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接近開關(guān)在 自動化控制中的應(yīng)用 |
| 發(fā)布日期：2013-4-1 10:41:00 |
接近開關(guān)是與運(yùn)動部件無機(jī)械接觸而能動作的位置開關(guān)， 亦稱無接觸開關(guān)或無觸點(diǎn)行程開關(guān)。 它可通過運(yùn)動的金屬或非金屬物體接近開關(guān)感應(yīng)面， 無接觸壓力自動發(fā)出檢測信號， 以驅(qū)動繼電器或邏輯電路。因其具有體積小、 頻率響應(yīng)快、重復(fù)精度高、 工作電壓范圍寬、 抗干擾性能好、 無機(jī)械磨損、 無火花、 無噪聲、 耐振動以及安裝調(diào)試方便、 使用壽命長等特點(diǎn)， 廣泛用于冶金、 化工、 煙草、 礦山、 紡織、 機(jī)械、 自動流水線、 易燃易爆及多塵場合等諸多 領(lǐng)域。 亦適用于機(jī)床限位、 計數(shù)、 測速、 液面控制并可與計數(shù)器相連接作計數(shù)傳感器使用。
1 接近開關(guān)分類接近開關(guān)符合G B ／ T 1 4 0 4 8 ． 1 0 i d t I E C 6 0 9 4 7 — 5 — 2低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 控制電路電器和開關(guān)元件。 接近開關(guān)可按下述情況進(jìn)行相應(yīng)分類： 1 ． 1 按感應(yīng)種類分類一般町分電感式、 電容式、 光電式、 超聲波式、霍爾式、 磁電式。 1 ． 2按輸出方式分有觸點(diǎn)或無觸點(diǎn)。 1 ． 3按元件種類分一般分晶體管和集成電路兩種。 1 ． 4按形狀分類有圓柱型、 槽型、角柱型、 平型、 微開關(guān)型、貫通型、 平面安裝型等。 1 ． 5按引線方式分軟引線式、接插式、 接線端式。 1 ． 6按輸出功能分普通型 ( 常開輸出型) 、 延時輸出型、 常閉輸出 型、復(fù)合輸出型。 1 ． 7檢測方式埋入式、 非埋入式。 2 接近開關(guān)參數(shù)
2 ． 1開關(guān)距離 ( 開關(guān)距離( 即動作距離) ： 被檢測體沿傳感器基準(zhǔn)軸向感應(yīng)面移近時， 能引起輸出信號變化的距離。 2 ． 2額定開關(guān)動作距離( ) 額定距離是用于確定動作距離的定量。 它不考慮制造公差如電壓和溫度等外界條件引起變化的量。 2 ． 3有效動作距離 ( ) 有效動作距離是指在規(guī)定的基準(zhǔn)環(huán)境溫度、 額定電壓和安裝條件下所測得單只接近開關(guān)的動作距離。 值包含了若干不可避免的參數(shù)影響因素， 通常 值為 0 ． 9 S ≤ S ≤ 1 ． 1 S 。 如對電感式接近開關(guān)， 有效動作距離 ( ) 與檢測物體的大小、 厚度、 材料均有相應(yīng)關(guān)系 ；當(dāng)檢測物體大于標(biāo)準(zhǔn)檢測物體時， 檢測距離基本上恒定不變； 檢測體面積越大， 材料越厚則檢測距離越大， 當(dāng)材料厚度增大到一定尺寸后， 距離將不再按比例增加， 一般標(biāo)準(zhǔn)檢測體可選用與磁芯等面積， 檢測物體在厚度上一般要求大于1 m m 以上， 不會影響檢測距離 ；檢測物體的材質(zhì)最好采用導(dǎo)磁率最好的鐵， 如選用其他金屬材料則會影響其檢測距離 ：鐵1 0 0％ 、不銹鋼 6 0％ 、黃銅 4 0％、鋁 3 0％ 、銅 2 0％ ， 另外檢測體外表鍍層也會對檢測距離產(chǎn)生一定影響， 在選擇檢測體時應(yīng)注意上述要求。
2 ． 4回差 ( ， ， ) 檢測物體移近開關(guān)基準(zhǔn)感應(yīng)面， 開關(guān)動作點(diǎn)和檢測體移開接近開關(guān)時復(fù)位點(diǎn)之間的距離。 一般回差應(yīng)不大于有效動作距離 ( S )的2 0％ ，即 ≤0． 2 。 回差在具體使用中的意義： 在 自動控制中， 如開關(guān)用于限位，由于機(jī)械安裝尺寸的誤差， 總會產(chǎn)生一些抖動， 如開關(guān)不設(shè)定回差區(qū)域， 則在檢測體到達(dá)開關(guān)翻轉(zhuǎn)的臨界位置時， 由于抖動， 會發(fā)生有時接通有時斷開的現(xiàn)象， 從而會產(chǎn)生多次的誤觸發(fā)信號；如帶動繼電器， 將會使繼 電器連續(xù)產(chǎn)生吸合與釋放， 如開關(guān)設(shè)定一定的回差量， 則會對抖動不起響應(yīng)作用， 就會有效地避免誤動作和繼電器吸放現(xiàn)象。 2 ． 5響應(yīng)時間
