浅议接近开关的分类及应用

陈锁发

（镇江市江南矿山机电设备有限公司，江苏 镇江 212009）

接近开关在控制系统中是常用的传感元件，在控制系统中，可以检测位置，与控制装置结合，采用相应的算法，接近开关得到的信号可以测量位移、速度和加速度等控制变化量。采用接近开关有两线、三线之分，三线制的输出晶体管有PNP、NPN两种方式，分别对应相应的PLC输入点，比如源型和漏型的输入点，两根线分别接到PLC的+24V电源和相应的输入端，第三根线接到PLC的输入公共点COM，其实两根线的，另一根就是外壳了，直接到地。接近开关在不导通时也有微弱的电流通过，一般达不到4mA，不足以使PLC的输入端子得到信号。

1 各种接近开关及其原理

1.1 电感式接近开关

电感式接近开关属于开关量输出的位置传感器，其主要由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，控制开关的通或断，或者根据接近的金属物体，发出脉冲信号给控制系统。其能改变振荡感应的物体时钢或铁等金属物体，因此，这种接近开关所能检测的物体必须是该类的钢或铁物体。

电感式传感器一般由三个部分组成，即振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变振荡磁场，输出极没有输出信号，当金属目标接近这一磁场并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，直至停振。振荡器振荡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，从而达到非接触式之检测目的。如PNP输出型的接近开关，棕色的线接+24 V，蓝色线接0 V，黑色线是输出线，接到PLC的输入端子，电感式接近开关的原理，如见图1所示。

图1 电感式接近开关的原理图

电感式接近开关的输出方式有三极管NPN、PNP的驱动输出和晶闸管的输出方式。各种输出方式的特性基本相同，有少量的差别，如典型的某种NPN参数如下：

检测距离：1～5 mm；

被检测物：18×18×1 mm；

铁响应频率：150 Hz；

工作电压：5～50 VDC；

直流工作电流：≤10 mA；

输出驱动电流：200 mA。

1.2 电容式接近开关

电容式接近开关也属于一种具有开关量输出的位置传感器，与电感式接近开关不同之处是，其测量头是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体，在检测较低介电常数ε的物体时，可以顺时针调节多圈电位器来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8 Sn的位置动作。

1.3 霍尔式接近开关

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，表达式为：

其中，

K为为霍尔系数；

I为薄片中通过的电流；

B为外加磁场的磁感应强度；

D为是薄片的厚度。

可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比。霍尔式接近开关是在霍尔效应原理的基础上，将磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又满足工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到设定强度时，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，和电感式接近开关及电容式接近开关相比，基本种类相同，有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型或双极性和双信号输出型。霍尔开关具有无触点，低功耗，使用寿命长和响应频率高等特点，能在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件。

1.4 光电式接近开关

光电开关是将发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的，所以它可以在许多场合得到应用。利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内，当有反光面(被检测物体)接近时，光电器件接收到反射光后便有信号输出，由此便可“感知”有物体接近。采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的光电开关器件，具有延时，展宽，外同步，抗相互干扰，可靠性高，工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。

光电开关可以用作物位检测，液位控制，产品计数，宽度判别，速度检测，定长剪切，孔洞识别，信号延时，自动门传感，色标检出，冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。

2 接近开关的选用及其选用要点

2.1 接近开关的选用

接近开关在工业系统控制中应用广泛，如各种机床、数控设备、加工中心等，根据接近开关的特性，可以用于相关参数的测量，如长度、位置的测量。通过一定的算法程序，能够测量位移、速度、加速度等参数，并能够将这些参数用于控制中。

（1）传统的位置开关为接触式的行程开关，响应速度低，精度差，误差大，因为是接触测量，碰块与行程开关的频繁撞击，造成行程开关的碰杆、微动开关等关键部件容易损坏，无法保证控制系统的可靠性。但是，行程开关的检测位置，对检测对象没有特殊要求，只要是能够接触碰块保证微动开关的可靠动作即可。

（2）电感型接近开关的作用距离与振荡感应头的截面面积有关，一般是感应检测距离与圆形截面的半径相等，但是其只能检测金属材料。

（3）电容型接近开关的组成结构与电感型接近开关基本相同，只是感应头的取得信号方式不同，输出的种类也较多，电容型接近开关用于非金属物体位置的检测，检测距离精度很高。

（4）霍尔式接近开关就是根根据磁性原理设计，因此，使用环境要避免磁场干扰，否则会影响使用性能和精度。

（5）光电开关具有体积小、功能多、寿命长、精度高等优点，特别是其响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强，但光电开关安装盒使用环境要保证不能振动，否则将严重影响使用精度。

2.2 接近开关的选用要点

（1）在一般的工业生产过程、控制系统中如机床、生产线，通常都选用电感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，响应频率低，但稳定性好，在安装时，应考虑环境因素的影响。

（2）若被测物为导磁材料或者为了区别和其在一同运动的物体而把磁钢埋在被测物体内时，应选用霍尔接近开关，因为其价格低、检测效果好。

（3）在环境条件好、无粉尘污染的场合，可采用光电接近开关，但必须保证使用环境不能发生振动。

所有的接近开关，在选用时，要全面考虑电压、负载电流、响应频率、检测距离等各项指标的要求。特别是电感式接近开关和电容式接近开关与PLC连接时，如果数量不多，可以直接采用PLC提供的+24 V直流电源，如果数量较多时，应当在外部提供+24 V的电源，保证系统的可靠性。

3 结束语

以上通过对常用各类接近开关的性能比较，提出了构成控制系统中采用接近开关的选用方法、注意事项等，可以提供参考。