围一般采用 5~24V，过高的电压会引起其内部霍尔元 器件参数随电压升高而变化的不稳定性，而过低的电压容易让 外界的温度变化影响磁场强度特性，从而引起电路误动作。 ② 当使用霍尔接近开关驱动感性负载时，请在负载两端并接入续 流型二极管，否则会因感性负载长期动作时的瞬态高压脉冲影 响霍尔开关的使用寿命。 ③ 一般霍尔接近开关产品用 SMD 工艺生产制造而成，并经严格 的测试合格后才出厂。在一般情况下使用是不会出现损坏现象 的，但为了防止意外事件发生，用户在接通电源前应检查接线 是否正确，并核定其电压是否为额定值。
2016年1月17日
4.4.2 特点
(1) 优点 – 可以整体安装在金属中。
– 对并排安装没有任何要求。
– 顶部（传感面）可以由金属制成。 – 价格低廉，结构简单。
– 具有大的感应范围和高的开关频率。
(2) 缺点 – 动作距离受检测体（一般为磁铁或磁钢）的磁场强度影响较大。
– 检测体的接近方向会影响动作距离的大小（径向接近是轴向接近时动作
• 额定电压：通常220V/380V、24V等，需根据实际情况选取， 接入S7-300系列PLC数字量模块的限位开关一般采用24V DC。
• 额定电流：一般为2~6A，也有更高的如防爆型有的能达到16A • 开关类型：非接触式分为光电式、电容式等；机械式分为直动 式、滚动式、微动式等； • 触头数量及组合形式：常开常闭触点数目及组合； • 动作行程：分为直行程和角行程； • 动作力矩：
它的工作原理与电感式接近开关类似，其内部包含一个 LC 振荡器、 一个信号触发器和一个开关放大器，还有一个非晶体化的、高穿透率的 磁性软玻璃金属铁芯，该铁芯造成涡流损耗使振荡电路产生衰减，如果 把它放臵在一个磁场范围内（例如，永久磁铁附近），此时正在影响振 荡电路衰减的涡流损耗会减少，振荡电路不再衰减。因此，磁性接近开 关的消耗功率由于永久磁铁的接近而增加，信号触发器被启动产生输出 信号。它有广泛的应用，如：可以通过塑胶容器或导管来对物体进行检 测；高温环境的物体检测；物料的分辨系统；用磁石辨认代码等。
2016年1月17日
措施
1. 查出过负荷是系统固有原因还是由于系统故障造成的，对
于前者，考虑更大切换电流的纤维开关，或者考虑使用隔
离继电器进行触点容量的扩充； 2. 对触点系统进行处理或更换限位开关； 3. 对限位开关受腐蚀部分进行处理，视情况决定是对其更换 新开关还是进行防腐处理之后继续使用； 4. 处理短路故障，并对短路原因进行分析，如果是由于端子 接线的毛刺造成的短路或绝缘不良，应对端子接线进行处
2016年1月17日
电气故障：主要表现为限位开关的输出信号
时断时闭，在系统没有触发时，触点状态偶有突 跳，或者输出状态不随输入状态的改变而改变。
主要原因
1. 由于短路、过负荷等原因造成常开/常闭触点烧坏；
2. 机械原因导致的限位开关动、静触头之间不能充分
的接触； 3. 触点、接线端子有腐蚀； 4. 接线端子之间或内部有短路或绝缘不良； 5. 由于电磁干扰或其他扰动导致的其他偶发性故障。
b、确认触点形式；
c、确认动作特性； d、确认触点容量； e、确认使用环境。
2016年1月17日
5.3常见故障
由于限位开关本身的材质特性及其所处的
工作环境和工作状况等因素，常会造成开关的
故障，主要分为：机械故障，电气故障。
机械故障：限位开关的保护外壳及用于受
力复位的机械零部件损坏，主要表现为开关要 么不动作，要么动作后不能自复位。
2016年1月17日
主要原因
1. 行程过小导致的机械设备制动距离相对太大，限位 开关受力过大造成机械性撞击损坏； 2. 化学品腐蚀，海水侵蚀。
措施
1. 重新设臵开关的位臵或伸长限位开关的摆杆或伸缩 杆的长度，以增加设备的制动距离或减小摆杆的摆 动幅度，增加设备到开关之间的缓冲距离； 2. 重新确认限位开关的设备选型是否正确，必要时对 限位开关进行防潮、防腐蚀处理； 3. 更换限位开关。
2016年1月17日
图4 霍尔接近开关原理图
4.3.2 应用实例
图5是由霍尔接近开关与其它芯片组成的智能型磁敏转速测试仪的工作 原理图。由于转速信号是以脉冲形式出现的，当被测磁性物体磁场强度达到 25 毫特斯拉以上时，其输出是标准的TTL电平。利用计算机的智能型控制、 运算功能，组成的转速表既简单又精确。如用 3020 型霍尔式接近开关，单