當(dāng)檢測體進(jìn)入或離開開關(guān)檢測區(qū)后， 開關(guān)元件動作所需的時間， 該項(xiàng)參數(shù)在檢測高速靠近或高速掃過開關(guān)端面的檢測體時， 開關(guān)是否能及時響應(yīng)。 具體是指接近開關(guān)在動狀態(tài)下， 當(dāng)檢測體進(jìn)入檢測范圍內(nèi)后， 至輸出信號出現(xiàn)所延遲的時問( t ) 或可檢測體離開檢測范圍后， 至輸出信號消失所延遲的時間( t ) 。 2 ． 6操作頻率接近開關(guān)在規(guī)定的時間內(nèi)所完成的操作循環(huán)次數(shù)。 是指當(dāng)每一個檢測物體移向接近開關(guān)時， 開關(guān)每秒鐘輸出頻率。 具體講是指單位時問內(nèi)開關(guān)允許翻轉(zhuǎn)的次數(shù)。 它反映了開關(guān)的響應(yīng)能力。 在開關(guān)用于測速時，該參數(shù)有著重要意義， 當(dāng)在單位時問內(nèi) 通過開關(guān)端面檢測體的個數(shù)超過了開關(guān)能夠響應(yīng)的頻率， 則開關(guān)將來不及翻轉(zhuǎn)而造成停數(shù)。 2 ． 7重復(fù)精度 ( ) 有效動作距離 ( ) 的重復(fù)精度是環(huán)境溫度為( 2 3 ±5 ) ℃， 相對濕度在7 O℃時不超過5 O ％ ， 在較低的溫度下允許有較高的相對濕度， 例如在2 O℃時9 0 ％ 。由于傳感器感應(yīng)面的冷凝和濕度變化可能影響動作距離。 因此必須考慮因溫度變化產(chǎn)生的冷凝
( 其誤差為±5 ％ ) 。 電源電壓為額定工作電壓 ( 1 ±5 ％ ) ， U 。 或額定工作電壓范圍內(nèi)任意電壓±5 ％ 條件下， 將檢測體移向接近開關(guān) ， 測量值應(yīng)在8 h 內(nèi)測得 ： 任何兩次測量的差值不應(yīng)超過有效動作距離( ) 的 1 0 ％ ，即 ≤0 ． 1 S 。 2 ． 8最大輸出電流開關(guān)器件導(dǎo)通最大允許電流值。 3 典型開關(guān)原理框圖( 以電感式、 電容式、 光電式、霍爾式、超聲波式開關(guān)為例) 3 ． 1電感式接近開關(guān)電感式接近開關(guān)見圖5 ，它由￡ 主頻振蕩、 檢波、 放大、 觸發(fā)及輸出等組成。 振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場， 當(dāng)金屬物體( 檢測體) 接近這一磁場 ( 開關(guān)感應(yīng)面) ， 并達(dá)到相應(yīng)的感應(yīng)距離時， 便會在金屬檢測體內(nèi)產(chǎn)生渦流， 而這個渦流反作用于接近開關(guān)， 使開關(guān)振蕩能力衰減， 從而使內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化， 從而導(dǎo)致振蕩衰減， 直至停振。 振蕩器振蕩及停振的變化被后級放在電路處理轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號， 觸發(fā)驅(qū)動控制器件， 由此識別出有無金屬物件的接近， 進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。 3 ． 2電容式接近開關(guān)電容式接近開關(guān)是一種具有開關(guān)量輸出與被檢測體無機(jī)械接觸而能動作的傳感器。 開關(guān) 由高頻振 蕩在開關(guān)工作面上與被測試目標(biāo)面構(gòu)成一個電容器中接在 振蕩同路內(nèi)， 參與振蕩回路工作， 見圖6 。 當(dāng)被檢測物體靠近接近開關(guān)工作面時， 回路的電容量發(fā)生變化，由此產(chǎn)生開與關(guān)的作用， 從而檢測物體的有或無。 因電容式接近開關(guān)的工作的特性， 開關(guān)不僅能檢測金屬， 而且也能對非金屬物質(zhì)如塑料、 玻璃、 水、 油等物質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的檢測。 在檢測非金屬物體時， 相應(yīng)的檢測距離因受檢測體的導(dǎo)電率、 介電常數(shù)、 體積吸水率等參數(shù)影響、 相應(yīng)的檢測距離有所不同， 對接地的金屬導(dǎo)體有最大的檢測距離。
