常用接近式传感器的特性与选用

刘娇月

（河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000）

1 引言

接近式传感器又称无触点接近传感器，是理想的电子开关量传感器。当被测物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，一般应用于行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命和安装调整的方便性及对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所无法相比的。

接近式传感器除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。在工业自动化控制、航天、航海技术、日常生活中都有广泛的应用，在安全防盗方面，如资料、财会、仓库、博物馆、金库等重要场合也都装有各式各样的接近式传感器［1］。

2 接近式传感器的分类

（1）按原理分类

有电感式、电涡流式、电容式、霍尔式、干簧式、光电式、热释电式、多普勒式、电磁感应式、微波式、超声波式等。

（2）按结构分类

有一体式（感应头和信号处理电路置于一体）、分离式（感应头和信号处理电路分开安装）和组合式（多个感应头组合在一体）。

（3）按工作电压分类

有直流型（工作电压为5～30V）和交流型（工作电压为AC220V或AC110V）。

（4）按输出信号分类

有正逻辑输出方式（传感器感应到信号时，输出从0跳变成1）和负逻辑输出方式（传感器感应到信号时，输出从1跳变成0）。

（5）按输出引线分类

有四线制（2根电源线和2根正、负逻辑输出信号线）、三线制（2根电源线和1根正或负逻辑输出信号线）和二线制（2根电源线与信号线合二为一）。

（6）按输出电信号性质分类

有电流输出（输出50～500mA的电流，能直接驱动执行器）、电压输出（用以和各种数字电路相配合）、触点输出（用微型继电器触点输出）和光耦输出（感应信号与输出信号隔离，用于计算机控制）。

（7）按信号传送方式分类

分为有线传送（感应头信号与后置处理电子线路直接相连）和无线传送（用于运动中的物体测试，或不能靠近、不能连线的场合［2］）。

3 常用接近式传感器件的基本特性

（1）电感式接近开关

也称作电涡流式接近开关，其原理框图如图1所示，由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分。当金属物体接近通有交流信号的检测线圈时，就会产生涡流而吸收能量，使振荡电路的振荡减弱以至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。

图1 电感式接近传感器原理框图

图2为常用的LJ12A3－4Z/BX型金属接近式传感器，其工作电压为DC6－36V，工作电流为 0.5－3mA，负载能力最大200mA，检测距离为4mm，最高频率可达到300Hz，其信号可以直接驱动负载，也可以间接接至单片机和PLC进行处理。

图2 LJ12A3－4Z/BX 型金属接近式传感器

电感式接近传感器的优点为：体积小、重复定位精度高、外形结构多样、抗干扰性能好、输出形式多、开关频率高、使用寿命长等，有些传感器还具有较宽的电压范围和短路保护等功能。但这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。

（2）电容式接近开关

电容式开关的检测端通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板则是开关的外壳，其原理框图如图3所示。其外壳在测量过程中通常接地或与设备的机壳相连。当有物体移向接近开关时，不论其是否为导体，都会使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，与测量头相连的电路状态也会随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。

图3 电容式接近传感器原理框图与测量应用

电容式接近传感器检测的对象，不限于导体，也可以是绝缘的液体或粉状物等，可检测金属、木材、塑料及颗粒物、管子内液体等各种物体。图3所示为测量料位高度应用示意图。电容式接近传感器常用反应频率为2000Hz，额定电压为10－30V，额定电流为200mA，检测距离为20mm，可检测直径为0.18mm或更小的物体。电容式接近传感器具有频率高、灵敏度高、动作可靠、性能稳定、频率响应快、应用寿命长、抗干扰能力强等优点。

图4 霍尔开关测量转速及位置示意图

（3）霍尔接近开关

霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的接近开关就是霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别磁性物体的存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。霍尔接近开关广泛应用于工位识别、停动识别、极限位置识别、运动方向识别、运动状态识别的传感器和可逆计数传感器、N/S极单稳态传感器等［4］。

图4所示为一款测量转速和位置的霍尔式接近开关，其电源电压为5－30V，工作距离为5－11mm，定位精度达到0.02mm，输出电平可小于0.4V，响应频率高达 100kHz，有极性保护、浪涌保护和过热保护等多种保护，可以和可编程控制器直接接口，抗干扰能力强、可靠性高、寿命长。

与电感式传感器比较，霍尔式接近传感器的优点还有：电源电压范围宽、体积小、安装方便，能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口，能在金属部件中紧密安装，可穿过金属进行检测，检测距离随检测体磁场强弱的变化而变化。缺点是不适合用于强烈震动的场合。

