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接近開關(guān)用電感、電容式傳感器 |
| 發(fā)布日期：2013-2-23 8:59:00 |
接近開關(guān)之電感式傳感器
電感式傳感器是基于電磁感應原理，將被測量轉(zhuǎn)換成線圈的自感或互感的變化的機電
轉(zhuǎn)換測量裝置.
作接近開關(guān)用的電感式傳感器由振蕩器、開關(guān)電路和放大輸出電路三部分組成，如圖
12-9所示。振蕩器產(chǎn)生交變磁場.當金屬目標接近這個交變磁場并達到感應距離時，金屬目
標內(nèi)即能產(chǎn)生渦流，導致振蕩衰減，直至停止振蕩。振蕩器的振蕩或停振狀態(tài)都能被后面的
放大輸出級電路處理并被轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，進而觸發(fā)驅(qū)動控制器件，這樣就達到了非接觸檢
測的目的。電感式傳感器的電流損耗，隨著金屬目標物距離的趨近而減小。因為目標物越接
近傳感器，線圈中的阻尼就越大，傳感器振蕩器的電流就越小。其接近開關(guān)作用情況如圖
12-10所示。
接近開關(guān)用電感式傳感器很適用金屬物體的檢出。在選型時要注意如下幾個步驟:
(”選擇外殼形狀有圓柱形、矩型、槽形和環(huán)形傳感器之分。圓柱形傳感器的直徑僅
3-40mm，在軸線方向有一個感應區(qū)域。罩殼材料多采用半晶體狀的聚丁烯對苯二甲酸
(PBT)，并通過玻璃纖維增加強度，故這種傳感器耐磨，不易變形，耐酸，耐海水，并能承受
200℃的高溫。矩型傳感器中的象限位開關(guān)形式的用在機械輥筒控制桿中起限位開關(guān)作用，
在罩殼蓋中裝有開關(guān)放大器、傳感器頭部可以用向左、右、上、下或向前五種方式定位。矩型
傳感器中的FP型開關(guān)有一個很大的80mm X 80mm的感應面，故而有一個可以大到60mm
的動作距離，它很適合安裝在樓板輸送機等系統(tǒng)的齊平安裝。槽形傳感器具有采用PBT材
料制成的U形罩殼，在U形槽兩邊的兩只線圈建立起交變磁場，當開關(guān)凸片這類被測目標
進入兩個線圈之間的區(qū)域(或縫槽)時，開關(guān)即被觸發(fā)。環(huán)形傳感器可以是最常用的螺管式差
動變壓器形式，它把交變磁場集中于環(huán)內(nèi)，當一個金屬目標(待測物)進入環(huán)內(nèi)時，開關(guān)就觸
發(fā)動作。
(2)動作距離所謂動作距離，是用標準測試板軸向接近開關(guān)感應面時，使開關(guān)輸出的
信號發(fā)生變化時測量的開關(guān)感應面和測試板之間的距離。動作距離是接近開關(guān)最為重要的
特征。以電感式傳感器而論，若以S表示傳感器的動作距離，D表示傳感器的傳感面直徑，
則根據(jù)物理學原理，D和S之間可用近似公式表達之
S<=D/2
所謂額定動作距離S.，即是在不考慮制造及外部條件所引起的偏差時，開關(guān)設計理想的動
作距離。標準測試板系用厚度為1mm的碳鋼做成，其尺寸隨傳感器的直徑變化‘測試板邊
長或為傳感器直徑，或為3倍的額定動作距離S ，取二者中較大者。開關(guān)在額定工作電壓及
室溫下測得的動作距離稱為有效動作距離(S,)
0. 9S,, S,蕊I .1S.