3 ． 3霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān)是以霍爾元件為主要器件， 根據(jù)霍爾效應(yīng)而制成的有開關(guān)量輸出的位置傳感器， 見圖7 。 它能在大電流磁場或所配磁場作用下， 將磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用的電信號， 當(dāng)外界磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時， 霍爾開關(guān)內(nèi)部觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)， 驅(qū)動內(nèi)部晶體管工作輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。
3 ． 4光電式接近開關(guān)光電開關(guān)是利用被檢測物體對調(diào)制的紅外光束遮光或反剁‘ ，由同步回路選通， 來檢測物體的有或無， 從而產(chǎn)生開關(guān)量輸出的傳感器。 當(dāng)被檢測物體經(jīng)過檢測區(qū)域時， 紅外光電開關(guān)的輸出狀態(tài)即會翻轉(zhuǎn)，以此達(dá)到自動檢測的目的， 見圖8 。 3 ． 4 ． 1漫反射： 該接近開關(guān)是將發(fā)射器 與接收器為一
體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時， 將發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器， 相應(yīng)的開關(guān)產(chǎn)生了信號， 此種開關(guān)適用于被檢測物體的表面光亮或其反光率較高的場合。 3 ． 4 ． 2鏡反射：工作方式吲上， 適用于被檢測物體表面光亮較差的場所， 用專用反射鏡來反射其發(fā)出的光束。 3 ． 4 ． 3對射犁光電開關(guān)： 此種開關(guān)發(fā)射器與接收器3 ． 5超聲波式接近開關(guān)超聲波接近開關(guān)是利用超聲波對被檢測物體進(jìn)
行的～種短、 長距離的物體探測方法。 開關(guān)發(fā)射4 0 ～
2 5 0 k H z 頻段內(nèi)的超聲波脈沖， 通過檢測從被檢測表
面反射回的超聲波來產(chǎn)生輸出信號。 該傳感器不僅
能檢測物體的存在與否， 而且還可通過測量聲波從
目標(biāo)表面發(fā)射回接收器的時間， 并利用聲速計算出
被檢測物體的距離。 4 典型傳感器線路分析( 電感式) 4 ． 1由分立元器件組成的傳感器4 ． 1 ． 1對由分立器件組成的電感式傳感器首先對由V 與厶、￡ ， 、 組成振蕩部分進(jìn)行分析見圖 l l 。 從振蕩交流通路分析：該振蕩電路為電感三點(diǎn)式振蕩器 ( 又稱哈特菜振蕩器) 。 振蕩通路的三極管的三個極 ( e 、b 、C ) 與電感的三個端子相連( 、 ， 支路呈容性， 構(gòu)成諧振電路) ，并且滿足振蕩電路中相位平衡條件以及起振幅度條件。