霍尔接近开关是一种磁性接近开关，具有无触点、低功耗、 长使用寿命、响应频率高等优点，内部采用环氧树脂封灌制作成 一体化结构，所以能适应各类恶劣环境。可应用于接近开关、压 力开关、里程表等，是一种新型器件。 图 4 是内部原理及转移特性图。霍尔式开关比电感式开关响 应频率高，它用磁钢触发，电感式用导磁金属触发，霍尔式开关 感应距离除了与传感器本身性能有关外，还与所选磁钢磁的场强 度有关。
变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的
电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的通断 。这种接近开关检测的对象，可以是导体，也可以是 绝缘的液体或粉状物等。
2016年1月17日
4.2 电感式接近开关
电感式接近开关又叫涡流式接近开关，属于一种有开 关量输出的位臵传感器，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磁场，
4.3 霍尔式接近开关
4.3.1 原理
一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，其两端 会产生电位差，这种现象称为霍尔效应。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 组装工艺制作而成的，它可方便地把磁输入信号转换成实际应用中
出，由此便可“感知”有物体接近。
2016年1月17日
4.6 热释电式接近开关
用能感知温度变化的元件做成的开关叫
热释电式接近开关。这种开关是将热释电
器件安装在开关的检测面上，当有与环境 温度不同的物体接近时，热释电器件的输 出有变化，由此便可检测出有物体接近。
2016年1月17日
4.7 其他非接触式开关
2016年1月17日
3 结构及分类
机械式限位开关主要由触头系统和接开关一般由发射器和接收器组成。
图2是限位开关的分类。
限 位 开 关
非接触式
光电开关 磁开关等
摆杆式
接触式
直动式 微动式
图2 限位开关分类图
2016年1月17日
4 非接触式限位开关
非接触式限位开关属于接近式传感器，根据测量原理分为电 感式、磁式、光学式、超声式和电容式等。
理，常见的有：对端子进行镀锡处理或压接接线鼻子；
5. 通过中间继电器进行信号的隔离。
2016年1月17日
上述检查过程中，经常通过紧
固端子螺钉的方法能够解决电气故 障类型。
2016年1月17日
本章结束！
2016年1月17日
距离的一半）。 – 径向接近时有可能会出现两个工作点。
– 检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉，只能用非铁质材料。
2016年1月17日
4.5 光电式接近开关
利用光电效应做成的开关叫光电开关。
将发光器件与光电器件按一定方向装在同一
个检测头内。当有反光面（被检测物体）接
近时，光电器件接收到反射光后便有信号输
产品有电感式、电容式、霍尔式等，外形见图3。
2016年1月17日
图3 非接触式限位开关
2016年1月17日
4.1 电容式接近开关
这种开关的测量头通常是构成电容器的一个极板
，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程
中通常与地或设备机壳相连。当有物体移向接近开关
时，不论它是否为导体，总要使电容的介电常数发生
2016年1月17日
4.4 磁性接近开关
4.4.1 工作原理
磁性接近开关能以细小的开关体积达到最大的检测距离。它能检测磁 性物体（一般为永久磁铁），然后产生触发开关信号输出。由于磁场能 通过很多非磁性物，所以此触发过程并不一定需要把目标物体直接靠近 磁性接近开关的感应面，而是通过磁性导体（如铁）把磁场传送至远距 离。
的电信号，同时又具备工业场合易操作性和可靠性的要求。
霍尔接近开关的输入端通过磁感应强度 B 来表征，当 B 值达到一 定程度时，开关内部的触发器翻转，其输出电平状态也随之翻转。
输出端一般采用晶体管输出，和电感式接近开关类似的分为：NPN
、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出等类型。
2016年1月17日
