接近開關課件

2023/6/7

模塊八接近開關

接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號。

接近開關的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。

2023/6/7

模塊八接近開關課題一電渦流式接近開關課題二電容式接近開關課題三霍爾式接近開關課題四光電式接近開關2023/6/7

常用的接近開關分類

常用的接近開關有電渦流式（俗稱電感接近開關，以下僅以電感接近開關稱呼之）、電容式、磁性干簧開關、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等。

2023/6/7[任務導入]

在機械加工自動生產線上，常常使用接近開關進行工件的加工定位。

課題一電渦流式接近開關

2023/6/7

當傳送機構將待加工的金屬工件運送到靠近減速接近開關的位置時，該接近開關發(fā)出減速信號，傳送機構減速，以提高定位精度。當金屬工件到達定位接近開關面前時，定位接近開關發(fā)出“動作"信號，使傳送機構停止運行。緊接著，加工刀具對工件進行機械加工。

在以上應用中，我們可以使用電渦流接近開關來進行工件的定位與計數，那么電渦流接近開關工作原理是什么？其結構、特點如何？這就是我們本課題的任務目標。2023/6/7◆知識點¤電渦流式接近開關的工作原理¤電渦流式接近開關的性能特點及其適用場合◆技能點¤掌握電渦流式接近開關的使用、測量方法2023/6/7一、接近開關[相關知識]2023/6/7接近開關外形2023/6/7接近開關外形（續(xù)）2023/6/7

二、接近開關的特點

接近開關與被測物不接觸、不會產生機械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應快、無觸點、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號負載能力強、體積小、安裝、調整方便。缺點是觸點容量較小、輸出短路時易燒毀。

2023/6/7三、電渦流接近開關的工作原理

電渦流式接近開關俗稱電感接近開關。它由LC高頻振蕩器和放大電路組成，利用金屬物體在接近這個能產生交變電磁場的電感線圈時，使物體內部產生電渦流。電渦流反作用于接近開關，內部電路的參數發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近。這種接近開關所能檢測的物體必須是導電性能良好的金屬物體。

輸出電壓U01送至比較器，與基準電壓UR作比較。當U01<UR時，比較器翻轉，輸出高電平，報警器報警(LED閃亮)，執(zhí)行機構動作(傳送機構電動機停轉)。2023/6/7當金屬體靠近電渦流探頭線圈時，LC諧振頻率改變，經檢波后，電渦流式接近開關輸出電壓U01也越來越低。2023/6/7四、電渦流式接近開關特性

電渦流線圈的阻抗變化與金屬導體的電導率、磁導率等有關。對于非磁性材料，被測體的電導率越高，則靈敏度越高；被測體是磁性材料時，其磁導率將影響電渦流線圈的感抗。磁滯損耗較大時，其靈敏度通常較高。2023/6/7五、電渦流式接近開關的安裝方式

電渦流接近開關的安裝方式分齊平式和非齊平式。2023/6/7

齊平式（又稱埋入型）的接近開關表面可與被安裝的金屬物件形成同一表面，不易被碰壞，但靈敏度較低；非齊平式（非埋入安裝型）的接近開關則需要把感應頭露出一定高度，否則將降低靈敏度。2023/6/7六、接近開關的主要性能指標

額定動作距離、工作距離、動作滯差、重復定位精度（重復性）、動作頻率、響應時間等。2023/6/7

1.動作（檢測）距離:動作距離是指檢測體按一定方式移動時，從基準位置（接近開關的感應表面）到開關動作時測得的基準位置到檢測面的空間距離。額定動作距離是指接近開關動作距離的標稱值。

2.設定距離：指接近開關在實際工作中的整定距離，一般為額定動作距離的0.8倍。被測物與接近開關之間的安裝距離一般等于額定動作距離，以保證工作可靠。安裝后還須通過調試，然后緊固。

3.復位距離：接近開關動作后，又再次復位時的與被測物的距離，它略大于動作距離。

4.回差值:動作距離與復位距離之間的絕對值。回差值越大，對外界的干擾以及被測物的抖動等的抗干擾能力就越強。2023/6/7接近開關的檢測距離與回差2023/6/7

