聊一聊工業和自動化之間的5種接近傳感器

許多工業自動化 (IA) 應用要求能夠在不進行物理接觸的情況下感知物體或人體的存在和/或位置，以避免約束或限制所感知物體的移動。接近傳感器非常適合這一用處。但接近傳感器有很多種類，包括電磁式、電容式、電感式和光學式，被檢測物體的材料組成也可能會影響傳感器檢測其存在的能力。

有些接近傳感器對探測黑色金屬很有用，而有些可以探測任何種類的金屬，還有一些可以探測任何類型的物體，甚至是人體。工業自動化應用中接近傳感器的潛在用戶必須了解不同的接近傳感器技術類型及其對特定感應情況的適用性。

本文討論了幾種類型的傳感器，并詳細介紹了它們能夠感知的物體類型和每種器件類型的空間靈敏度。最后介紹了幾款來自Texas Instruments、Red Lion Controls、Littelfuse Inc.、Omron Electronics Inc.、MaxBotix Inc.和Carlo Gavazzi Inc.實例器件。

01 電感式接近傳感器

電感式接近傳感器能夠檢測導電(即金屬)物體的存在，其感應范圍取決于被檢測金屬的類型。這些傳感器利用振蕩電路中線圈產生的高頻磁場進行操作。接近磁場的導電目標會在其中產生感應或渦流，形成一個相反的磁場，有效降低了電感式傳感器的電感量。

電感式接近傳感器工作方式有兩種。在第一種工作方法中，當目標接近傳感器時，感應電流增加，這增加了振蕩電路的負載，導致其振蕩被衰減或停止。該傳感器用一個振幅檢測電路檢測這種振蕩狀態的變化，并輸出一個檢測信號。

另一種工作方式是，使用因導電目標的存在而產生的頻率變化，而不是振幅的變化。非鐵金屬目標，如鋁或銅接近傳感器會導致振蕩頻率增加，而鐵金屬目標，如鐵或鋼會導致振蕩頻率降低。振蕩頻率相對于參考頻率的變化導致傳感器的輸出狀態改變。

Texas Instruments 的 LDC0851HDSGT 是一個近距離電感式接近開關傳感器，它利用頻率的變化來檢測其電磁場內是否存在導電物體(圖 1)。

圖 1：LDC0851HDSGT電感式接近傳感器使用雙電感線圈(感應線圈和參考線圈)來測量感應線圈附近的目標物體引起的電感量變化。(圖片來源：Texas Instruments)

LDC0851 電感式接近開關是非接觸式接近檢測應用的理想選擇，如存在檢測、事件計數和感應范圍小于 10 毫米(0.39 英寸)的簡單按鈕。當一個導電物體在感應線圈附近移動時，該器件就會改變其輸出狀態。差分實現(使用感應和參考線圈來確定系統的相對電感)和滯后用于保證可靠的開關，使之不受機械振動、溫度變化或濕度影響。

LDC0851HDSGT 的電感式拾音器線圈用一個傳感器電容進行調諧，將振蕩頻率設定在3 至 19 兆赫 (MHz) 范圍內。當感應電感低于參考電感時，推挽輸出處于低電平狀態，反之則返回到高電平狀態。

02 磁性接近傳感器

磁性接近檢測器用于測量移動金屬部件的位置和速度，可以是霍爾效應傳感器這樣的有源器件，也可以是可變磁阻 (VR) 傳感器這樣的無源器件，如 Red Lion Controls 的MP62TA00螺紋式磁性拾音器(圖 2，左)。可變磁阻接近傳感器測量磁阻的變化(類似于電路中的電阻)，它由一個永磁鐵、一個極片和一個封閉在圓柱形外殼中的傳感線圈組成。

圖 2：VR 磁性拾音器(圖左)是一個無源傳感器，可以感應到極片和傳感器外殼(圖右)之間的磁場變化。(圖片來源：Art Pini，MP62TA00 圖片來自 Red Lion Controls)

一個鐵磁性物體從極片旁緊密通過，會引起磁場的變化。這種變化又會在信號線圈中產生一個信號電壓。信號電壓的大小取決于目標物體的大小、速度以及極片和物體之間的間隙大小。目標物體必須處于運動狀態才能被 VR 傳感器感應到。MP62TA00 紋式磁性拾音器是一種采用環氧樹脂封裝的 VR 接近傳感器，工作溫度范圍為 -40 至 +107℃。它有一英寸(25.4 毫米(mm))長，帶有一個 ? - 40 UNS 螺紋體。

VR 傳感器是無源器件，所以它們不需要電源。因此，它們通常用于測量旋轉的機器。例如，像 MP62TA00 這樣的 VR 拾音器被廣泛用于感應鐵質齒輪、鏈輪或正時皮帶輪上的通過齒。它們還可用于感應螺栓頭、鍵槽或其他快速移動的金屬目標(圖 3)。

圖 3：VR 傳感器廣泛用于感知旋轉機械中的輪齒、凸輪和鍵槽。(圖片來源：Red Lion Controls)

它們被用作轉速計來測量轉速，成對使用時也可用于測量旋轉軸的偏心率。

第二種類型的磁性傳感器則使用霍爾效應來檢測磁場的存在。霍爾效應描述了載流導體和垂直于該導體平面的磁場的相互作用。當一個載流導體被置于一個磁場中時，將產生一個與電流和磁場都垂直的電壓(霍爾電壓)。霍爾電壓與磁場的磁通密度成正比，需要一個被磁化的目標。

Littelfuse Inc. 的 55100-3H-02-A 是一種法蘭安裝霍爾效應傳感器，可提供數字輸出或可編程的模擬電壓輸出(圖 4)。

圖 4：55100-3H-02-A帶電壓輸出的法蘭安裝霍爾效應接近傳感器框圖和照片。(圖片來源：Littelfuse, Inc.)

