陳鎖發(fā)

（鎮(zhèn)江市江南礦山機電設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

接近開關(guān)在控制系統(tǒng)中是常用的傳感元件，在控制系統(tǒng)中，可以檢測位置，與控制裝置結(jié)合，采用相應(yīng)的算法，接近開關(guān)得到的信號可以測量位移、速度和加速度等控制變化量。采用接近開關(guān)有兩線、三線之分，三線制的輸出晶體管有PNP、NPN兩種方式，分別對應(yīng)相應(yīng)的PLC輸入點，比如源型和漏型的輸入點，兩根線分別接到PLC的+24V電源和相應(yīng)的輸入端，第三根線接到PLC的輸入公共點COM，其實兩根線的，另一根就是外殼了，直接到地。接近開關(guān)在不導通時也有微弱的電流通過，一般達不到4mA，不足以使PLC的輸入端子得到信號。

1 各種接近開關(guān)及其原理

1.1 電感式接近開關(guān)

電感式接近開關(guān)屬于開關(guān)量輸出的位置傳感器，其主要由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，控制開關(guān)的通或斷，或者根據(jù)接近的金屬物體，發(fā)出脈沖信號給控制系統(tǒng)。其能改變振蕩感應(yīng)的物體時鋼或鐵等金屬物體，因此，這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是該類的鋼或鐵物體。

電感式傳感器一般由三個部分組成，即振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個交變振蕩磁場，輸出極沒有輸出信號，當金屬目標接近這一磁場并達到感應(yīng)距離時，在金屬目標內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導致振蕩衰減，直至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，觸發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸式之檢測目的。如PNP輸出型的接近開關(guān)，棕色的線接+24 V，藍色線接0 V，黑色線是輸出線，接到PLC的輸入端子，電感式接近開關(guān)的原理，如見圖1所示。

圖1 電感式接近開關(guān)的原理圖

電感式接近開關(guān)的輸出方式有三極管NPN、PNP的驅(qū)動輸出和晶閘管的輸出方式。各種輸出方式的特性基本相同，有少量的差別，如典型的某種NPN參數(shù)如下：

檢測距離：1～5 mm；

被檢測物：18×18×1 mm；

鐵響應(yīng)頻率：150 Hz；

工作電壓：5～50 VDC；

直流工作電流：≤10 mA；

輸出驅(qū)動電流：200 mA。

1.2 電容式接近開關(guān)

電容式接近開關(guān)也屬于一種具有開關(guān)量輸出的位置傳感器，與電感式接近開關(guān)不同之處是，其測量頭是構(gòu)成電容器的一個極板，而另一個極板是物體的本身，當物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開關(guān)的接通和關(guān)斷。這種接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體，在檢測較低介電常數(shù)ε的物體時，可以順時針調(diào)節(jié)多圈電位器來增加感應(yīng)靈敏度，一般調(diào)節(jié)電位器使電容式的接近開關(guān)在0.7-0.8 Sn的位置動作。

1.3 霍爾式接近開關(guān)

當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，表達式為：

其中，

K為為霍爾系數(shù)；

I為薄片中通過的電流；

B為外加磁場的磁感應(yīng)強度；

D為是薄片的厚度。

可見，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場的磁感應(yīng)強度成正比?；魻柺浇咏_關(guān)是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，將磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中的電信號，同時又滿足工業(yè)場合實際應(yīng)用易操作和可靠性的要求?；魻栭_關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強度B來表征的，當B值達到設(shè)定強度時，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出，和電感式接近開關(guān)及電容式接近開關(guān)相比，基本種類相同，有NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型或雙極性和雙信號輸出型?；魻栭_關(guān)具有無觸點，低功耗，使用壽命長和響應(yīng)頻率高等特點，能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。霍爾開關(guān)可應(yīng)用于接近開關(guān)，壓力開關(guān)，里程表等，作為一種新型的電器配件。

1.4 光電式接近開關(guān)

