接近傳感器解析，接近傳感器工作原理、主要功能及其應(yīng)用

　　接近傳感器，是代替限位開關(guān)等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器的總稱。能檢測對象的移動信息和存在信息轉(zhuǎn)換為電氣信號。在換為電氣信號的檢測方式中，包括利用電磁感應(yīng)引起的檢測對象的金屬體中產(chǎn)生的渦電流的方式、捕測體的接近引起的電氣信號的容量變化的方式、利石和引導(dǎo)開關(guān)的方式。

　　接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件，它利用位移傳感器對接近的物體具有敏感特性來識別物體的接近，并輸出相應(yīng)開關(guān)信號，因此，通常又把接近傳感器稱為接近開關(guān)。它是代替開關(guān)等接觸式檢測式檢測方式，以無需接觸被檢測對象為目的的傳感器的總稱，它能檢測對象的移動和存在信息并轉(zhuǎn)化成電信號。

　　在JIS規(guī)格中，根據(jù)IEC60947-5-2的非接觸式位置檢測用開關(guān)，制定了JIS規(guī)格（JIS C 8201-5-2低壓開關(guān)裝置及控制裝置、第5控制電路機器及開關(guān)元件、第2節(jié)接近開關(guān)）。在JIS的定義中，在傳感器中也能以非接觸方式檢測到物體的接近和附近檢測對象有無的產(chǎn)品總稱為“接近開關(guān)”，由感應(yīng)型、靜電容量型、超聲波型、光電型、磁力型等構(gòu)成。在本技術(shù)指南中，將檢測金屬存在的感應(yīng)型接近傳感器、檢測金屬及非金屬物體存在的靜電容量型接近傳感器、利用磁力產(chǎn)生的直流磁場的開關(guān)定義為“接近傳感器”。

　　接近傳感器的工作原理

　　接近傳感器又稱接近開關(guān)，能以非接觸方式檢測到物體的接近和附近物體的有無，是代替限位開關(guān)等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器的總稱。

　　根據(jù)檢測原理和被測物體的不同，接近傳感器主要分為電感式、靜電容式兩大類。

　　接近傳感器工作原理——電感式

　　檢測對象：具備產(chǎn)生感應(yīng)電流的能力，否則不能被檢測出來；

　　檢測距離：產(chǎn)生感應(yīng)電流能力越強，檢測距離越長。

　　金屬磁性強弱不一，利用接近傳感器對不同金屬的檢測距離的不同，把生產(chǎn)線上不同的金屬罐分類。

　　接近傳感器應(yīng)用－電容式

　　由于產(chǎn)品中具有不同的靜電容量，利用靜電容量型接近傳感器可以檢測出紙盒包裝內(nèi)有無飲品。

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　　接近傳感器特點

　　1、由于能以非接觸方式進行檢測，所以不會磨損和損傷被測物體

　　2、由于采用無接點輸出方式，因此壽命延長

　　3、與接觸式開關(guān)相比，可實現(xiàn)高速響應(yīng)

　　4、不受檢測物體顏色的影響。

　　接近傳感器的種類

　　電容式接近傳感器電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的經(jīng)電電容接近開關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。

　　平時檢測電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個組成部分。當被檢測物體接近檢測電極時，由于檢測電極加有電壓，檢測電極就會受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測物體越靠近檢測電極，檢測電極上的感應(yīng)電荷就越多。由于檢測電極上的靜電電容為 C=Q/V ，所以隨著電荷量的增多，使檢測電極電容C隨之增大。由于振蕩電路的振蕩頻率 與電容成反比，所以當電容C增大時振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號后向外輸出。

　　需要注意的是：電容式接近傳感器檢測的被測物體是金屬導(dǎo)體，非金屬導(dǎo)體不能用該方法測量。

　　電感式接近傳感器

　　電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。檢測用敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個組成部分，振蕩電路的振蕩頻率為 。當檢測線圈通以交流電時，在檢測線圈的周圍就產(chǎn)生一個交變的磁場，當金屬物體接近檢測線圈時，金屬物體就會產(chǎn)生電渦流而吸收磁場能量，使檢測線圈的電感L發(fā)生變化，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)監(jiān)測電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號輸出。