在允許的環(huán)境溫度(-25~十70`C)下，輸入電壓又在額定電壓的85%^-110%的范圍
內(nèi)，開關(guān)所測得的動作距離，稱為可用動作距離((S ),
0.95,(Sv(1. 1S,
所謂可靠動作距離S,，是指在這個動作距離內(nèi)，開關(guān)的動作是可靠的
0成S,<0. 81S,
重復精度R指的是傳感器在室溫下(23士5)'C，相對濕度隨機，供電電壓U，允許有
士5%的波動，在8h內(nèi)進行測量所產(chǎn)生的有效作用距離的變化量
R《0. 1S,
當標準測試板靠近接近開關(guān)或離開接近開關(guān)時所獲得的兩個開關(guān)點之間的距離差稱回
環(huán)寬度(H)。在室溫下和額定的工作電壓范圍內(nèi)，H和s,應有如下關(guān)系
H《O.2S,
標準測量板必須軸向接近傳感器感應面，才能準確測出動作距離，如圖12-11所示。當
然，若標準測量板在有效傳感區(qū)內(nèi)作橫移，則會有不同的動作距離，且與橫移的距離有關(guān)，圖
12-12描述了這種橫移關(guān)系的響應曲線.當然，槽型電感式傳感器的響應只和目標播進槽口
的深度有關(guān)。另外，影響動作距離起重要作用的衰減系數(shù)，是指某一種材料的動作距離相對
于st 37號鋼減少了多少。對于某一種特定材料，衰減系數(shù)越大，則傳感器的動作距離越大。
電感式傳感器的衰減系數(shù)與特征參數(shù)的關(guān)系曲線如圖12-13所示，而特征參數(shù)是指導電率
與導磁率之比.
12-2.2電容式傳感器
電容式傳感器的基本工作原理是基于物體間的電容量及其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。電容
器的電容是構(gòu)成電容器的兩極板形狀、大小、相互位
置及電介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)。以最簡單的如圖12-14
所示的平板電容器為例.當不考慮邊緣電場影響時，
其電容量C為
式中‘為介質(zhì)的介電常數(shù);S為極板的面積;S為極板之間的距離。
由(12-1)式可見，平板電容器的電容C是介電常數(shù):、極板面積S和極板間距離8的函
數(shù)，即C=f(c,S,8)。電容式傳感器就是依據(jù)上述關(guān)系作為工作原理的。具體地說，只要當被
測運動物體上下移動(8變動)或左右移動((S變化)時，都導致電容c的變化.通過適當?shù)臏y
量線路即可將該電容變化轉(zhuǎn)化為電壓、電流或頻率等信號的輸出，運動物體位移的大小，可
從輸出信號的大小加以測定.若設定輸出信號為預定閥值，就成了接近開關(guān)，從而可以檢測
任何物體.電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，靈敏度高，耗能小，且作為非接觸型傳感器，其
應用廣泛，作接近開關(guān)僅是應用之一種。
工廠自動化用電容式傳感器(接近開關(guān))的工作原理框圖如圖12-15所示。其感應面由
兩個同軸金屬電極構(gòu)成，很像打開的電容器電極，這兩個電極構(gòu)成一個電容，串接在RC振
蕩電路中.當電源接通時，RC振蕩器不振蕩，隨著目標物朝著電容器的電極移動，電容器容
童逐漸增大，致使振蕩器振蕩.通過開關(guān)級和輸出級電路的處理，停振和振蕩兩種信號轉(zhuǎn)變
為開關(guān)信號，也就起到了檢測有無物體存在的目的。電容式傳感器能檢測金屬和非金屬物
體，能獲得最大動作距離的是金屬物體，而非金屬物體的動作距離則決定于材料的介電常數(shù)
:.‘越大，動作距離越大。當目標物體靠近時，電容式傳感器所消耗的電流I隨之加大，如圖
12-16所示。電容式傳感器幾乎都有一個電位器以供調(diào)節(jié)開關(guān)距離，其方法是:用一塊3X凡
邊長的接地的金屬板作測試目標，調(diào)節(jié)電位器使電容式傳感器開關(guān)在0. 7-0.8S。位置動
作，其他的技術(shù)指標則均以此測試目標作為基準.若測試目標是紙或玻璃等具有較低介電常
數(shù)的物體時，則還可以通過順時針方向旋轉(zhuǎn)電位器以增加靈敏度。
常用的電容式傳感器(接近開關(guān))有圓柱型、矩型和本質(zhì)安全型。電容傳感器的響應曲線
如圖12-17所示。對于電容傳感器，其特征參數(shù)是相對介電常數(shù)，曲線如圖12-18所示。
無論是電感式還是電容式傳感器，其安裝方式都可采用齊平安裝和非齊平安裝兩種。所
謂齊平安裝，是指把傳感器埋人金屬性基座內(nèi)，其有效感應工作表面與基座面齊平.而非齊
平安裝時，傳感器不可埋入金屬性墓座內(nèi)，其有效感應工作表面與基座必須保持一定的距
離。用非齊平式傳感器能獲得最大的可能動作距離。用齊平式傳感器則有更好的機械保護
性能，并具有比非齊平式傳感器更低的錯誤電影響靈敏度。
按電氣數(shù)據(jù)和輸出形式，傳感器可以有交流和直流兩種輸出，并有直流二線制、三線制
和四線制之分，交流二線制和交直流二線制之別。
12.3渦流式傳感器
渦流式傳感器墓于電磁感應原理，其靈敏度雖不及差動變壓器，但其顯著特點是可以實
現(xiàn)非接觸測量。
渦流式傳感器的作用原理如圖12-19所示.當一塊金屬物體放在變化著的磁場中，或
者在磁場中移動時，在金屬物體中就會感應出一圈圈自相閉合的稱為渦流的電流。渦流的
強弱與金屬物體的電阻率P、導磁率IAI厚度t,線圈與金屬物體的距離.1，以及線圈勵磁電
流的角頻率。等參數(shù)有關(guān).只要確定其中的一些參數(shù)，即可用渦流的大小測得另外一些
參數(shù).
