電容式、電感式、霍爾式接近開關(guān)工作原理及應(yīng)用

早先的磁傳感器,是伴隨測磁儀器的進(jìn)步而逐步發(fā)展的。在眾多的測磁方法中,大都將磁場信息變成電訊號(hào)進(jìn)行測量。在測磁儀器中“探頭”或“取樣裝置”就是磁傳感器。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、電力電子技術(shù)、辦公自動(dòng)化、家用電器、醫(yī)療儀器等等的飛速發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及,需用大量的傳感器將需進(jìn)行測量和控制的非電參量,轉(zhuǎn)換成可與計(jì)算機(jī)兼容的訊號(hào),作為它們的輸入訊號(hào),這就給磁傳感器的快速發(fā)展提供了機(jī)會(huì),形成了相當(dāng)可觀的磁傳感器產(chǎn)業(yè)。 

接近開關(guān)是傳感器家族中眾多種類中的一個(gè)，它是利用電磁工作原理，用的工藝制成的，是一種位置傳感器。它能通過傳感器與物體之間的位置關(guān)系變化，將非電量或電磁量轉(zhuǎn)化為所希望的電信號(hào)，從而達(dá)到控制或測量的目的。接近傳感器目前所采用的原理有電感式、磁式、光學(xué)式、超聲式和電容式等。本文介紹了幾種常用的接近開關(guān)，并對它們的原理與應(yīng)用進(jìn)行了說明

1．電容式接近開關(guān)

1.1

原理：

電容式接近開關(guān)的敏感元件由導(dǎo)電極板系統(tǒng)組成，可被視為一個(gè)或一組電容，附近出現(xiàn)

或經(jīng)過的導(dǎo)電體和介電體改變極板系統(tǒng)中的靜電場分布，從而改變敏感元件的電容。信號(hào)處理電路檢測出這種變化，就可以檢測出目標(biāo)物體的接近。相比之下，電容式傳感器的結(jié)構(gòu)較為簡單、工作阻抗高，因而功耗較低，此外通過鎖頻或頻譜擴(kuò)展載波調(diào)制技術(shù)，可以使之不受寄生或有意的干擾影響。其他方案則很難達(dá)到設(shè)計(jì)者的要求。例如 

機(jī)械開關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性較差磁敏感方式功耗過大，也容易受外磁場的影響；光學(xué)式和超聲式傳感器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，容易受外界干擾。

2．電感式接近開關(guān) 

2.1

原理： 

電感式接近開關(guān)（GDKG）屬于一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器，它由

 LC 高頻振蕩器、信號(hào)觸發(fā)器和開關(guān)放大器組成。振蕩電路的線圈產(chǎn)生高頻交流磁場，

該磁場經(jīng)由傳感器的感應(yīng)面釋放出來。當(dāng)有金屬物體接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，就會(huì)使該金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，當(dāng)信號(hào)觸發(fā)器探測到這一衰減現(xiàn)象時(shí)，便把它轉(zhuǎn)換成開關(guān)電信號(hào)。由此識(shí)別出有無金屬物體接近開關(guān)，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。

這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是金屬物體。

霍爾式接近開關(guān) 

3.1 原理 

   當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達(dá)式為：   U=K·I·B/d，其中 K 為霍爾系數(shù)，I 為薄片中通過的電流，B 為外加磁場（洛倫慈力 Lorrentz）的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d 是薄片的厚度。由此可見，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比?；魻柦咏_關(guān)就屬于這種有源磁/電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用的集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便地把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，同時(shí)又具備工業(yè)場合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。    霍爾接近開關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 來表征的，當(dāng) B 值達(dá)到一定的程度（如 B1）時(shí)，開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾接近開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出，和電感式接近開關(guān)類似的有：NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型（雙極性）、雙信號(hào)輸出幾種類型。 

   霍爾接近開關(guān)是磁性接近開關(guān)中的一種，具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌制作成一體化結(jié)構(gòu)，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠地工作。它可應(yīng)用于接近開關(guān)、壓力開關(guān)、里程表等，它是一種新型的電器配件。圖 1是它的內(nèi)部原理及轉(zhuǎn)移特性圖?；魻柺介_關(guān)比電感式開關(guān)響應(yīng)頻率高，它用磁鋼觸發(fā)，電感式用導(dǎo)磁金屬觸發(fā)，霍爾式開關(guān)感應(yīng)距離除了與傳感器本身性能有關(guān)外，還與所選磁鋼磁場強(qiáng)度有關(guān)3.2 霍爾接近開關(guān)術(shù)語解釋 