　　需要注意的是：與電容式接近傳感器相同，電感式接近傳感器檢測的被測物體也是金屬導(dǎo)體，非金屬導(dǎo)體不能用該方法測量。振幅變化隨目標物金屬種類而不同，因此檢測距離也隨目標物金屬的種類而不同。

　　光電式接近傳感器

　　光電式接近傳感器中，發(fā)光二極管（或半導(dǎo)體激光管）的光束軸線和光電三極管的軸線在一個平面上，并成一定的夾角，兩軸線在傳感器前方交于一點。當被檢測物體表面接近交點時，發(fā)光二極管的反射光被光電三極管接收，產(chǎn)生電信號。當物體遠離交點時，反射區(qū)不在光電三極管的視角內(nèi)，檢測電路沒有輸出。一般情況下，送給發(fā)光二極管的驅(qū)動電流并不是直流電流，而是一定頻率的交變電流，這樣，接收電路得到的也是同頻率的交變信號。如果對接收來的信號進行濾波，只允許同頻率的信號通過，可以有效地防止其他雜光的干擾，并可以提高發(fā)光二極管的發(fā)光強度。［3］

　　優(yōu)點特點

　　① 由于能以非接觸方式進行檢測，所以不會磨損和損傷檢測對象物。

　?、?由于采用無接點輸出方式，因此壽命延長（磁力式除外）采用半導(dǎo)體輸出，對接點的壽命無影響。

　　③ 與光檢測方式不同，適合在水和油等環(huán)境下使用檢測時幾乎不受檢測對象的污漬和油、水等的影響。此外，還包括特氟龍外殼型及耐藥品良好的產(chǎn)品

　?、?與接觸式開關(guān)相比，可實現(xiàn)高速響應(yīng)

　?、?能對應(yīng)廣泛的溫度范圍

　?、?不受檢測物體顏色的影響對檢測對象的物理性質(zhì)變化進行檢測，所以幾乎不受表面顏色等的影響

　　⑦ 與接觸式不同，會受周圍溫度的影響、周圍物體、同類傳感器的影響包括感應(yīng)型、靜電容量型在內(nèi)，傳感器之間相互影響。因此，對于傳感器的設(shè)置，需要考慮相互干擾。此外，在感應(yīng)型中，需要考慮周圍金屬的影響，而在靜電容量型中則需考慮周圍物體的影響。

　　接近傳感器的主要功能及其應(yīng)用

　　接近傳感器具有使用壽命長、工作可靠、重復(fù)定位精度高、無機械磨損、無火花、無噪音、抗振能力強等特點。在自動控制系統(tǒng)中可作為限位、計數(shù)、定位控制和自動保護環(huán)節(jié)。 被廣泛地應(yīng)用于機床、冶金、化工、輕紡和印刷等行業(yè)。

　　在講述接近傳感器的應(yīng)用之前，我們先來了解一下，它所具備的一些主要功能：

　　1、檢驗距離

　　檢測電梯、升降設(shè)備的停止、起動、通過位置；檢測車輛的位置，防止兩物體相撞檢測；檢測工作機械的設(shè)定位置，移動機器或部件的極限位置；檢測回轉(zhuǎn)體的停止位置，閥門的開或關(guān)位置；檢測氣缸或液壓缸內(nèi)的活塞移動位置。

　　2、尺寸控制

　　金屬板沖剪的尺寸控制裝置；自動選擇、鑒別金屬件長度；檢測自動裝卸時堆物高度；檢測物品的長、寬、高和體積。

　　3、檢測物體存在有否

　　檢測生產(chǎn)包裝線上有無產(chǎn)品包裝箱；檢測有無產(chǎn)品零件。

　　4、轉(zhuǎn)速與速度控制

　　控制傳送帶的速度；控制旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速；與各種脈沖發(fā)生器一起控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)。

　　5、計數(shù)及控制

　　檢測生產(chǎn)線上流過的產(chǎn)品數(shù)；高速旋轉(zhuǎn)軸或盤的轉(zhuǎn)數(shù)計量；零部件計數(shù)。

　　6、檢測異常

　　檢測瓶蓋有無；產(chǎn)品合格與不合格判斷；檢測包裝盒內(nèi)的金屬制品缺乏與否；區(qū)分金屬與非金屬零件；產(chǎn)品有無標牌檢測；起重機危險區(qū)報警；安全扶梯自動啟停。