光電開關(guān)是將發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到探測的目的。由于光電開關(guān)輸出回路和輸入回路是電隔離的，所以它可以在許多場合得到應(yīng)用。利用光電效應(yīng)做成的開關(guān)叫光電開關(guān)。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一個檢測頭內(nèi)，當有反光面(被檢測物體)接近時，光電器件接收到反射光后便有信號輸出，由此便可“感知”有物體接近。采用集成電路技術(shù)和SMT表面安裝工藝而制造的光電開關(guān)器件，具有延時，展寬，外同步，抗相互干擾，可靠性高，工作區(qū)域穩(wěn)定和自診斷等智能化功能。這種新穎的光電開關(guān)是一種采用脈沖調(diào)制的主動式光電探測系統(tǒng)型電子開關(guān)，它所使用的冷光源有紅外光、紅色光、綠色光和藍色光等，可非接觸，無損傷地迅速和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動作。

光電開關(guān)可以用作物位檢測，液位控制，產(chǎn)品計數(shù)，寬度判別，速度檢測，定長剪切，孔洞識別，信號延時，自動門傳感，色標檢出，沖床和剪切機以及安全防護等諸多領(lǐng)域。

2 接近開關(guān)的選用及其選用要點

2.1 接近開關(guān)的選用

接近開關(guān)在工業(yè)系統(tǒng)控制中應(yīng)用廣泛，如各種機床、數(shù)控設(shè)備、加工中心等，根據(jù)接近開關(guān)的特性，可以用于相關(guān)參數(shù)的測量，如長度、位置的測量。通過一定的算法程序，能夠測量位移、速度、加速度等參數(shù)，并能夠?qū)⑦@些參數(shù)用于控制中。

（1）傳統(tǒng)的位置開關(guān)為接觸式的行程開關(guān)，響應(yīng)速度低，精度差，誤差大，因為是接觸測量，碰塊與行程開關(guān)的頻繁撞擊，造成行程開關(guān)的碰桿、微動開關(guān)等關(guān)鍵部件容易損壞，無法保證控制系統(tǒng)的可靠性。但是，行程開關(guān)的檢測位置，對檢測對象沒有特殊要求，只要是能夠接觸碰塊保證微動開關(guān)的可靠動作即可。

（2）電感型接近開關(guān)的作用距離與振蕩感應(yīng)頭的截面面積有關(guān)，一般是感應(yīng)檢測距離與圓形截面的半徑相等，但是其只能檢測金屬材料。

（3）電容型接近開關(guān)的組成結(jié)構(gòu)與電感型接近開關(guān)基本相同，只是感應(yīng)頭的取得信號方式不同，輸出的種類也較多，電容型接近開關(guān)用于非金屬物體位置的檢測，檢測距離精度很高。

（4）霍爾式接近開關(guān)就是根根據(jù)磁性原理設(shè)計，因此，使用環(huán)境要避免磁場干擾，否則會影響使用性能和精度。

（5）光電開關(guān)具有體積小、功能多、壽命長、精度高等優(yōu)點，特別是其響應(yīng)速度快、檢測距離遠以及抗光、電、磁干擾能力強，但光電開關(guān)安裝盒使用環(huán)境要保證不能振動，否則將嚴重影響使用精度。

2.2 接近開關(guān)的選用要點

（1）在一般的工業(yè)生產(chǎn)過程、控制系統(tǒng)中如機床、生產(chǎn)線，通常都選用電感式接近開關(guān)和電容式接近開關(guān)，因為這兩種接近開關(guān)對環(huán)境的要求條件較低，響應(yīng)頻率低，但穩(wěn)定性好，在安裝時，應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響。

（2）若被測物為導磁材料或者為了區(qū)別和其在一同運動的物體而把磁鋼埋在被測物體內(nèi)時，應(yīng)選用霍爾接近開關(guān)，因為其價格低、檢測效果好。

（3）在環(huán)境條件好、無粉塵污染的場合，可采用光電接近開關(guān)，但必須保證使用環(huán)境不能發(fā)生振動。

所有的接近開關(guān)，在選用時，要全面考慮電壓、負載電流、響應(yīng)頻率、檢測距離等各項指標的要求。特別是電感式接近開關(guān)和電容式接近開關(guān)與PLC連接時，如果數(shù)量不多，可以直接采用PLC提供的+24 V直流電源，如果數(shù)量較多時，應(yīng)當在外部提供+24 V的電源，保證系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)束語

以上通過對常用各類接近開關(guān)的性能比較，提出了構(gòu)成控制系統(tǒng)中采用接近開關(guān)的選用方法、注意事項等，可以提供參考。