（4）光电式接近开关

利用光电效应制作的接近开关叫光电开关。一般由光源、光学通路和光电器件三部分组成。可分为直射（透射）型和反射型两种，结构有分离型和一体化型两类。自带光源的称主动型，利用外部光源检测的称被动型。当有被检测物体接近时，光电器件有信号输出，由此便可“感知”物体的接近。

图5为几种不同的光电式接近开关传感器，包括漫反射传感器、精确背景抑制、偏振和非偏振反射板式传感器、对射式传感器，还包括3个自

学习颜色通道和5个可切换公差的颜色传感器。其具有一体化设计、背景抑制精确、具备直角和球面光纤的精确检测、带数显和IOLINK光纤放大、模拟量输出等功能。

图5 几种不同的光电式接近开关的工作原理框图

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，光电传感器结构简单，使用方便、形式灵活多样，体积小。近年来，光电系列传感器的品种及产量日益增加，并在各种工业自动生产中广泛应用，如：产量统计、位置检测、料位控制等等，也在纺织机械和烟草机械自动生产线上广泛应用，如：光电式带材跑偏检测、包装充填物高度检测、光电色质检测、彩塑包装制袋、塑料薄膜位置控制等等［2］。如图6所示，光幕式接近传感器还可以广泛应用于制造车间以及安放场所等的安全保护和位置检测等等。

图6 光幕传感器应用

（5）热释电式接近开关

用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出就会变化，由此便可检测出有物体接近。

（6）其它接近开关

当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接收到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。

4 接近式传感器件的选用要求与原则

在接近式传感器件的选用和安装中，必须认真考虑检测距离、设定距离，如图7所示，传感器才能可靠动作。

图7 检测距离与设定距离

（1）动作距离：是指检测体按一定方式移动时，从基准位置到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。

（2）设定距离：是指接近开关在实际工作中的额定距离，一般为额定动作距离的0.8倍。被测物与接近开关之间的安装距离一般等于额定动作距离，以保证工作可靠。安装后还须通过调试，然后紧固。

（3）复位距离：是指接近开关动作后，又再次复位时与被测物之间的距离，它略大于动作距离。

（4）回差值：是指动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对抗外界干扰及被测物抖动等抗干扰能力就越强。

（5）接近开关的安装方式：有齐平式和非齐平式两种安装方式，如图8所示。

图8 齐平式（埋入式）安装和非齐平式（非埋入式）安装

齐平式（又称埋入型）接近开关的表面可与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵敏度较低。非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。

（6）响应频率：是指接近开关1秒内动作循环的最大次数。重复频率大于该值时，接近开关无反应。

（7）输出形式：分NPN二线、NPN三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、DC二线、AC二线、AC五线（自带继电器）等几种常用输出形式。

对于不同材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近式传感器，以使其在系统中具有较高的性价比，在选型中应遵循以下原则：

（1）在一般的工业生产场所，通常都选用涡流式接近开关和电容式接近开关，因为这两种接近开关对环境的要求条件较低。当被测对象是导电物体或可以固定在一块金属物上的物体时，一般选用涡流式接近开关，因为其响应频率高、抗环境干扰性能好、应用范围广、价格较低。

（2）若所测对象是非金属（如木材、纸张、玻璃等）、液位高度、粉状物高度、塑料、烟草等，则应选用电容式接近开关，其响应频率低，但稳定性好。

（3）若被测物为导磁材料，当检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近传感器或霍尔式接近开关。

（4）在环境条件比较好、无粉尘污染的场合，可采用光电接近开关。光电接近开关工作时对被测对象几乎无任何影响。因此，光电开关在传真机上及烟草机械上被广泛使用［3］。

（5）在防盗系统中，自动门通常使用热释电接近开关、超声波接近开关、微波接近开关。有时为了提高识别的可靠性，上述几种接近开关往往被复合使用。

无论选用哪种接近开关，都要注意所用传感器能符合对工作电压、负载电流、响应频率、检测距离等各项指标的要求。选用接近开关应主要按以下几方面进行选择：按使用要求选择；按动作距离选择；按输出信号要求选择；按工作电源选择；按信号感应面的位置选择；按工作环境选择；按价格选择。