響應頻率f：按規(guī)定，在1秒的時間間隔內，接近開關動作循環(huán)的最大次數，重復頻率大于該值時，接近開關無反應。響應時間t：接近開關檢測到物體時刻到接近開關出現(xiàn)電平狀態(tài)翻轉的時間之差?？捎霉綋Q算：

t=1/f2023/6/7響應頻率及響應時間示意圖2023/6/7輸出狀態(tài)：常開/常閉型接近開關當無檢測物體時，對常開型接近開關而言，由于接近開關內部的輸出三極管截止，所接的負載不工作（失電）；當檢測到物體時，內部的輸出級三極管導通，負載得電工作。對常閉型接近開關而言，當未檢測到物體時，三極管反而處于導通狀態(tài)，負載得電工作；反之則負載失電。2023/6/7

常用的輸出形式有：

NPN二線，NPN三線，NPN四線，

PNP二線，PNP三線，PNP四線，

DC二線，AC二線，AC五線（帶繼電器）等幾種，讀者可查閱以下有關資料。2023/6/7輸出形式（1~4）負載負載2023/6/7輸出形式（5~8）負載負載負載2023/6/7導通壓降：接近開關在導通狀態(tài)時，開關內部的輸出三極管集電極與發(fā)射極之間的電壓降。一般情況下，導通壓降約為0.3V。2023/6/7接近開關的接線方法舉例以NPN、常開型為例來說明接線方法OUT端與GND端的壓降Uces約為0.3V，流過KA的電流IKA=（VCC-0.3）/RKA。若IKA大于KA的額定吸合電流，則KA能夠可靠吸合。2023/6/7

請按接線圖將各元件正確地連接起來。2023/6/7接近開關使用注意事項1.請勿將電感接近開關置于0.02T以上的磁場環(huán)境下使用，以免造成誤動作。2.為了保證不損壞接近開關，請用戶在接通電源前檢查接線是否正確，核定電壓是否為額定值。3.為了使接近開關長期穩(wěn)定工作，請務必進行定期的維護，包括被檢測物體和接近開關的安裝位置是否有移動或松動，接線和連接部位是否接觸不良等。4.DC二線制接近開關具有0.5~1mA的靜態(tài)泄漏電流，在一些對泄漏電流要求較高的場合下，可改用DC三線制接近開關。5.直流型接近開關使用電感性負載時，務必在負載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，以免損壞接近開關的輸出級

[任務實施]工件經過減速接近開關，傳送帶減速，經過定位接近開關時，傳送帶停止，進行加工。還可將減速接近開關的信號接到計數器輸入端，當金屬工件從接近開關面前經過時，接近開關動作一次，輸出一個計數脈沖，計數器加1。2023/6/71一加工機床2一刀具3一工件(導電體)4一加工位置5一減速接近開關6一定位接近開關7一傳送機構8一計數器2023/6/7課題二電容式接近開關[任務導入]封閉式糧倉為了保證糧食的品質，必須經常倒庫。在向糧倉裝入糧食我們必須控制其上限，需要安裝限位報警系統(tǒng)。2023/6/7糧食屬于非導電介質，測量糧食的物位，可以選擇電容式接近開關進行物位測量并報警。電容式接近開關的工作原理是什么？其結構、特點如何？這就是我們本課題的任務目標。2023/6/7◆知識點¤了解電容式接近開關的工作原理¤了解電容式接近開關的性能特點及其適用場合◆技能點¤掌握電容式接近開關的使用、測量方法一、電容式接近開關的結構及工作原理電容式接近開關圓柱形電容式接近開關結構示意圖電容式接近開關的核心是以單個極板作為檢測端的電容器，檢測極板設置在接近開關的最前端。測量轉換電路安裝在接近開關殼體內，并用介質損耗很小的環(huán)氧樹脂充填、灌封。電容式接近開關原理框圖當沒有物體靠近檢測極時，檢測板與大地的容量C非常小，它與電感L構成高品質因數的LC振蕩電路:Q＝１／（ωCR）。當被檢測物體為地電位的導電體(例如與大地有很大分布電容的人體、液體等)時，檢測極板對地電容C增大，LC振蕩電路的Q值下降，導致振蕩器停振。2023/6/7當被檢測物體不接地或絕緣被測物接近檢測極板時，由于檢測極板上施加有高頻電壓，在它附近產生交變電場，被檢測物體就會受到靜電感應，而產生極化現(xiàn)象，正負電荷分離，使檢測極板的對地等效電容量增大，從而使LC振蕩電路的Q值降低。

