磁性接近開關(guān)工作原理

　　早先的磁傳感器，是伴隨測磁儀器的進步而逐步發(fā)展的。在眾多的測磁方法中，大都將磁場信息變成電訊號進行測量。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)自動化、交通運輸、電力電子技術(shù)、辦公自動化、家用電器、醫(yī)療儀器等等的飛速發(fā)展和電子計算機應(yīng)用的普及，需用大量的傳感器將需進行測量和控制的非電參量，轉(zhuǎn)換成可與計算機兼容的訊號，作為它們的輸入訊號，這就給磁傳感器的快速發(fā)展提供了機會，形成了相當可觀的磁傳感器產(chǎn)業(yè)。

　　接近開關(guān)是傳感器家族中眾多種類中的一個，它是利用電磁工作原理，用先進的工藝制成的，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，從而達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)用進行了說明

　　1．電容式接近開關(guān)

　　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。信號處理電路檢測出這種變化，就可以檢測出目標物體的接近。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。其他方案則很難達到設(shè)計者的要求。

　　機械開關(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)

　　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。當有金屬物體接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時，就會使該金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，這個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，當信號觸發(fā)器探測到這一衰減現(xiàn)象時，便把它轉(zhuǎn)換成開關(guān)電信號。由此識別出有無金屬物體接近開關(guān)，進而控制開關(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。

　　3．霍爾式接近開關(guān)

　　3.1 原理

　　當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，薄片的兩端就會產(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)強度成正比。霍爾接近開關(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，利用先進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轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中的電信號，同時又具備工業(yè)場合實際應(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)強度 B 來表征的，當 B 值達到一定的程度（如 B1）時，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，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?；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度有關(guān)

　　3.2 霍爾接近開關(guān)術(shù)語解釋

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

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

　?、?輸出狀態(tài)：分為常開、常閉、鎖存等幾種類型。例如，當無被檢測物體時，常開型的霍爾開關(guān)所接通的負載，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；當檢測到物體時，晶體管導(dǎo)通，負載得電工作。

　?、?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。

　?、?動作距離：動作距離是指被檢測物體按一定方式移動時，從基準位置（霍爾開關(guān)的感應(yīng)表面）到開關(guān)動作時測得的基準位置到檢測面的空間距離。額定動作距離指霍爾開關(guān)動作距離的標稱值。

　?、?回差距離：動作距離與復(fù)位距離之間的絕對值。

　　3.3 應(yīng)用實例

　　由于轉(zhuǎn)速信號是以脈沖形式出現(xiàn)的，當被測磁性物體磁場強度達到 25 毫特斯拉以上時，其輸出是標準的TTL電平。利用計算機的智能型控制、運算功能，組成的轉(zhuǎn)速表既簡單又精確。如用 3020 型霍爾式接近開關(guān)，單片機用 8031（它的晶振為 6MHz，經(jīng) 12 分頻后為 0.5MHz），則其測量的最大轉(zhuǎn)速為 0.5MHz，而最小測量轉(zhuǎn)速可無限低。

　　3.4 注意事項

　?、?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度特性，從而引起電路誤動作。

　?、?當使用霍爾接近開關(guān)驅(qū)動感性負載時，請在負載兩端并接入續(xù)流型二極管，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(guān)的使用壽命。

　?、?一般霍爾接近開關(guān)產(chǎn)品用 SMD 工藝生產(chǎn)制造而成，并經(jīng)嚴格的測試合格后才出廠。在一般情況下使用是不會出現(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)能以細小的開關(guān)體積達到最大的檢測距離。它能檢測磁性物體（一般為永久磁鐵），然后產(chǎn)生觸發(fā)開關(guān)信號輸出。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）把磁場傳送至遠距離，例如，信號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)動作信號。 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 LC 振蕩器、一個信號觸發(fā)器和一個開關(guān)放大器，還有一個非晶體化的、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磁場范圍內(nèi)（例如，永久磁鐵附近），此時正在影響振蕩電路衰減的渦流損耗會減少，振蕩電路不再衰減。因此，磁性接近開關(guān)的消耗功率由于永久磁鐵的接近而增加，信號觸發(fā)器被啟動產(chǎn)生輸出信號。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)；用磁石辨認代碼等。

　　4.2 特點

　?。?）優(yōu)點

　　① 可以整體安裝在金屬中。

　?、?對并排安裝沒有任何要求。

　?、?頂部（傳感面）可以由金屬制成。

　?、?價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單。

　?、?具有大的感應(yīng)范圍和高的開關(guān)頻率。

　?。?） 缺點

　?、?動作距離受檢測體（一般為磁鐵或磁鋼）的磁場強度影響較大。

　?、?檢測體的接近方向會影響動作距離的大?。◤较蚪咏禽S向接近時動作距離的一半）。

　?、?徑向接近時有可能會出現(xiàn)兩個工作點。

　?、?檢測體在固定時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)在信息社會的作用有了新的認識，認為傳感器技術(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)。未來將會有更新式材料開發(fā)出來，如納米材料等。最近，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)體細加工技術(shù)的進步，傳感器也逐漸采用集成化技術(shù)，實現(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測量多個被測量稱為多功能集成傳感器。80年代末期，日本豐田研究所報導(dǎo)了可以檢測Na+，K+和H+多離子傳感器。最近國內(nèi)已經(jīng)研制硅壓阻式復(fù)合傳感器，可以同時測量溫度和壓力等。

　　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行檢測和信號處理的智能傳感器，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、通信、控制等特點.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，不見面的微觀傳感，而現(xiàn)代檢測需要開發(fā)既見點，又見面的具有宏觀判斷分析能力的智能傳感器。不過，要實現(xiàn)這一目標，道路還很漫長。面對21世紀，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)和計算機技術(shù)設(shè)計新型的智能傳感器，這將使材料的無損檢測發(fā)生一場革命，大大地推動無損檢測技術(shù)的發(fā)展。