一文读懂接近传感器

原创传感器技术 2023-01-10 07:00

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文 | 传感器技术（WW_CGQJS）

接近传感器被广泛用于各种自动化生产线，机电一体化设备及石油、化工、军工、科研等多种行业，那什么是接近传感器呢？

接近传感器

接近传感器，是指代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。其能将检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。

在转换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利石和引导开关的方式。由感应型、静电容量型、超声波型、光电型、磁力型等构成。

接近传感器是利用振动器发生的一个交变磁场，当金属目标接近这磁场并达到感应距离时，在金属目标内发生涡流，因此导致振动衰减，以至接近传感器的振动器停振。接近传感器的振动器振动及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，因此达到接近传感器的非接触式之检测的目的。这就是接近传感器的运作原理。

技术优势

① 由于其能以非接触方式进行检测，所以不会磨损和损伤检测对象物。

② 由于采用无接点输出方式，因此寿命延长（磁力式除外）采用半导体输出，对接点的寿命无影响。

③ 与光检测方式不同，适合在水和油等环境下使用检测时几乎不受检测对象的污渍、油和水等的影响。此外，还包括特氟龙外壳型及耐药品良好的产品。

④ 与接触式开关相比，可实现高速响应。

⑤ 能对应广泛的温度范围。

⑥ 不受检测物体颜色的影响：对检测对象的物理性质变化进行检测，所以几乎不受表面颜色等的影响。

⑦ 与接触式不同，会受周围温度、周围物体、同类传感器的影响，包括感应型、静电容量型在内，传感器之间相互影响。因此，对于传感器的设置，需要考虑相互干扰。此外，在感应型中，需要考虑周围金属的影响，而在静电容量型中则需考虑周围物体的影响。

当金属检测体接近传感器的感应区域，开关能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，都是一般机械式行程开关所不能相比的。

接近传感器的分类

接近传感器按工作原理分:

高频振荡型、电容型、感应电桥型、永久磁铁型和霍耳效应型等。

按操作原理可分为三类：

利用电磁感应的高频振荡型，使用磁铁的磁力型和利用电容变化的电容型。

按检测方法分：

通用型：主要检测黑色金属（铁）

所有金属型：在相同的检测距离内，检测任何金属。

有色金属型：主要检测铝一类的有色金属

根据结构类型分:

1、两线制接近传感器：

两线制接近传感器安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。

2、直流三线式：

直流三线式接近传感器的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。PNP输出接近传感器一般应用在PLC或计算机作为控制指令较多，NPN输出接近传感器用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性选择其输出形式。

不同类型接近传感器的工作原理

电容式接近传感器的工作原理：电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器的检测面与大地间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面时，回路的电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制的开关信号。

电感式接近传感器的工作原理：电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二种状态，转换为电信号通过整形放大转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。

高频振荡型接近传感器的工作原理：由LC高频振荡器和放大处理器电路组成，当金属物体接近振荡感应头时会产生涡流，使接近传感器振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。

所有金属型传感器的工作原理：所有金属型传感器基本上属于高频振荡型。和普通型一样，它也有一个振荡电路，电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率。目标物接近传感器时，不论目标物金属种类如何，振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。

有色金属型传感器的工作原理：有色金属传感器基本上属于高频振荡型。它有一个振荡电路，电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率的变化。当铝或铜之类的有色金属目标物接近传感器时，振荡频率增高；当铁一类的黑色金属目标物接近传感器时，振荡频率降低。如果振荡频率高于参考频率，传感器输出信号。

通用型接近传感器的工作原理：振荡电路中的线圈L产生一个高频磁场。当目标物接近磁场时，由于电磁感应在目标物中产生一个感应电流(涡电流)。随着目标物接近传感器，感应电流增强，引起振荡电路中的负载加大。然后，振荡减弱直至停止。传感器利用振幅检测电路检测到振荡状态的变化，并输出检测信号。

接近传感器的选型和检测

接近传感器的选型：

对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近传感器，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：

1. 当检测体为金属材料时：应选用高频振荡型接近传感器，该类型接近传感器对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。

2. 当检测体为非金属材料时：应选用电容型接近传感器，如木材、纸张、塑料、玻璃和水等。

3. 金属体和非金属要进行远距离检测和控制时：应选用光电型接近传感器或超声波型接近传感器。

4. 当检测体金属但灵敏度要求不高时：可选用价格低廉的磁性接近传感器或霍尔式接近传感器。

接近传感器选型的要素：

① 检测类型：放大器内藏型、放大器分离型；
② 外形：圆形、方形、凹槽型；
③ 检测距离：以mm为单位；
④ 检测物体：铁、钢、铜、铝、塑料、水、纸等；
⑤ 工作电源：直流、交流、交直流通用；
⑥ 输出形态：常开（NO）、常闭（NC）；
⑦ 输出方式：两线式、三线式（NPN、PNP）；
⑧ 屏蔽、非屏蔽；
⑨ 导线引出型、接插件式、接插件中继式；
⑩ 应答频率：一秒钟能检测几个物体

接近传感器的检测：

释放距离的测定：当动作片由正面离开接近传感器的感应面，开关由动作转为释放时，测定动作片离开感应面的最大距离。

回差H的测定：最大动作距离和释放距离之差的绝对值。

动作频率测定：用调速电机带动胶木圆盘，在圆盘上固定若干钢片，调整开关感应面和动作片间的距离，约为开关动作距离的80%左右，转动圆盘，依次使动作片靠近接近传感器，在圆盘主轴上装有测速装置，开关输出信号经整形，接至数字频率计。此时启动电机，逐步提高转速，在转速与动作片的乘积与频率计数相等的条件下，可由频率计直接读出开关的动作频率。

重复精度测定：将动作片固定在量具上，由开关动作距离的120%以外，从开关感应面正面靠近开关的动作区，运动速度控制在0.1mm/s上。当开关动作时，读出量具上的读数，然后退出动作区，使开关断开。如此重复10次，最后计算10次测量值的最大值和最小值与10次平均值之差，差值大者为重复精度误差。

接近传感器的常见故障排除

① 稳定电源给接近传感器单独供电；

② 响应频率在额定范围内；

③ 物体检测过程中有抖动，导致超出检测区域；

④ 多个探头紧密安装互相干扰；

⑤ 传感器探头周围的检测区域内有其他被测物体；

⑥ 接近传感器的周围有大功率设备，有电气干扰。

接近传感器广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近传感器具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。目前，接近传感器的应用范围日益广泛，其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。

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