對介質損耗較大的介質(例如各種含水有機物)而言，它在高頻交變極化過程中是需要消耗一定能量的(轉為熱量)，該能量由LC振蕩電路提供，必然使LC振蕩電路的Q值進一步降低。當被測物體靠近到一定距離時，振蕩器的Q值低到無法維持振蕩而停振。根據輸出電壓U。的大小，可大致判定被測體接近的程度。2023/6/7二、電容式接近開關特性1一地電位導電物體2一非接地導電物體3一含水有機物

動作距離與被檢測物體的材料、性質及尺寸的關系電容式接近開關的檢測距離與被測物體的材料性質有很大關系：當被測物是接地導體靈敏度最高；當被測物為絕緣體時，必須依靠極化原理來使LC振蕩電路的Q值降低，靈敏度較差；當被測物為玻璃、陶瓷及塑料等介質損耗很小的物體，它的靈敏度就極低。2023/6/7

電容式接近開關使用時必須遠離金屬物體，即使是絕緣體對它也有一定的影響。它對高頻電場也十分敏感，因此兩只電容式接近開關也不能靠得太近，以免相互影響。

對金屬物體而言，不必使用易受干擾的電容式接近開關，而應選擇電感式接近開關。因此只有在測量絕緣介質時才應選擇電容式接近開關。2023/6/7三、電容式接近開關的安裝標號安裝距離說明S1≥1Sn檢測面與支架的間距S2≥3Sn檢測面與背景的間距S3≥5Sn

并列安裝間距S4≥3Sn檢測面與側壁的間距電容式接近開關的安裝電容式接近開關的安裝標注及含義2023/6/7四、電容式接近開關使用注意事項1.電容式接近開關理論上可以檢測任何物體，當檢測過高介電常數物體時，檢測距離要明顯減小，這時即使增加靈敏度也起不到效果。2.電容式接近開關的接通時間為50ms，所以在用戶產品的設計中，當負載和接近開關采用不同電源時，務必先接通接近開關的電源。3.當使用感性負載（如燈、發(fā)動機等）時，其瞬態(tài)沖擊電流較大，在這種情況下，應經過交流繼電器作為負載來轉換使用4.請勿將接近開關置于200Gauss以上的直流磁場環(huán)境下使用，以免造成誤動作。2023/6/75.DC二線的接近開關具有0.5-1mA的靜態(tài)泄漏電流，在和一些對DC二線接近開關泄漏電流要求較高的場合下盡量使用DC三線的接近開關。6.避免接近開關在化學溶劑，特別是在強酸，強堿的環(huán)境下使用。7.為了保證意外性發(fā)生，請用戶在接通電源前檢查接線是否正確，核定電壓是否為額定值。8.為了使電容式接近開關長期穩(wěn)定工作，由于其受潮濕、灰塵等因素的影響比較大，請務必進行定期的維護，包括檢測物體和接近開關的安裝位置是否有移動或松動，接線和連接部位是否接觸不良，是否有粉塵粘附。

[任務實施]2023/6/7在測量絕緣介質時應選擇電容式接近開關，因此糧倉中糧食的位置可以選用電容式接近開關來測量谷物高度（物位）。1一糧倉外壁2一輸送管道3一糧食4一電容式接近開關5一糧食界面2023/6/7[任務導入]

汽車用速度及里程儀表中速度傳感器是十分重要的部件。在汽車行駛過程中，控制器不斷接收來自車速傳感器的脈沖信號并進行處理，得到車輛瞬時速度并累計行駛路程。課題三霍爾式接近開關2023/6/7在這個系統(tǒng)中，常用霍爾式接近開關傳感器作為車輪轉速傳感器，是汽車行駛過程中的實時速度采集器?；魻柺浇咏_關的工作原理是什么？其結構、特點如何？這就是我們本課題的任務目標。2023/6/7◆知識點¤了解霍爾式接近開關的工作原理¤了解霍爾式接近開關的性能特點及其適用場合◆技能點¤掌握霍爾式接近開關開關的使用、測量方法2023/6/7