渦流式傳感器與被測物的等效電路如圖12-20所示，從等效電路即可寫出兩個電壓平
衡方程式
由式(12-2)至(12-3)可見，當線圈接近金屬物體時，電氣參數(shù)(等效電阻R,等效電感L，和
等效品質(zhì)因數(shù)Q.,)都是線圈與金屬物體之間的互感系數(shù)M值的函數(shù)，即靠近距離的函數(shù)。
由此可知，凡能引起渦流變化的非電量(如金屬的電導率、導磁率、形狀尺寸，以及線圈與金
屬物體的距離等)，均可從測量線圈的R,, , L 和Q.q測盤出來。
渦流式傳感器的激勵線圈工作在較高頻率下，以獲得明顯的電渦流效應，為此常采用定
頻調(diào)幅和調(diào)頻電路加以實現(xiàn)。
定頻調(diào)幅測距原理線路如圖12-21所示.圖中的電容C和電感線圈L構(gòu)成一個并聯(lián)
LC電路，在沒有金屬板時，振蕩(激勵)頻率為fo，當存在金屬板并改變金屬板與傳感器之
間的距離x時，檢波電壓U發(fā)生如圖12-22所示的變化。這種電路多用于測量位移，若預定
位移閥值，也就成了接近開關(guān).限于篇幅和本章內(nèi)容，調(diào)頻電路不再闡述.
12.4磁式接近傳感器
作為接近開關(guān)的磁式接近傳感器，能透過非磁性材料制成的護套而對永久磁場產(chǎn)生響
應，其作用距離大于電感式傳感器。響應曲線和基本結(jié)構(gòu)如圖12-23所示。由圖可見，響應曲
線與永久磁場的方向有關(guān)。
當一個永久磁鐵或一個外部磁場接近時，線圈鐵芯(可以是非晶態(tài)或巨莫等高導磁率材
料制成，線圈的電感量L由它決定)的導磁性變小，線圈電感t隨之變小，品質(zhì)因數(shù)Q值增
高，激起振蕩器振蕩，并導致振蕩電流的增大.該振蕩信號通過處理器放大后轉(zhuǎn)換成開關(guān)信
號，從而達到檢測作用。
當一個磁性目標靠近時，磁式接近傳感器電流i消耗隨著增大。當達到S。時，開關(guān)由關(guān)
閉轉(zhuǎn)揍成開啟狀杰，如圖12-24所示。
磁式接近傳感器與電感式傳感器相比，其優(yōu)點是:傳感器可以安裝在金屬中，并排安裝
時也沒有任何特殊要求;傳感器的傳感面(頂部)可由金屬制造，即可透過金屬檢測。其缺點
是:動作距離受檢測體(永久磁鐵)磁場強弱之影響，檢測體(永久磁鐵)的接近方向會影響動
作距離的長短(徑向接近是軸向接近時動作距離的一半);徑向接近時可能會出現(xiàn)兩個工作
點;固定檢測體(永久磁鐵)時，只能用非鐵磁性物質(zhì)，不允許用鐵氧體或鐵螺釘之類鐵磁性
物質(zhì)。
磁式接近傳感器的輸出形式中，最常用的有本質(zhì)安全型(NAMUR);故障安全型;直流
二線制、三線制和四線制。交流二線制;交直流二線制;模擬量輸出以及公共總線等。
德國P+F公司提供的新的磁式接近傳感器可以透過最大至25mm厚的鋼板進行位置
檢測，這無疑是技術(shù)上的一個突破.其工作方法是把永久磁鐵吸附在移動的待測物體上，則
在其周圍就會產(chǎn)生殘余的磁場。當移動待測物體進入開關(guān)位置時.安裝在諸如鋼管厚壁外面
的傳感器即能吸收該磁場同時發(fā)出開關(guān)信號。只要有帶磁性待測物體位于開關(guān)范圍內(nèi)，傳感
器發(fā)射出靜態(tài)輸出信號，當待測物體通過開關(guān)區(qū)域，傳感器就會發(fā)射出短暫的輸出脈沖信
號，這種脈沖檢測信號可大到looms.