55100-3H-02-A 尺寸為 25.5 x 11 x 3 mm，可提供三線電壓輸出或兩線電流輸出。兩個版本都提供中(130 高斯)、高(59 高斯)或可編程靈敏度。該器件具有高靈敏度，使用指定的磁鐵，激活范圍為 18 毫米(0.709 英寸)。下拉輸出可以灌入最高 24 伏的直流電壓和 20 毫安(mA) 電流。

這種傳感器可以在最高 10 千赫茲 (kHz) 的開關速率下工作，并能感知動態和靜態磁場。檢測靜態磁場的能力是霍爾效應傳感器的一個主要優點，因為它可以用來感知一扇正在關閉的門或一個處于固定位置的物體。

03 光學接近傳感器

光學接近傳感器使用光(紅外線或可見光)來感應物體。其優點是，目標不需要有磁性或是金屬，只要能阻擋或反射光線就可以了。基本原理是，光學傳感器發出光并監測從目標物體上反射的光(圖 5，左)。

圖 5：光學接近傳感器通過發射一束光并檢測目標反射回來的光來定位目標物體。(圖片來源：Art Pini)

Omron Electronics Inc. 的 EE-SY1200 是一個出色的光學接近傳感器實例(圖 5，右)。它是一個安裝在小型印刷電路板上的超緊湊光傳感器，工作在 850 納米 (nm) 的紅外波長下。它包括一對 LED 發射器和光電晶體管，采用表面貼裝封裝，尺寸為 1.9 x 3.2 x 1.1 毫米(0.0748 x 0.126 x 0.043英寸)，工作溫度范圍為 -25 至 +85℃。其推薦感應距離范圍為 1.0 至 4.0 毫米(0.039 至0.157 英寸)。

由于它采用小尺寸板安裝，因此成為如自動纏繞機中金屬化麥拉材料對準之類應用的理想選擇。

04 超聲波接近傳感器

感應距離要求更遠時，如檢測免下車窗口的汽車時，可以使用基于超聲波的接近傳感器來處理。這些傳感器可在多至數米 (m) 的距離內探測任何類型的物體。基本原理是，測量傳感器發射器發出超聲波脈沖，然后被目標物體反射并被傳感器接收器拾取的飛行時間(圖 6)。

圖 6：使用超聲波進行測距時，測量從發射器發射超聲波脈沖(左)到反射脈沖返回(右)的時間。這個時間是初始脈沖從傳感器到目標物體的飛行時間的兩倍。(圖片來源：Art Pini)

從發射脈沖到接收反射的時間代表了從傳感器到目標物體再返回的飛行時間。知道了傳播的速度和飛行的時間，就可以計算出距離。在所示例子中，飛行時間是 3.1 毫秒 (ms)。對于空氣來說，在 70 華氏度，聲音的速度是每秒 1128 英尺，所以到物體并返回的的總距離是 3.50 英尺。從傳感器到物體的距離是飛行時間的一半或 1.75 英尺。買電子元器件現貨上唯樣商城

MatBotix Inc. 的 MB1634-000 是一種超聲波接近傳感器，測量范圍為 5 米(16.4 英尺)。它需要一個 2.5 至 5.5 伏的電源，工作頻率為 42 kHz，它將到目標的距離輸出為模擬電壓、脈沖寬度或晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 串行數據流。它針對目標尺寸變化、工作電壓和內部溫度(可選擇外部溫度補償)進行了補償，所有這些功能都封裝在一個小于一立方英寸的封裝中——0.875 x 1.498 x 0.58 英寸(22.23 x 38.05 x 14.73 毫米)(圖 7)。

圖 7：MB1634-000是一個帶有發射和接收傳感器的超聲波測距儀組件，范圍為 5 米。(圖片來源：MaxBotix Inc.)

05 電容式接近傳感器

電容式接近傳感器可以檢測粉末、顆粒、液體和固體形式的金屬和非金屬目標。一個很好的實例是 Carlo Gavazzi 的CD50CNF06NO(圖 8)。該器件通常與電感式傳感器相似，只是電感式傳感器的感應線圈被電容式感應板所取代。它們最常用于感應儲罐中的液位。

圖 8：在一個通用的電容式接近傳感器中(左)，電容式感應板與外部目標物體形成一個電容;電容值決定了振蕩器的頻率。Carlo Gavazzi 的 CD50CNF06NO(右)是一個用于監測液位的電容式接近傳感器。(圖片來源：Art Pini)

傳感器中的感應板與目標物體形成一個電容，電容隨著與物體的距離變化而變化。感應目標電容決定了振蕩器的頻率，對該頻率進行監測，便可在越過閾值頻率時切換輸出狀態。

CD50CNF06N0 用于監測液位。它是一個三線傳感器，帶有一個開集 NPN 晶體管，配置為常開模式。它采用 10 至 30 伏直流電源，封裝尺寸為50 x 30 x 7 mm(1.97 x 1.18 x 0.28 英寸)，感應范圍為 6 毫米(0.24 英寸)。在其常用液位檢測應用中，一般用螺釘或粘膠將該器件固定在非金屬罐的外表面。

結語：

接近傳感器采用的技術有多種類型，適合的應用各種各樣。根據傳感器的類型，它們可以探測金屬和非金屬目標，感應距離從幾毫米到五米或更遠。它們足夠緊湊，可以在狹小的空間內工作，許多還能夠工作在惡劣環境中。市場上有一系列技術實現方法，為用戶提供了多種選擇，可滿足無數的接近檢測要求。

審核編輯：湯梓紅