　　7、計量控制

　　產(chǎn)品或零件的自動計量；檢測計量器、儀表的指針范圍而控制數(shù)或流量；檢測浮標控制測面高度，流量；檢測不銹鋼桶中的鐵浮標；儀表量程上限或下限的控制；流量控制，水平面控制。

　　8、識別對象

　　根據(jù)載體上的碼識別是與非。

　　9、信息傳送

　　ASI（總線）連接設(shè)備上各個位置上的傳感器在生產(chǎn)線（50－100米）中的數(shù)據(jù)往返傳送等。

　　目前，接近傳感器在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、消費電子等各行各業(yè)的領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用，下面介紹幾種典型的應(yīng)用場景，以便能為你在接近傳感器的應(yīng)用設(shè)計中打開一些思路。

　　人體接近傳感器在ATM取款機監(jiān)控中的應(yīng)用

　　人體接近傳感器是一種用于檢測人體接近的控制器件， 可準確探知附近人物的靠近，是目前作為報警和狀態(tài)檢測的最佳選擇。它的傳感部分對附近人物移動有很高的檢測靈敏度，且對周圍環(huán)境的聲音信號抑制，具有很強的抗干擾能力。內(nèi)部采用微電路芯片作程控處理，具有較高探測靈敏度和觸發(fā)可靠性，探測與控制兩部分合二為一，守候功耗低，開關(guān)信號輸出，直接觸發(fā)報警錄像。

　　由于對人體感應(yīng)的靈敏度是連續(xù)可調(diào)的，這使得人體接近傳感器可以適用于很多不同的場合。在安全防盜方面，如資料檔案、財會、金融、博物館、金庫等重地，通常都裝有由各種接近傳感器組成的防盜裝置。

　　接近傳感器在飛機起落架系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　航空動力裝置、起落架系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)是航空公司上報的航空器使用困難報告數(shù)據(jù)中位列前三的系統(tǒng)。其中，起落架系統(tǒng)故障易造成飛機返航、備降等不正常事件，給公司帶來經(jīng)濟損失，給航空安全帶來隱患。

　　在一般的空客飛機起落架控制系統(tǒng)中，通常采用的是數(shù)字電傳控制系統(tǒng)。其基本原理便是將傳感器信號送給控制盒（控制計算機），經(jīng)過綜合運算比較后發(fā)出指令給執(zhí)行機構(gòu)，控制環(huán)節(jié)為余度控制。

　　現(xiàn)代民用飛機起落架收放包括正常收放和應(yīng)急釋放兩套系統(tǒng)。起落架控制系統(tǒng)在操縱方式上使用電傳操縱，且與其他系統(tǒng)實現(xiàn)交聯(lián)，廣泛采用感應(yīng)式接近傳感器用于檢測起落架的位置。

　　每個起落架起主要作用的傳感器有兩個，即收上鎖傳感器和放下鎖傳感器，分別用于收上和放下鎖好時接通傳輸位置信號。該類型傳感器為磁阻型接近傳感器，主要由兩部分組成：傳感器主體和傳感器激勵片。

　　傳感器主體將電能轉(zhuǎn)換成磁場，激勵片主要起到增大導(dǎo)磁率的作用。當起落架與激勵片接近到一定距離時導(dǎo)磁率增加，傳感器發(fā)出信號警告組件指示起落架位置。它們之間的距離直接影響到指示的準確程度，一般調(diào)節(jié)要求也比較嚴格。此外，不同機型略有差別，調(diào)節(jié)時還需參看該機型的AMM手冊。

　　用感應(yīng)式接近傳感器檢測起落架的位置，提高了傳感器壽命。此外，通過控制計算機方便地實現(xiàn)了與航空電子系統(tǒng)的信息傳輸與信息共享。

　　接近傳感器在鐵軌道口監(jiān)測中的應(yīng)用

　　在所有的鐵路事故中，列車相撞占到很大一部分，且常常后果嚴重。利用接近傳感器對交叉道口過往列車監(jiān)測，成為提高鐵路安全性措施中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