12. 5霍爾傳感器
霍爾傳感器是一種根據(jù)霍爾效應開發(fā)出來的磁敏傳感器。由于半導體具有比金屬材料
高得多的霍爾系數(shù)，所以，用半導體材料制造的霍爾傳感器具有對磁場特別敏感、結(jié)構(gòu)簡單
且使用方便的特點。非但用于電磁參數(shù)〔電流、電壓、功率及磁感應強度)的測量，也廣泛用于
直線位移等非電量的測量，而接近開關(guān)僅僅是預定閥值后作直線位移測t時的特定應用。
如圖12-25中，一個橄爾元件(通常選用N型半導體薄片)的兩端通以控制電流I，并在
薄片的垂直方向上施加磁場B，則由于洛侖茲力幾的作用，在既垂直于電流I又垂直于磁
場B的方向上產(chǎn)生了電動勢UH,U，稱為霍爾電勢或霍爾電壓，產(chǎn)生的這種現(xiàn)象稱霍爾
效應。
由于洛侖茲力人的作用，電子向一邊偏轉(zhuǎn)(圖中的O)，形成電子積累，而另一邊則形成
正電荷①的積累，此時就形成了電場.該電場阻止運動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，若電場作用在運動
電子上的力幾與洛侖茲力人相等時，電子的積累便達到了動態(tài)平衡.此時的霍爾電勢U,,
的大小為
UH=R,-,-I -B (V)
a
式中，R二為霍爾常數(shù)(m℃一’); I為控制電流(A); B為磁感應強度(T); d為霍爾元件的
厚度(m)。
靈敏度
則
、。一今(VA一w‘一)
U =K ·I·B
由上式可知，霍爾電勢的強弱正比于電流和磁場，也要求靈敏度越大越好，這就是選取
有高的霍爾常數(shù)R。的半導體材料和在基片上采用真空鍍膜(膜層厚度為。。02^-0. 1mm)方
法，以減小d做成薄片元件的原因。
霍爾傳感器在現(xiàn)代機械設計中，可以作為開關(guān)或接近傳感器。霍爾傳感器作開關(guān)的磁路
結(jié)構(gòu)如圖12-26(a)所示。圖中，霍爾片置于極性相反且磁場強度相同的兩塊磁鋼的氣隙之
中，當霍爾元件的控制電流I保持不變時，霍爾電勢U，與磁場強度B成正比，若磁場在一
定范圍內(nèi)沿x方向的變化如圖12-26(b)所示的線性關(guān)系，霍爾電勢的極性反映了元件左右
移動的方向.此時，只要設定+x或一x,霍爾電勢UH與輸出靈敏度K的關(guān)系式U -=Kx)
也就成了開關(guān)量。
霍爾元件作接近傳感器的原理圖如圖12-27所示。永久磁鐵裝在軟磁性工件突出部邊
緣，磁鐵的N極和S極的距離等于軟磁性工作突出部距離，霍爾元件粘貼在磁極端面。當軟
磁性工件接近時，霍爾元件就輸出一個脈沖給檢測電路，這個脈沖信號就可用來控制機械的
動作.根據(jù)該原理，霍爾傳感器還可擴展應用于傳輸帶上的工件計數(shù)和速度及轉(zhuǎn)速的測量。
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