接近开关的工作原理及应用场景

接近开关又称无触头行程开关，是一种非接触式位置开关（传感器），它不仅能代替有触头行程开关，还可用于高频计数、测速、液面控制、零件尺寸检测、加工程序的自动衔接等的非接触式控制。接近开关的图形及文字符号与图2-64相同。

图2-68 LS系列行程开关产品的几种摆杆形式及组装示意图

1—本体 2—配装按钮所需的适配器 3—水平方向滚轮直动杆 4—垂直方向滚轮直动杆 5—滚轮摆动杆 6—滚珠直动头 7—可调滚轮摆动杆 8—长杆摇臂 9—弹簧摆动杆

接近开关由感应头、振荡器、放大器和外壳组成。当运动部件与接近开关的感应头接近时，就会输出检测信号。按其工作原理，有电感式、电容式、霍尔式、超声波式、红外光电式、非磁性金属感应智能型等。工作电源种类有交流和直流两种；输出形式有两线制、三线制和四线制三种，输出类型有NPN型、互补PNP型晶体管输出和继电器输出等。外形有方型、槽型、螺纹型、圆柱型、平扁型、矮圆柱型、组合型、特殊型、贯穿型、多边型、环型等多种。感应面类型有对端感应、左侧感应、右侧感应、上侧感应、分离式等。

1.电感式接近开关

电感式接近开关有模拟量输出电感式、本安型、永磁式等类型。

模拟量输出电感式接近开关又称线性位移传感器，与普通电感式接近开关工作原理相同，但没有固定的开关点，而是当金属检测物接近检测面时，输出一个与目标物的距离（与目标物材质有关）成比例的电流或电压线性输出信号，经线性处理后，被内部信号放大器放大后输出。输出信号可以是4～20mA/0～10mA或0～10V/2～10V，同时具备短路、过载、反向等保护。典型应用如测量厚度、间隙或距离测量、轮偏心和轮宽测量、滚轮厚度测量、定位控制、绝对位置或角偏差控制等，并将测量值转化为相应的工业控制信号。

本安型接近开关又称NAMUR开关或安全开关，由电感振荡器和解调器组成，它能将金属检测物与传感器的位移转化成电流信号的变化，安装在有爆炸危险的环境中，通常与相应的开关放大器一起使用。

永磁式接近开关又称舌簧传感器或磁性开关，它是利用永久磁铁的吸力驱动舌簧开关而输出信号的。适用于气动、液压、气缸和活塞泵的位置测定及限位开关。当磁性目标接近时，舌簧闭合，经放大输出开关信号，能安装在金属中，可紧密安装，可穿过金属进行检测。其检测距离随检测体磁场的强弱变化而变化。

电感式接近开关主要由高频振荡器、集成电路或晶体管放大器和输出器三部分组成，电感式接近开关的感应头一般是一个具有铁氧体磁心的电感线圈，只能用于检测金属物体。其基本工作原理是，振荡器的线圈在感应头表面产生一个交变磁场，当被检金属物体接近感应头时，金属物体内部产生的涡流将吸取振荡器的能量，致使振荡器停振。因而产生振荡和停振两种信号，经整形放大器转换成二进制开关信号，从而起到“开”、“关”控制作用。图2-69是电感式接近开关的工作原理和输出类型示意图。

图2-69 电感式接近开关的工作原理和输出类型示意图

a）结构原理图 b）磁场变化示意图 c）输出类型示意图

1—电磁线圈 2—振荡器 3—感应头表面的磁场 4—电压比较器

电感式接近开关的产品种类十分丰富，常用的国产接近开关有LJ、LM、PL、CJ、SJ、AB和LXJ等系列，另外，国外及引进产品亦在国内应用广泛。图2-70是一些产品的外形外貌示意图。

图2-70 一些电感式接近开关产品的外形外貌示意图

2.电容式接近开关

电容式接近开关主要是由电容式高频振荡器和放大器组成，感应界面是一个圆形平板电极，与振荡电路的地线形成传感界面分布电容，另一个极板是物体本身。如果没有物体接近感应界面时，带浮动电极的高频振荡器不振荡，当有金属导体或其他介质物体（固体、液体或粉状物体）接近传感界面时，使浮动电极产生的电场变化，物体和接近开关的介电常数发生变化，从而改变其耦合电容值，高频振荡器产生振荡，从而使输出信号发生跃变，经放大器输出电信号。振荡器的振荡和停振信号由放大器转换成二进制开关信号，从而起到“开”，“关”的控制作用。电容式接近开关广泛应用于机械、制药、钢铁、玻璃、化工、造纸、物流、包装、采矿等领域。图2-71是电容式接近开关的结构原理图。

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图2-71 电容式接近开关的结构原理图

由图2-71可见，电容式接近开关的感应面由两同轴金属电极构成，主电极A、B连接在高频振荡器的反馈回路中，当目标物体（被测物体）接近传感器表面时，它就进入由等效电容的两个电极间的电场，引起主电极A、B之间的耦合电容增加，高频振荡器开始振荡，振荡的振幅由检波和放大电路后形成开关信号。