　　在實際應(yīng)用中利用接近傳感器非接觸式位置測量的特點，可以將它們分別對稱地安裝在交叉口鐵軌的兩端。當有列車經(jīng)過時，鐵軌兩端的接近傳感器能夠檢測到各自端車輪經(jīng)過時引起的變化。通過道口監(jiān)測微處理系統(tǒng)對各傳感器信號進行分析，可以判斷車輛行駛的方向及穿越時的狀態(tài)（通過與否、是否停留）。最終，以線纜或者無線通信的方式，將信息發(fā)送到交管控制中心，以便對列車進行調(diào)運。

　　接近傳感器在自動包裝機械中的應(yīng)用

　　機械化生產(chǎn)制造催生了對自動包裝技術(shù)的需求，人工包裝的方式已遠遠不能滿足批量生產(chǎn)作業(yè)。自動包裝機械能夠在控制系統(tǒng)的引導(dǎo)下完成一系列物品的包裝工藝流程，提高了產(chǎn)品包裝效率，降低了包裝成本，但仍然免不了會出現(xiàn)紕漏。為此，自動包裝檢測成為保證包裝質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。其中對于包裝過程中含鐵磁類物質(zhì)的情況，利用接近傳感器進行非接觸檢測是常采用的一種方式。

　　接近傳感器內(nèi)部的能產(chǎn)生交變磁場的線圈，當被檢測鐵磁物處于該環(huán)境下時，便會因電磁感應(yīng)原理作用而在內(nèi)部形成渦電流。當渦電流所產(chǎn)生的磁場足夠大時便會反過來改變接近傳感器原有電路參數(shù)，從而產(chǎn)生信號輸出。因此，利用接近傳感器能識別附近一定范圍是否存在含磁性或者易磁化的物質(zhì)。在一些自動包裝過程中，如巧克力金屬箔紙包裝，通過接近傳感器對磁性物質(zhì)存在性的檢測，可以判斷是否出現(xiàn)包裝錯誤或工序遺漏的不合格產(chǎn)品，進而提高包裝質(zhì)量。

　　接近傳感器在機器人手夾持器中的應(yīng)用

　　機器人手夾持器是一種具有多個自由度，可靈巧抓取物體的機械結(jié)構(gòu)部件?？捎糜诟鞣N工業(yè)自動化生產(chǎn)、裝配和操作中， 可在高風險環(huán)境下執(zhí)行信息探測、物品收集和偵查、排爆等任務(wù)。機器人手夾持器一般多采用鉗形結(jié)構(gòu)，以開、合的方式來夾取物體。因此，“鉗口”開合度的精確測量和控制，是直接影響夾取過程成功與否的關(guān)鍵性因素。

　　由于接近傳感器能夠感應(yīng)距離和位置的變化，所以，也是機器人手夾持器中，測量開合情況的常用傳感器件，它利用磁場的變化與被測金屬部件的相對位置關(guān)系來進行測量。通常傳感器被安裝在夾持器的其中一個夾鉗上，在夾取物體時，接近傳感器能夠通過感應(yīng)磁場的大小變化而判斷兩者（夾鉗）距離的遠近。從而可與設(shè)定值進行比較，調(diào)節(jié)手夾持器開度的大小，避免抓空或損壞物件。

　　電容式接近傳感器在汽車電子中的應(yīng)用

　　汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域?qū)咏鼨z測傳感器的需求一直在穩(wěn)步攀升，接近檢測在汽車電子行業(yè)的可能應(yīng)用是無限的，例如：

　　汽車門禁控制：檢測手靠近門把，進而啟動開鎖程序

　　當手掌靠近屏幕表面時，就能照亮和喚醒觸摸屏

　　在手掌靠近傳感器時，就能打開／關(guān)閉車內(nèi)照明燈

　　通過檢測手掌在空中的簡單動作來打開／關(guān)閉設(shè)備

　　在停車過程中檢測汽車周圍的大障礙物

　　針對各種不同的汽車電子應(yīng)用需求，有多種接近檢測方法，如電容感測、紅外、超聲波、光學(xué)等。對從5mm到300mm范圍的接近檢測，電容式感測技術(shù)相對其它技術(shù)而言有許多優(yōu)勢：出色的可靠性、簡單的機械設(shè)計、低功耗和低成本。