4 ． 1 ． 2相位平衡條件分析( 與 是否同相) 放大器V 的輸出電壓 與放大器輸入電壓 的相位差為 1 8 0 。 ，在 的作用下，電感 支路的電流 比 落后9 0 。 ，而電容支路的電流 比 超前 9 0 。， 上的電壓 又比 ， 超前 9 0 。 ， 超前兩個9 0 。 ， 則 與 同相， 故符合相位平衡條件 。 4 ． 1 ． 3起振幅度條件 ( · F> 1 ) ·等 > ≥ h f e > · 其中： 一反饋系數(shù)； 一增益；h f e 一三極管放大倍數(shù)；I I ～諧振阻抗； 一三極管輸入電阻。 對上式分析可知： f _ 一般在數(shù)百歐、 數(shù)千歐。 I S o l 一數(shù)萬歐以上； 故 < 1 ， ~h f e > L I + M ， 其中 一互感系數(shù)( 、 ￡ ， 般繞制在同一骨架上， 其問存在著一定互感 ， 如獨(dú)立繞制， 則可以為g= 0 。 在繞制 與 時，一 般 。 = ( 寺～寺) 如考慮 =0 ( L 與 ， 分別繞制在兩個獨(dú)立的無互感的線圈上) ，則h f e>- 7 一 - -，h f e>8即可滿足起振的幅度條件 ， 從該條件可以說明電感式三端式電路容易起振。 故h f e >2 0 ， 晶體管可以滿足起振幅度條件 ， 一般不必驗(yàn)算起振幅度條件。 從上述分析， 振蕩電路的工作所必備兩個條件。 4 ． 1 ． 4振蕩電路選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路中 、 構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)， 電感式振蕩選頻網(wǎng)絡(luò)選頻特性較好， 故 蕩器中允許器件進(jìn)入強(qiáng)非線性區(qū)工作，而由此產(chǎn)生的非線性失真 ， 可以借助 選頻網(wǎng)絡(luò)優(yōu) 良的選頻特性濾除諧波， 獲得良好的正弦波輸出， 諧振頻率 = _ - 因受 、 限制 ( 、 大工作頻率較低而且電感器和電容器體積大成本造價高) ， 故 振蕩器不易工作于低頻；則 振蕩波形不理想， 但 諧振回路的諧振頻率也不能過高， 過高會由于電感匝問的分布電容等原因影響頻率的穩(wěn)定性。
4 ． 1 ． 5工作分析當(dāng)被檢測金屬遠(yuǎn)離振蕩器磁芯時， 上 ， 反饋暈較大， 因此可產(chǎn)生自激振蕩；當(dāng)金屬片接近振蕩磁芯( 感應(yīng)頭) 時， 由于振蕩線圈產(chǎn)生的高頻磁場對金屬片( 或金屬體) 產(chǎn)生影響， 使金屬片受感應(yīng)而產(chǎn)生的渦流， 這種渦流大量消耗振蕩的能量， 相當(dāng)于選頻網(wǎng)絡(luò) 值降低，使振蕩器 由振蕩轉(zhuǎn)為停振狀態(tài)， 從而 。 上無電壓，V 。 截止、V ．截止、 V 截止；當(dāng)金屬片遠(yuǎn)離振蕩磁芯時， 振蕩器又重新進(jìn)入振蕩工作， 上有相應(yīng)的電壓產(chǎn)生， 則V 、 V ： 、 V 4 導(dǎo)通， 控制負(fù)載。 4 ． 1 ． 6振蕩器件選擇在選擇器件應(yīng)采用溫度系數(shù)小的器件， 避免環(huán)境溫度的變化， 影響和改變回路中電感和電容的數(shù)值。 如電容宜選擇溫度系數(shù)小的云母電容， 在電容式接近開關(guān)中， 可變電容選用應(yīng)牢固， 必要時町采用防振裝置以防止機(jī)械振動對容量的影響。 4 ． 1 ． 7振蕩器三極管的選擇一
般選擇三極管的最高振蕩頻率 『 m 或特征頻率『 T 要足夠高， 要求 應(yīng)比振蕩器的最高工作頻率『 H ( 即頻率覆蓋上限) 高 3 倍以上， ≥3 、， ≥( 2 ～1 0 ) 『 u ， 且結(jié)電容越小越好；另外， 不宜選擇穿透電流 。 大的晶體管( 大，熱穩(wěn)定性不好，工作點(diǎn)也隨溫度變化) 。 4 ． 1 ． 8感應(yīng)體部分在繞制振蕩的部分， 骨架材料宜選擇高頻瓷( 應(yīng)避免采用鐵氧體) ， 對于匝數(shù)較少的線圈， 盡可能用單層問繞法； 對于匝數(shù)較多的線圈， 宜采用“ 蜂房式” 繞法， 最好用多股線， 待繞制完畢后用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封灌，以確保適用于惡劣的環(huán)境下工作， 尤其是振動較大的場所。 在要求較高的場所下， 振蕩繞線可采用鍍銀銅線以提高 值， 并且還町選用正負(fù)兩種溫度系數(shù)的元件收到相互補(bǔ)償?shù)男Ч?如通常電感的溫度系數(shù)為正值， 此時町采用溫度系數(shù)為負(fù)值， 高頻瓷介電容 ( C C D G ) 就可以補(bǔ)償電感元件的變化， 而大大提高振蕩頻率的穩(wěn)定度。 