  ① 磁感應(yīng)強(qiáng)度：霍爾接近開關(guān)在工作時(shí)，它所要求磁鋼具有的磁場強(qiáng)度的大小。一般磁感應(yīng)強(qiáng)度值B 為 0.02~0.05 特斯拉。 

  ② 響應(yīng)頻率：按規(guī)定在 1 秒的時(shí)間間隔內(nèi)，允許霍爾開關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。 

  ③ 輸出狀態(tài)：分為常開、常閉、鎖存等幾種類型。例如，當(dāng)無被檢測物體時(shí)，常開型的霍爾開關(guān)所接通的負(fù)載，由于霍爾接近開關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作；當(dāng)檢測到物體時(shí)，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。 

  ④ 輸出形式：分為 NPN、PNP、常開、常閉、多功能等幾種常用的形式輸出。 

  ⑤ 動(dòng)作距離：動(dòng)作距離是指被檢測物體按一定方式移動(dòng)時(shí)，從基準(zhǔn)位置（霍爾開關(guān)的感應(yīng)表面）到開關(guān)動(dòng)作時(shí)測得的基準(zhǔn)位置到檢測面的空間距離。額定動(dòng)作距離指霍爾開關(guān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱值。 

  ⑥ 回差距離：動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的**值。

3.3 應(yīng)用實(shí)例 

   圖2是由霍爾接近開關(guān)與其它芯片組成的智能型磁敏轉(zhuǎn)速測試儀的工作原理圖。由于轉(zhuǎn)速信號(hào)是以脈沖形式出現(xiàn)的，當(dāng)被測磁性物體磁場強(qiáng)度達(dá)到 25 毫特斯拉以上時(shí)，其輸出是**的TTL電平。利用計(jì)算機(jī)的智能型控制、運(yùn)算功能，組成的轉(zhuǎn)速表既簡單又**。如用 3020 型霍爾式接近開關(guān)，單片機(jī)用 8031（它的晶振為 6MHz，經(jīng) 12 分頻后為 0.5MHz），則其測量的大轉(zhuǎn)速為 0.5MHz，而小測量轉(zhuǎn)速可無限低。 

3.4 注意事項(xiàng) 

①
 直流型霍爾接近開關(guān)產(chǎn)品所使用的直流電壓為 3~28V，其典型的應(yīng)用范圍一般采用 5~24V，過高的電壓會(huì)引起其內(nèi)部霍爾元器件參數(shù)隨電壓升高而變化的不穩(wěn)定性，而過低的電壓容易讓外界的溫度變化影響磁場強(qiáng)度特性，從而引起電路誤動(dòng)作。

② 當(dāng)使用霍爾接近開關(guān)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，請?jiān)谪?fù)載兩端并接入續(xù)流型二極管，否則會(huì)因感性負(fù)載長期動(dòng)作時(shí)的瞬態(tài)高壓脈沖影響霍爾開關(guān)的使用壽命。 

③ 一般霍爾接近開關(guān)產(chǎn)品用 SMD 工藝**制造而成，并經(jīng)嚴(yán)格的測試合格后才出廠。在一般情況下使用是不會(huì)出現(xiàn)損壞現(xiàn)象的，但為了防止意外性事件發(fā)生，用戶在接通電源前應(yīng)檢查接線是否正確，并核定其電壓是否為額定值。 

4 磁性接近開關(guān) 

4.1 工作原理 

   磁性接近開關(guān)能以細(xì)小的開關(guān)體積達(dá)到大的檢測距離。它能檢測磁性物體（一般為磁鐵），然后產(chǎn)生觸發(fā)開關(guān)信號(hào)輸出。由于磁場能通過很多非磁性物，所以此觸發(fā)過程并不一定需要把目標(biāo)物體直接靠近磁性接近開關(guān)的感應(yīng)面，而是通過磁性導(dǎo)體（如鐵）把磁場傳送至遠(yuǎn)距離，例如，信號(hào)能夠通過高溫的地方傳送到磁性接近開關(guān)而產(chǎn)生觸發(fā)動(dòng)作信號(hào)。    它的工作原理與電感式接近開關(guān)類似，其內(nèi)部包含一個(gè) LC 振蕩器、一個(gè)信號(hào)觸發(fā)器和一個(gè)開關(guān)放大器，還有一個(gè)非晶體化的、高穿透率的磁性軟玻璃金屬鐵芯，該鐵芯造成渦流損耗使振蕩電路產(chǎn)生衰減，如果把它放置在一個(gè)磁場范圍內(nèi)（例如，磁鐵附近），此時(shí)正在影響振蕩電路衰減的渦流損耗會(huì)減少，振蕩電路不再衰減。因此，磁性接近開關(guān)的消耗功率由于磁鐵的接近而增加，信號(hào)觸發(fā)器被啟動(dòng)產(chǎn)生輸出信號(hào)。它有廣泛的應(yīng)用，如：可以通過塑膠容器或?qū)Ч軄韺ξ矬w進(jìn)行檢測；高溫環(huán)境的物體檢測；物料的分辨系統(tǒng)；用磁石辨認(rèn)代碼等。