　　電容式接近檢測的一個示例是在汽車門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用（見下圖）。檢測人手靠近的接近傳感器位于車門把手（1）內(nèi)。一旦檢測到有物體靠近，主控單元（2）通過低頻天線（3）發(fā)送一個喚醒信號；該信號激活汽車鑰匙發(fā)送器（4）。汽車鑰匙發(fā)送器于是與RFID接收器（5）交換信息；如果編碼信息與主控單元（2）匹配，汽車門鎖就打開。接近檢測和ID識別的整個過程約幾分之一秒。這意味著當手拉門把時，門鎖已經(jīng)打開了。

　　相比于觸摸檢測，在汽車門禁系統(tǒng)中使用接近檢測的優(yōu)勢在于它能夠在識別車主的時間上搶先，其結(jié)果是拉門之前，門鎖就已經(jīng)處于打開狀態(tài)。

　　檢測空間手勢用于打開或關(guān)閉設(shè)備，也是汽車電子中常見應(yīng)用。同時使用兩個或多個電容式接近傳感器，就可以通過檢測手掌在空中的簡單動作（如在被檢設(shè)備前揮手）來打開或關(guān)閉設(shè)備。下圖所示為使用這樣的系統(tǒng)來開／關(guān)汽車內(nèi)照明的簡單例子。對著燈向某一個方向揮手是打開燈，向反方向揮手則是關(guān)燈。該系統(tǒng)能夠分析接近傳感器的信號，確定手勢指示開燈，還是關(guān)燈。

　　在電燈內(nèi)設(shè)計傳感電極有許多不同的方法，從使用細銅線到采用可直接附著在塑料上的導(dǎo)電聚合物都有。

　　接近開關(guān)傳感器在屏蔽門上的應(yīng)用

　　為了安全，地鐵屏蔽門越來越多地被地鐵站臺所使用。接近開關(guān)傳感器將會大量投入屏蔽門的技術(shù)應(yīng)用中，地鐵事故將會在傳感器的應(yīng)用中降到最低。

　　目前屏蔽門系統(tǒng)用來檢測開門與關(guān)門的常用方案，一般是通過兩個接近開關(guān)來檢測門的開啟和關(guān)閉。由于接近傳感器能以非接觸方式進行檢測，所以不會磨損和損傷檢測對象物。這也是它適合在地鐵上安裝的一個主要原因，隨著接近傳感器性能進一步提高，它將應(yīng)用于更多的場合，未來不僅僅是地鐵門，在公交等其它屏蔽門上都會有廣泛的應(yīng)用。

　　接近傳感器在觸摸屏手機中的應(yīng)用

　　接近傳感器運用MEMS技術(shù)，在智能手機中得到了普及。

　　觸摸屏手機流行之初，用戶們就發(fā)現(xiàn)了觸摸屏的一個缺陷：當我們用最常見的姿勢接起電話時，往往臉部會碰到觸摸屏幕上，無意中點擊到了掛機鍵或者免提鍵，造成不必要的尷尬。于是，手機廠商利用MEMS技術(shù)，將MEMS接近傳感器設(shè)計進了觸摸屏手機，在接電話的時候自動鎖屏，避免誤觸發(fā)。另外，鎖屏的同時還可以關(guān)掉背光，可以有效節(jié)能，延長待機時間。

　　智能手機就是運用了MEMS環(huán)境光感器和接近傳感器：即環(huán)境光檢測（根據(jù)傳感器的照度用受光部檢測的光量來判斷周圍的明暗）與接近檢測（從具備傳感器的發(fā)光源放射的光線照射到測量對象上，根據(jù)反射到傳感器的接近用受光部的光量來判斷距離測量對象的遠近）。

　　環(huán)境光傳感器可以優(yōu)化調(diào)節(jié)LED背景燈的照明，這樣不管是在昏暗的電影院還是光照充足的室外，在任何環(huán)境下我們的手機都能自我調(diào)節(jié)到適合的亮度。接近傳感器可以在接聽電話的時候關(guān)掉觸屏，這樣我們就不會觸到屏幕上的按鍵導(dǎo)致突然掛斷電話或者點開其他功能了。

　　新技術(shù)的創(chuàng)新改變了接近傳感器，在普遍應(yīng)用于工業(yè)自動化控制的接近傳感器，如今更在智能化、小型化、集成化的技術(shù)升級中應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。