總之 ， 由分立元件組成的接近開關(guān)， 其核心振蕩電路應(yīng)有較高的可靠性， 如起振可靠， 其技術(shù)指標(biāo)不應(yīng)受環(huán)境變化如溫度變化而變化； 應(yīng)有一定抗震動性； 并且在高壓、 大電流場合環(huán)境下可靠工作， 在短期工作中頻率應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性。 當(dāng)然振蕩電路的性能與花費(fèi)的比值 ( 性價比) 是現(xiàn)在由分立元件組成接近開關(guān)的重要指標(biāo)， 性能高、 價格低、 最為理想。
4 ． 2專用集成電路組成的傳感器在芯片內(nèi)集成大量分立元件， 由此元件構(gòu)成了 振蕩， 整流、 門限比較、 濾波放大、 滯后控制、 移相輸出、 延時接通以及內(nèi)部穩(wěn)壓等功能， 在芯片外圍再配以相應(yīng)元件即能構(gòu)成性能優(yōu) 良的接近開關(guān)。 由專用集成電路組成的傳感器框圖， 見圖1 2 。 延 時電 答 一振 蕩 電容 一 振 蕩線 圈 電感f i , 一 距 離電阻 f i , 一 滯后 電阻圖 1 2 專用 集成 電路框 圖 從上述專用集成電路中， 因內(nèi)部有相應(yīng)穩(wěn)壓處理，則工作電壓范圍寬，芯片內(nèi)部設(shè)置了檢測距離及滯后距離調(diào)節(jié)回路， 所以檢測距離及滯后回環(huán)距離都可調(diào)至所需最佳位置。 另外芯片內(nèi)部設(shè)置了延時輸出電路， 從而可有效避免了在接通電源瞬間而產(chǎn)生誤動作， 輸出具有正反邏輯同時輸出功能， 以 1 8 ( 罐狀磁芯) 為例： 上 = 2 2 0 m H ( 由線圈匝數(shù)即線圈線徑確定) ， ． = 2 0 0 0 p F ，振蕩頻率， = 2 0 0 k H z ， d = 3 9 k Q， h =5 6 0 Q，最大感應(yīng)距離為0 ． 6 乘以罐狀磁芯直徑。 由專用芯片構(gòu)成的傳感器與分立器件相比較， 可靠性有很大提高， 體積小， 1作電壓范圍寬， 性能上如檢測距離、 定位精度都是分立器件構(gòu)成的傳感器無法比擬的。 5 傳感器( 以電感式) 的試驗(yàn)方法接近開關(guān)是無觸點(diǎn)電子開關(guān)， 兇使用場合較廣以及環(huán)境較為惡劣， 為保證其有良好的可靠性， 一般對產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)， 以驗(yàn)證電器產(chǎn)品的各類技術(shù)指標(biāo) ；如結(jié)構(gòu)性能、 安全性能、 動作性能等是否達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)條件要求， 如進(jìn)行實(shí)際動作距離試驗(yàn)； 靜電放電耐受試驗(yàn)；電快速瞬變脈沖耐受試驗(yàn)； 脈沖電壓耐受性能試驗(yàn)等。 只有通過上述試驗(yàn)， 才可保證開關(guān)有良好的性能及使用的可靠性。
6 接近開關(guān)未來發(fā)展預(yù)測因市場需求以及性價比等因素， 由分立器件組成的接近開關(guān)目前還有一定的市場空問， 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 這種元件繁多， 一致性差、 技術(shù)落后、 體積龐大的電器元件己遠(yuǎn)不能滿足使用需求，而由專用集成構(gòu)成的開關(guān)是未來發(fā)展趨勢。從該領(lǐng)域未來發(fā)展來看： 首先應(yīng)向高精度、 高可靠性、 寬溫度范圍、微型化、微功耗以及無源化發(fā)展。最終， 向著智能化、 數(shù)字化發(fā)展， 這種數(shù)字開關(guān)已經(jīng)突破了傳統(tǒng)開關(guān)功能， 兇控制輸出不再是…個單一的模擬信號， 而是通過智能化處理后的數(shù)字信號， 從而使開關(guān)進(jìn)入一個新的領(lǐng)域。 |
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