一、霍爾式接近開關工作原理

霍爾式接近開關是利用霍爾效應制成的，必須在磁場中工作。

霍爾元件霍爾接近開關2023/6/7

金屬或半導體薄片兩端通以控制電流I

，在與薄片方向上施加磁感應強度為B的磁場，那么在垂直于電流和磁場方向的薄片的另兩側會產生電動勢UH,UH的大小正比于控制電流I和磁感應強度B,這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，利用霍爾效應制成的傳感元件稱霍爾傳感器。

其中θ一磁場方向與元件平面所成的角度

2023/6/7當控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出電勢的方向也將改變，若電流和磁場同時改變方向時，霍爾電勢方向不變。霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場的磁感應強度成正比的關系。利用集成封裝和組裝工藝，它可方便的把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號，同時又具備工業(yè)場合實際應用易操作和可靠性的要求。2023/6/7二、霍爾器件的特性參數

1.輸入電阻Ri

霍爾元件輸入激勵電流端得直流電阻稱為輸入電阻。它的數值從幾十歐到幾百歐。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流變大，最終引起霍爾電勢的變化。為了減少這種影響，最好采用恒流源供電。2.輸出電阻R。兩個霍爾電動勢

輸出端之間的電阻稱為輸出電阻。它的數值與輸入電阻同一數量級。3.最大激勵電流Im

由于霍爾電動勢隨激勵電流增大而增大，所以在應用中希望選用較大的激勵電流。但激勵電流越大，霍爾元件的功耗增大，元件溫度上升，引起溫度誤差。

2023/6/74.靈敏度KH霍爾元件的靈敏度KH=EH/(IB)，它的單位是mV/(mA?T）。5.最大磁感應強度BH磁感應強度超過BH時，霍爾電動勢的非線性誤差將明顯增大。BH的數值一般小于零點幾特斯拉（1T=104Gs）。

6.不等位電勢在額定激勵電流下，當外加磁場為零時，霍爾輸出端的電壓輸出不為零，此時的輸出電壓稱為不等位電勢。一般可通過電路來補償不等位電勢。7.霍爾電動勢溫度系數霍爾電動勢的輸出會隨溫度變化而變化，它與霍爾元件的材料有關，一般約為0.1%/℃。

2023/6/7三、霍爾式接近開關與外電路的接口

霍爾開關電路的輸出級一般是一個集電極開路的NPN晶體管，其使用規(guī)則和任何一種相似的NPN開關管相同。因此必須外接一個電阻器來限制流過管子的電流，使它不超過最大允許值（一般為20mA），以免損壞輸出管。

2023/6/7以發(fā)光二極管的接口為例：對負載電阻器的選擇作一計算。發(fā)光二極管的正向壓降VLED=1.4V，當電源電壓VCC=12V時，所需的負載電阻器的阻值

和這個阻值最接近的標準電阻為560Ω，因此，可取560Ω的電阻器作為負載電阻器。

2023/6/7霍爾式接近開關的內部原理圖四、霍爾式集成電路霍爾式集成電路集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，減少了焊點，顯著地提高了可靠性。集成霍爾傳感器可以分為開關型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器?；魻栭_關的輸入端是以磁感應強度B來表征的，當B值達到一定的程度（如BH）時，霍爾開關內部的觸發(fā)器翻轉，霍爾開關的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉。輸出端一般采用晶體管輸出。2023/6/7霍爾式接近開關輸入/輸出的轉移特性2023/6/7五、霍爾式接近開關的安裝方式

為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關器件的可靠工作，在應用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時，應從霍爾片表面算起。工作磁體和霍爾器件間的運動方式有：(a)對移；(b)側移；(c)旋轉；(d)遮斷

2023/6/7六、霍爾式接近開關使用注意事項1.過高的電壓會引起內部霍爾元器件溫升而變的不穩(wěn)定，而過低的電壓容易讓外界的溫度變化影響磁場強度特性，從而引起電路誤動作。2.當使用霍爾開關驅動感性負載時，請在負載兩端并入續(xù)流二極管，否則會因感性負載長期動作時的瞬態(tài)高壓脈沖影響霍爾開關的使用壽命。3.采用不同的磁性磁鐵，檢測距離有所不同，建議采用磁鐵直徑和產品檢測直徑相等。4.為了避免意外性發(fā)生，請用戶在接通電源前檢查接線是否正確，核定電壓是否為額定值。2023/6/7汽車用霍爾轉速計是在霍爾式接近開關線性電路背面偏置一個永磁體。可以檢測鐵磁物體的缺口進行計數，也可以檢測齒輪的齒計數。霍爾元件的輸出通過檢測電路可以測出齒輪的轉速。用霍爾線性電路檢測鐵磁物體用霍爾線性電路檢測齒口的線路