4.2 特點(diǎn) (1) 優(yōu)點(diǎn) 

① 可以整體安裝在金屬中。 ② 對并排安裝沒有任何要求。 

③ 頂部（傳感面）可以由金屬制成。 ④ 價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單。 

⑤ 具有大的感應(yīng)范圍和高的開關(guān)頻率。 (2) 缺點(diǎn) 

① 動(dòng)作距離受檢測體（一般為磁鐵或磁鋼）的磁場強(qiáng)度影響較大。 

② 檢測體的接近方向會(huì)影響動(dòng)作距離的大?。◤较蚪咏禽S向接近時(shí)動(dòng)作距離的一半）。 ③ 徑向接近時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)工作點(diǎn)。 

④ 檢測體在固定時(shí)不允許用鐵氧體或螺絲釘，只能用非鐵質(zhì)材料。 

5.傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各國對傳感技術(shù)在信息社會(huì)的作用有了新的認(rèn)識(shí),認(rèn)為傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的關(guān)鍵之一.傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢之一是開發(fā)新材料、新工藝和開發(fā)新型傳感器;其二是實(shí)現(xiàn)傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化. 5.1新材料開發(fā) 

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ),由于材料科學(xué)的進(jìn)步,使傳感器技術(shù)越來越成熟,傳感器種類越來越多.除了早期使用的材料, 如:半導(dǎo)體材料、陶瓷材料以外,光導(dǎo)纖維以及超導(dǎo)材料的發(fā)展,為傳感器技術(shù)發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)。未來將會(huì)有更新式材料開發(fā)出來,如納米材料等.近,美國NRC公司已開發(fā)納米ZrO2氣體傳感器。在控制汽車尾氣的排放效果很好,應(yīng)用前景廣闊。采用納米材料制作的傳感器具有龐大的界面,提供大量的氣體通道,導(dǎo)通電阻很小,有利于傳感器向微型化發(fā)展。 5.2 集成化技術(shù) 

隨著LSI技術(shù)發(fā)展和半導(dǎo)體細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步,傳感器也逐漸采用集成化技術(shù),實(shí)現(xiàn)高性能化和小型化。集成溫度傳感器、集成壓力傳感器等早已被使用,今后將有更多集成傳感器被開發(fā)出來。 

5.3 多功能集成傳感器 

在一塊集成傳感器上可以同時(shí)測量多個(gè)被測量稱為多功能集成傳感器。80年代末期,日本豐田**所報(bào)導(dǎo)了可以檢測Na+,K+和H+多離子傳感器.近國內(nèi)已經(jīng)研制硅壓阻式復(fù)合傳感器,可以同時(shí)測量溫度和壓力等。

5.4 智能化傳感器 

智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器,兼有檢測判斷和信息處理功能,例如美國霍尼爾公司的ST-3000型傳感器是一種能夠進(jìn)行檢測和信號(hào)處理的智能傳感器,具有微處理器和存貯器功能,可測差壓、靜壓及溫度等.智能傳感器具有測量、存儲(chǔ)、通信、控制等特點(diǎn).20多年來,智能化傳感器有了很大發(fā)展,近年來,智能化傳感器發(fā)展開始同人工智能相結(jié)合,創(chuàng)造出各種基于模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)的高度智能傳感器,稱為軟傳感技術(shù).它已經(jīng)在家用電器方面得到利用,相信未來將會(huì)更加成熟.智能化傳感器是傳感技術(shù)未來發(fā)展的主要方向。 

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們會(huì)對無損檢測提出更高的要求,而首要的是要提高傳感器的功能。目前的傳感器盡管在響應(yīng)速度、超高精度、極限檢測上超過生物體,但在學(xué)習(xí)效果上,環(huán)境宏觀判斷力上遠(yuǎn)不如生物體,尤其是在宏觀判斷力上,大多數(shù)傳感器都是只見點(diǎn),不見面的微觀傳感,而現(xiàn)代檢測需要開發(fā)既見點(diǎn),又見面的具有宏觀判斷分析能力的智能傳感器。不過,要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),道路還很漫長。面對21世紀(jì),科學(xué)工作者們應(yīng)轉(zhuǎn)變觀念,利用新材料、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)新型的智能傳感器,這將使材料的無損檢測發(fā)生一場**,大大地推動(dòng)無損檢測技術(shù)的發(fā)展。