接近开关是利用电磁工作原理，用先进的工艺制成的一种位 臵传感器。它能通过测量传感器与物体之间的位臵关系变化，将 非电量或电磁量转化为所希望的电信号，从而达到控制或测量的 目的。
接近开关是一种开关型传感器（即无触点开关），它即有行 程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性 能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防 水、防震、耐腐蚀等特点。
该磁场经由感应面释放出来。当有金属物体接近振荡感应
头时，就会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用 于接近开关，使其振荡能力衰减，内部电路参数发生变化 ，当信号触发器探测到这一衰减现象时，便把它转换成开 关电信号。由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关 的通断。这种接近开关只能检测金属物体。
2016年1月17日
韩洪文
中国核动力院三门维修项目部
2016年1月17日
1 概述
限位开关又称行程开关，用于反映设备机械位臵的变
化，并在设备达到预定位臵时实现电路的切换，进而实现 行程控制、限位保护、报警、联锁启停设备等功能。
图1 各种限位开关外形图
2016年1月17日
2 参数
• 防爆等级：防爆级适用于有防爆要求的特殊场合； • 防腐等级：根据开关安装位臵可能遭受的腐蚀程度进行选择； • 防护等级：防尘、防水等；
5 接触式限位开关
摆杆式
2016年1月17日
微动式
图6 接触式限位开关外形及结构图
直动式
5.1 用途
在核电厂和常规电厂，上述三种机械
式开关主要应用于设备的位臵检测、开度
检测、超限位保护等，如电动阀、气动阀
、门的开/关到位的位臵检测，行车系统的
定位系统等。
2016年1月17日
5.2 选型
根据安装位臵和尺寸空间选择外形；根据接触 方式选择行程、光电或磁电开关； 根据电信号需求，选择触头对数及常开/常闭； a、确认驱动杆类型；
当观察者或系统对波源的距离发生改变 时，接收到的波的频率会发生偏移，这种现 象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这 个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制 成超声波接近开关、微波接近开关等。当有 物体移近时，接近开关接收到的反射信号会 产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体 接近。
2016年1月17日
片机用 8031（它的晶振为 6MHz，经 12 分频后为 0.5MHz），则其测量的
最大转速为 0.5MHz，而最小测量转速可无限低。
图 5 霍尔接近开关应用实例
2016年1月17日
4.3.4 注意事项
① 直流型霍尔接近开关产品所使用的直流电压为 3~28V，其典型 的应用范围一般采用 5~24V，过高的电压会引起其内部霍尔元 器件参数随电压升高而变化的不稳定性，而过低的电压容易让 外界的温度变化影响磁场强度特性，从而引起电路误动作。 ② 当使用霍尔接近开关驱动感性负载时，请在负载两端并接入续 流型二极管，否则会因感性负载长期动作时的瞬态高压脉冲影 响霍尔开关的使用寿命。 ③ 一般霍尔接近开关产品用 SMD 工艺生产制造而成，并经严格 的测试合格后才出厂。在一般情况下使用是不会出现损坏现象 的，但为了防止意外事件发生，用户在接通电源前应检查接线 是否正确，并核定其电压是否为额定值。
2016年1月17日
4.4.2 特点
(1) 优点 – 可以整体安装在金属中。
– 对并排安装没有任何要求。
– 顶部（传感面）可以由金属制成。 – 价格低廉，结构简单。
– 具有大的感应范围和高的开关频率。
(2) 缺点 – 动作距离受检测体（一般为磁铁或磁钢）的磁场强度影响较大。
– 检测体的接近方向会影响动作距离的大小（径向接近是轴向接近时动作
• 额定电压：通常220V/380V、24V等，需根据实际情况选取， 接入S7-300系列PLC数字量模块的限位开关一般采用24V DC。
• 额定电流：一般为2~6A，也有更高的如防爆型有的能达到16A • 开关类型：非接触式分为光电式、电容式等；机械式分为直动 式、滚动式、微动式等； • 触头数量及组合形式：常开常闭触点数目及组合； • 动作行程：分为直行程和角行程； • 动作力矩：