[任務實施]2023/6/72023/6/7課題四光電式接近開關[任務導入]利用光電開關可以制成產品計數器，廣泛應用于自動化生產線的產品計數。具有非接觸、安全可靠的特點。光電式接近開關的工作原理是什么？其結構、特點如何？這就是我們本課題的任務目標。2023/6/7◆知識點¤了解光電式接近開關的工作原理¤了解光電式接近開關的性能特點及其適用場合◆技能點¤掌握光電式接近開關開關的使用、測量方法2023/6/7一、光電接近開關的工作原理

光電式接近開是把發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉化為電流的變化以達到探測的目的它可以在許多場合得到應用。2023/6/72023/6/7

光電開關又稱為無接觸檢測和控制開關。它是利用物質對光束的遮蔽、吸收或反射等作用，對物體的位置、形狀、標志、符號等進行檢測。光電開關是一種新興的控制開關。在光電開關中最重要的是光電器件，是把光照強弱的變化轉換為電信號的傳感元件。光電器件主要有發(fā)光二極管、光敏電阻、光電晶體管、光電藕合器等，它們構成了光電開關的傳感系統(tǒng)。2023/6/7

光電式接近開關所檢測物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。

光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號發(fā)射出去，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。光發(fā)射器件主要是光發(fā)二極管，可以是發(fā)射紅外線、紫外線、激光等。光接收器件主要是光敏感元件，包括光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等。

2023/6/7光敏電阻光電池光敏二極管光敏三極管光發(fā)射器件電路符號2023/6/7二、光電式接近開關的分類1.漫反射式光電開關漫反射光電開關是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器。當有被檢測物體經過時，將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關就產生了開關信號。漫反射光電開關檢測

引起理想漫反射的光度分布

2023/6/72.鏡反射式光電開關鏡反射式光電開關亦是集發(fā)射器與接收器于一體。光電開關發(fā)射器發(fā)出的光線經過專用反射鏡，反射回接收器，當被檢測物體經過且完全阻斷光線時，光電開關就產生了檢測開關信號。鏡反射式光電開關檢測

2023/6/73.對射式光電開關

對射式光電開關包含在結構上相互分離，光軸相對放置的發(fā)射器和接收器。發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器。當被檢測物體經過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產生了開關信號。當檢測物體是不透明時，對射式光電開關是最可靠的檢測模式。對射式光電開關檢測2023/6/74.槽式光電開關

槽式光電開關通常是標準的U字型結構。發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經過U型槽且阻斷光軸時，光電開關就產生了檢測到的開關量信號。槽式光電開關比較安全可靠的適合檢測高速變化，分辨透明與半透明物體。槽式光電開關檢測2023/6/75.光纖式光電開關

光纖式光電開關采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導光線，以實現(xiàn)被檢測物體不在相近區(qū)域的檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。光纖式光電開關檢測

2023/6/7三、光電開關的安裝ａ、平行安裝ｂ、相對安裝ｃ、埋入式安裝ｄ、非埋入式安裝

光電開關可根據現(xiàn)場環(huán)境進行安裝。產品的測量精度與安裝是否恰當有很大關系。2023/6/7

1.光在發(fā)射時會有發(fā)散現(xiàn)象，即有一個指向角，檢測物或接收器在一定范圍內都會接受到光，在安裝時，要注意該項指標，避免產生測量誤差。ａ、漫反射式光電開關ｂ、鏡反射式光電開關ｃ、對射式光電開關2023/6/7

2.漫反射式光電開關發(fā)出的光線，需要被檢測物表面將足夠的光線反射回漫反射開關的接受器，所以檢測距離和被檢測物體的表面反射率將是決定接受器接收到光線的強度大小，粗糙的表面反射回的光線必將小于光滑表面反射回的強度。在