对于接近传感器的合理选用，必须从以上几方面综合权衡，选择最佳组合［3］。

5 接近式传感器件的接线

一般接近开关有两线、三线之分，三线制的有PNP、NPN两种接法，分别对应相应的PLC输入点，比如源型和漏型的输入点。接线时可以根据线的颜色区分，棕色或者红色接电源正极，蓝色接电源负极，黑色接输入信号。

NPN接通时是低电平输出，即接通时黑色线输出低电平（通常为0V），图9（a）所示即为NPN型接近开关接线原理图，中间电阻代表负载，此负载可以是金属感应物或继电器或PLC等，中间三个圆圈代表开关引出的三根线，其中棕线要接正，蓝线要接负，黑色为信号线。此为常开开关，当开关动作关闭时黑色和蓝色两线接通如图（b），这时黑色线输出电压与蓝线电压相同，自然就是负极给定电压（通常为0V）。

图9 NPN型接近开关

PNP接通时为高电平输出，即接通时黑线输出高电平（通常为24V），图10为PNP型三线开关接线原理图，电阻代表负载，当开关工作时，图10（a）中开关闭合，即黑线和棕线接通如图10（b），此时棕线与黑线相当于一条线，电压自然就是正极电压（通常为24V）。

图10 PNP型接近开关

需要特别注意接到PLC数字输入模块的三线制接近开关的型式选择千万不能选错。PLC数字量输入模块一般可分为两类：一类是公共输入端为电源0V，电流从输入模块流出（日本模式），此时，一定要选用NPN型接近开关；另一类是公共输入端为电源正端，电流流入输入模块，即阱式输入（欧洲模式），此时，一定要选用PNP型接近开关。

两线制接近开关受工作条件的限制，导通时开关本身产生一定压降，截止时又有一定的剩余电流流过，选用时应予考虑。三线制接近开关虽多了一根线，但不受剩余电流等不利因素的干扰，工作更为可靠。

有的厂商将接近开关的“常开”和“常闭”信号同时引出，或增加其它功能，遇到这种情况，请按产品说明书要求具体接线。常见的接近开关接线方式如图11所示。

6 接近式传感器件的装调与维护

接近开关在使用和安装时要注意以下事项：

（1）螺旋式开关安装时不可采用过大力矩紧固，紧固时请务必采用齿垫圈。无螺旋式柱型开关的安装采用调节螺钉，紧固力矩不要超过2－4kgf－cm。

（2）在金属件上安装接近开关时，要防止非检测物体的干扰，要预留一定空间以避免开关误动作。

（3）在安装电容式接近传感器时应注意：检测区不应有金属物体，传感器与周围物体金属距离应大于80mm；应远离高频电场。

图11 常见接近开关接线图

（4）防止开关之间的相互干扰：当开关对置或并列安装时，要保留合适间距，以免相互干扰而产生误动作。

（5）大部分接近开关动作距离（灵敏度）都可通过微调电位器调节。一般是顺时针旋转动作距离会增大（灵敏度减低），逆时针则反之，切忌在动作距离最大（临界状态）时使用。

（6）安装开关时，要将离开关10cm左右的引线位置用线夹固定，防止开关引线受外力作用而损坏。

（7）直流开关应使用绝缘变压器，并确保稳压电源纹波。如有电力线、动力线通过开关引线周围时，为防止开关损坏或误动作，应将金属管套在开关引线上并接地。

（8）接近开关的使用距离要设定在额定距离以内，以免受温度和电压影响［4］。

要使接近传感器能长期、稳定工作，还要经常进行以下检查：

（1）检查被测物体及接近传感器的安装位置有无偏移、松动或变型。

（2）检查传感器的配线及连接部位有无松动、接触不良或断线。

（3）检查传感器有无附粘金属粉末等沉积物或油污。

（4）检查使用场所的温度、湿度及环境条件有无异常。

（5）检查传感器检测距离有无异常等。

如果在日常和定期检查中发现问题，就要及时处理，适当维修，以确保传感器正常工作。

［1］杨聚庆，刘娇月.常用光电器件的特性与选用技巧［J］.精密制造与自动化，2008，（2）：32－34.

［2］王煜东.传感器及应用［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［3］朱 伟，韩服善.光电传感器在自动化生产线上的应用［J］.电子工程师，2004，（8）：72－73.

［4］王继民，马文平等.接近开关在机电设备技术改造中的应用［J］.中国科技纵横，2013，（4）：50－52.

［5］李长兵.接近开关在机床改造中的应用［J］.电气制造，2013，（6）：76－78.