它的工作原理与电感式接近开关类似，其内部包含一个 LC 振荡器、 一个信号触发器和一个开关放大器，还有一个非晶体化的、高穿透率的 磁性软玻璃金属铁芯，该铁芯造成涡流损耗使振荡电路产生衰减，如果 把它放臵在一个磁场范围内（例如，永久磁铁附近），此时正在影响振 荡电路衰减的涡流损耗会减少，振荡电路不再衰减。因此，磁性接近开 关的消耗功率由于永久磁铁的接近而增加，信号触发器被启动产生输出 信号。它有广泛的应用，如：可以通过塑胶容器或导管来对物体进行检 测；高温环境的物体检测；物料的分辨系统；用磁石辨认代码等。
2016年1月17日
措施
1. 查出过负荷是系统固有原因还是由于系统故障造成的，对
于前者，考虑更大切换电流的纤维开关，或者考虑使用隔
离继电器进行触点容量的扩充； 2. 对触点系统进行处理或更换限位开关； 3. 对限位开关受腐蚀部分进行处理，视情况决定是对其更换 新开关还是进行防腐处理之后继续使用； 4. 处理短路故障，并对短路原因进行分析，如果是由于端子 接线的毛刺造成的短路或绝缘不良，应对端子接线进行处
2016年1月17日
电气故障：主要表现为限位开关的输出信号
时断时闭，在系统没有触发时，触点状态偶有突 跳，或者输出状态不随输入状态的改变而改变。
主要原因
1. 由于短路、过负荷等原因造成常开/常闭触点烧坏；
2. 机械原因导致的限位开关动、静触头之间不能充分
的接触； 3. 触点、接线端子有腐蚀； 4. 接线端子之间或内部有短路或绝缘不良； 5. 由于电磁干扰或其他扰动导致的其他偶发性故障。
b、确认触点形式；
c、确认动作特性； d、确认触点容量； e、确认使用环境。
2016年1月17日
5.3常见故障
由于限位开关本身的材质特性及其所处的
工作环境和工作状况等因素，常会造成开关的
故障，主要分为：机械故障，电气故障。
机械故障：限位开关的保护外壳及用于受
力复位的机械零部件损坏，主要表现为开关要 么不动作，要么动作后不能自复位。
2016年1月17日
主要原因
1. 行程过小导致的机械设备制动距离相对太大，限位 开关受力过大造成机械性撞击损坏； 2. 化学品腐蚀，海水侵蚀。
措施
1. 重新设臵开关的位臵或伸长限位开关的摆杆或伸缩 杆的长度，以增加设备的制动距离或减小摆杆的摆 动幅度，增加设备到开关之间的缓冲距离； 2. 重新确认限位开关的设备选型是否正确，必要时对 限位开关进行防潮、防腐蚀处理； 3. 更换限位开关。
2016年1月17日
图4 霍尔接近开关原理图
4.3.2 应用实例
图5是由霍尔接近开关与其它芯片组成的智能型磁敏转速测试仪的工作 原理图。由于转速信号是以脉冲形式出现的，当被测磁性物体磁场强度达到 25 毫特斯拉以上时，其输出是标准的TTL电平。利用计算机的智能型控制、 运算功能，组成的转速表既简单又精确。如用 3020 型霍尔式接近开关，单
霍尔接近开关是一种磁性接近开关，具有无触点、低功耗、 长使用寿命、响应频率高等优点，内部采用环氧树脂封灌制作成 一体化结构，所以能适应各类恶劣环境。可应用于接近开关、压 力开关、里程表等，是一种新型器件。 图 4 是内部原理及转移特性图。霍尔式开关比电感式开关响 应频率高，它用磁钢触发，电感式用导磁金属触发，霍尔式开关 感应距离除了与传感器本身性能有关外，还与所选磁钢磁的场强 度有关。
变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的
电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的通断 。这种接近开关检测的对象，可以是导体，也可以是 绝缘的液体或粉状物等。
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4.2 电感式接近开关
电感式接近开关又叫涡流式接近开关，属于一种有开 关量输出的位臵传感器，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磁场，
4.3 霍尔式接近开关
4.3.1 原理
一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，其两端 会产生电位差，这种现象称为霍尔效应。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 组装工艺制作而成的，它可方便地把磁输入信号转换成实际应用中