电容式接近开关既能检测金属物目标，也能检测非金属物目标，如果目标物体是金属物，则金属物在主电极A、B之间形成一个负电极，连同主电极A、B构成串联电容的辅助电极C，使串联电容（CA和CB）的电容量大于目标物体没有进入时，由主电极A、B所构成的电容量。因为金属物具有高传导性，所以目标物体是金属物时，感应距离最大。在使用电容式传感器时不必像使用电感式传感器那样，对不同金属采用不同的校正因数。如果目标物体是非金属物（绝缘体），其电容量的增加取决于目标物体材料的介电常数。一般而言，材料的介电常数越大，可获得的感应距离就越大。

3.光电式接近开关

光电式接近开关简称光电开关，它是利用光电效应原理将光强度的变化转换成电信号的变化，利用投光器发出的光束，被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。将输入电流在发射器上转换为光信号，对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。接收器由光电二极管或光电晶体管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，它可以在与光轴0～25°的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。除光纤式光电开关外，多数光电开关是波长接近可见光的红外线光波型。

根据光电开关在检测物体时投光器所发出的光线被折回到受光器的途径的不同，光电开关可分为遮断型和反射型两类。反射式光电开关又分为反射镜反射型及被测物漫反射型。具体产品有漫反射式、镜反射式、对射式、槽式和光纤式等。

漫反射式光电开关集投光器和受光器于一体，当有被检测物体经过时，物体将投光器发射的光线漫反射到受光器，并产生开关信号。发出的光线需要经检测物表面才能反射回受光器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定受光器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度，而且被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。漫反射型产品所采用的标准检测体为平面的白色画纸。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，一般选用漫反射式的光电开关检测模式。

镜反射式光电开关也是集投光器与受光器于一体，从发射器发出的光束在对面的反射镜反射回受光器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。当检测物体为不透明时，一般选用镜反射式光电开关检测。

对射式光电开关由投光器和受光器组成，结构上两者相互分离，投光器发出的光线直接进入受光器，当被检测物体经过投光器和受光器之间，光束被阻断时，会产生一个开关信号。对射式光电开关最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的80%。当检测物体为不透明时，一般选用对射式光电开关检测。

槽式光电开关通常采用U字形结构，其投光器和受光器分别位于U形槽的两边，并形成一束光轴，当被检测物体经过U形槽且阻断光轴时，即产生开关信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且能分辨透明与半透明物体。

光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤式光电开关分为对射式和漫反射式。

光电开关应用广泛，如用于对材料的定位剪切控制；控制液位的上下限值，当液面位高于或低于上下极限液面位时，光电开关控制电路可使阈门打开或关闭，使液面位的高度保持在上下限之间；利用物体对光的遮挡作用，检测流水生产线上物体的通过个数，或物体是否存在；利用光的直线传播性，检验产品是否等高排列，另外在行程控制、直径限制、转速检测、气流量控制等方面也广泛应用。图2-72是光电开关的应用示例。

图2-72 光电开关的应用示例

a）检测瓶子清洁度，对射型 b）检测罐头有无标签，扩散反射型 c）标签检测，槽式 d）检测传送带上有无物体，镜反射型

4.霍尔接近开关

霍尔接近开关是一种有源磁电转换器件，是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装工艺制作而成，它把磁感应强度B输入信号转换成数字电压（电流）信号，具有记忆保持功能。能直接和晶体管及TTLMOS等逻辑电路接口。霍尔接近开关由电压调整、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和集电极开路的输出级组成。当输入端磁感应强度B值达到一定的程度时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。内部的磁敏感器件仅对垂直于传感器端面磁场敏感，当磁极S正对接近开关时，输出产生正跳变，为高电平，若磁极N正对接近开关时，输出为低电平。

5.超声波接近开关

超声波接近开关主要由压电陶瓷传感器、发射超声波和接收反射波用的电子装置及调节检测范围用的程控桥式开关等几个部分组成。当超声波接近开关发出超声波脉冲时，通过接收反射波计算出检测距离，并转换为输出信号，继电器和模拟量输出。它在6cm～10m范围可精确测量至毫米，具有很好的重复精确性，对于恶劣的工业环境中，其性能不受声、电、光、灰尘和污物的影响。对于液体的探测精度与固体颗粒或粉末相同，因此，超声波接近开关适用范围很广，特别适用于检测不能或不可触及的目标，检测目标可以是不同材料、外形、颜色或密度的固体、液体或粉末状态的物体，甚至是透明物体，只要能反射超声波即可。检测与表面的性质无关，表面可以粗糙或平滑、清洁或脏污、潮湿或干燥。常用于检测液面、定位、限位或堆垛探测控制、高度测量、距离测量、装瓶计数等。