出，由此便可“感知”有物体接近。
2016年1月17日
4.6 热释电式接近开关
用能感知温度变化的元件做成的开关叫
热释电式接近开关。这种开关是将热释电
器件安装在开关的检测面上，当有与环境 温度不同的物体接近时，热释电器件的输 出有变化，由此便可检测出有物体接近。
2016年1月17日
4.7 其他非接触式开关
2016年1月17日
3 结构及分类
机械式限位开关主要由触头系统和接开关一般由发射器和接收器组成。
图2是限位开关的分类。
限 位 开 关
非接触式
光电开关 磁开关等
摆杆式
接触式
直动式 微动式
图2 限位开关分类图
2016年1月17日
4 非接触式限位开关
非接触式限位开关属于接近式传感器，根据测量原理分为电 感式、磁式、光学式、超声式和电容式等。
理，常见的有：对端子进行镀锡处理或压接接线鼻子；
5. 通过中间继电器进行信号的隔离。
2016年1月17日
上述检查过程中，经常通过紧
固端子螺钉的方法能够解决电气故 障类型。
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本章结束！
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距离的一半）。 – 径向接近时有可能会出现两个工作点。
– 检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉，只能用非铁质材料。
2016年1月17日
4.5 光电式接近开关
利用光电效应做成的开关叫光电开关。
将发光器件与光电器件按一定方向装在同一
个检测头内。当有反光面（被检测物体）接
近时，光电器件接收到反射光后便有信号输
产品有电感式、电容式、霍尔式等，外形见图3。
2016年1月17日
图3 非接触式限位开关
2016年1月17日
4.1 电容式接近开关
这种开关的测量头通常是构成电容器的一个极板
，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程
中通常与地或设备机壳相连。当有物体移向接近开关
时，不论它是否为导体，总要使电容的介电常数发生
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4.4 磁性接近开关
4.4.1 工作原理
磁性接近开关能以细小的开关体积达到最大的检测距离。它能检测磁 性物体（一般为永久磁铁），然后产生触发开关信号输出。由于磁场能 通过很多非磁性物，所以此触发过程并不一定需要把目标物体直接靠近 磁性接近开关的感应面，而是通过磁性导体（如铁）把磁场传送至远距 离。
的电信号，同时又具备工业场合易操作性和可靠性的要求。
霍尔接近开关的输入端通过磁感应强度 B 来表征，当 B 值达到一 定程度时，开关内部的触发器翻转，其输出电平状态也随之翻转。
输出端一般采用晶体管输出，和电感式接近开关类似的分为：NPN
、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出等类型。
2016年1月17日
接近开关是利用电磁工作原理，用先进的工艺制成的一种位 臵传感器。它能通过测量传感器与物体之间的位臵关系变化，将 非电量或电磁量转化为所希望的电信号，从而达到控制或测量的 目的。
接近开关是一种开关型传感器（即无触点开关），它即有行 程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性 能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防 水、防震、耐腐蚀等特点。
该磁场经由感应面释放出来。当有金属物体接近振荡感应
头时，就会使该金属物体内部产生涡流，这个涡流反作用 于接近开关，使其振荡能力衰减，内部电路参数发生变化 ，当信号触发器探测到这一衰减现象时，便把它转换成开 关电信号。由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关 的通断。这种接近开关只能检测金属物体。
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