磁性接近開(kāi)關(guān)工作原理

　　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(chǎng)信息變成電訊號進(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(zhù)信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、交通運輸、電力電子技術(shù)、辦公自動(dòng)化、家用電器、醫療儀器等等的飛速發(fā)展和電子計算機應用的普及，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(huì )，形成了相當可觀(guān)的磁傳感器產(chǎn)業(yè)。

　　接近開(kāi)關(guān)是傳感器家族中眾多種類(lèi)中的一個(gè)，它是利用電磁工作原理，用先進(jìn)的工藝制成的，是一種位置傳感器。它能通過(guò)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(kāi)關(guān)，并對它們的原理與應用進(jìn)行了說(shuō)明

　　1．電容式接近開(kāi)關(guān)

　　原理：

　　電容式接近開(kāi)關(guān)的敏感元件由導電極板系統組成，可被視為一個(gè)或一組電容，附近出現或經(jīng)過(guò)的導電體和介電體改變極板系統中的靜電場(chǎng)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，電容式傳感器的結構較為簡(jiǎn)單、工作阻抗高，因而功耗較低，此外通過(guò)鎖頻或頻譜擴展載波調制技術(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計者的要求。

　　機械開(kāi)關(guān)的穩定性和可靠性較差磁敏感方式功耗過(guò)大，也容易受外磁場(chǎng)的影響；光學(xué)式和超聲式傳感器的結構較為復雜，容易受外界干擾。

　　2．電感式接近開(kāi)關(guān)

　　原理：

　　電感式接近開(kāi)關(guān)（GDKG）屬于一種有開(kāi)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(kāi)關(guān)放大器組成。振蕩電路的線(xiàn)圈產(chǎn)生高頻交流磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)經(jīng)由傳感器的感應面釋放出來(lái)。當有金屬物體接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應頭時(shí)，就會(huì )使該金屬物體內部產(chǎn)生渦流，這個(gè)渦流反作用于接近開(kāi)關(guān)，使接近開(kāi)關(guān)振蕩能力衰減，內部電路的參數發(fā)生變化，當信號觸發(fā)器探測到這一衰減現象時(shí)，便把它轉換成開(kāi)關(guān)電信號。由此識別出有無(wú)金屬物體接近開(kāi)關(guān)，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。

　　這種接近開(kāi)關(guān)所能檢測的物體必須是金屬物體。

　　3．霍爾式接近開(kāi)關(guān)

　　3.1 原理

　　當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì )產(chǎn)生電位差，這種現象就稱(chēng)為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱(chēng)為霍爾電勢U，其表達式為： U=K·I·B/d，其中 K 為霍爾系數，I 為薄片中通過(guò)的電流，B 為外加磁場(chǎng)（洛倫慈力 Lorrentz）的磁感應強度，d 是薄片的厚度。由此可見(jiàn)，霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應強度成正比?；魻柦咏_(kāi)關(guān)就屬于這種有源磁/電轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，利用先進(jìn)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換成實(shí)際應用中的電信號，同時(shí)又具備工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應用易操作和可靠性的要求。 霍爾接近開(kāi)關(guān)的輸入端是以磁感應強度 B 來(lái)表征的，當 B 值達到一定的程度（如 B1）時(shí)，開(kāi)關(guān)內部的觸發(fā)器翻轉，霍爾接近開(kāi)關(guān)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，和電感式接近開(kāi)關(guān)類(lèi)似的有：NPN、PNP、常開(kāi)型、常閉型、鎖存型（雙極性）、雙信號輸出幾種類(lèi)型。

　　霍爾接近開(kāi)關(guān)是磁性接近開(kāi)關(guān)中的一種，具有無(wú)觸電、低功耗、長(cháng)使用壽命、響應頻率高等特點(diǎn)，內部采用環(huán)氧樹(shù)脂封灌制作成一體化結構，所以能在各類(lèi)惡劣環(huán)境下可靠地工作。它可應用于接近開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、里程表等，它是一種新型的電器配件?；魻柺介_(kāi)關(guān)比電感式開(kāi)關(guān)響應頻率高，它用磁鋼觸發(fā)，電感式用導磁金屬觸發(fā)，霍爾式開(kāi)關(guān)感應距離除了與傳感器本身性能有關(guān)外，還與所選磁鋼磁場(chǎng)強度有關(guān)

　　3.2 霍爾接近開(kāi)關(guān)術(shù)語(yǔ)解釋

　?、?磁感應強度：霍爾接近開(kāi)關(guān)在工作時(shí)，它所要求磁鋼具有的磁場(chǎng)強度的大小。一般磁感應強度值B 為 0.02~0.05 特斯拉。

　?、?響應頻率：按規定在 1 秒的時(shí)間間隔內，允許霍爾開(kāi)關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數。

　?、?輸出狀態(tài)：分為常開(kāi)、常閉、鎖存等幾種類(lèi)型。例如，當無(wú)被檢測物體時(shí)，常開(kāi)型的霍爾開(kāi)關(guān)所接通的負載，由于霍爾接近開(kāi)關(guān)內部的輸出晶體管的截止而不工作；當檢測到物體時(shí)，晶體管導通，負載得電工作。

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

　?、?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)，從基準位置（霍爾開(kāi)關(guān)的感應表面）到開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)測得的基準位置到檢測面的空間距離。額定動(dòng)作距離指霍爾開(kāi)關(guān)動(dòng)作距離的標稱(chēng)值。

　?、?回差距離：動(dòng)作距離與復位距離之間的絕對值。

　　3.3 應用實(shí)例

　　由于轉速信號是以脈沖形式出現的，當被測磁性物體磁場(chǎng)強度達到 25 毫特斯拉以上時(shí)，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，組成的轉速表既簡(jiǎn)單又精確。如用 3020 型霍爾式接近開(kāi)關(guān)，單片機用 8031（它的晶振為 6MHz，經(jīng) 12 分頻后為 0.5MHz），則其測量的最大轉速為 0.5MHz，而最小測量轉速可無(wú)限低。

　　3.4 注意事項

　?、?直流型霍爾接近開(kāi)關(guān)產(chǎn)品所使用的直流電壓為 3~28V，其典型的應用范圍一般采用 5~24V，過(guò)高的電壓會(huì )引起其內部霍爾元器件參數隨電壓升高而變化的不穩定性，而過(guò)低的電壓容易讓外界的溫度變化影響磁場(chǎng)強度特性，從而引起電路誤動(dòng)作。

　?、?當使用霍爾接近開(kāi)關(guān)驅動(dòng)感性負載時(shí)，請在負載兩端并接入續流型二極管，否則會(huì )因感性負載長(cháng)期動(dòng)作時(shí)的瞬態(tài)高壓脈沖影響霍爾開(kāi)關(guān)的使用壽命。

　?、?一般霍爾接近開(kāi)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(chǎng)。在一般情況下使用是不會(huì )出現損壞現象的，但為了防止意外性事件發(fā)生，用戶(hù)在接通電源前應檢查接線(xiàn)是否正確，并核定其電壓是否為額定值。

　　4 ．磁性接近開(kāi)關(guān)

　　4.1 工作原理

　　磁性接近開(kāi)關(guān)能以細小的開(kāi)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(kāi)關(guān)信號輸出。由于磁場(chǎng)能通過(guò)很多非磁性物，所以此觸發(fā)過(guò)程并不一定需要把目標物體直接靠近磁性接近開(kāi)關(guān)的感應面，而是通過(guò)磁性導體（如鐵）把磁場(chǎng)傳送至遠距離，例如，信號能夠通過(guò)高溫的地方傳送到磁性接近開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生觸發(fā)動(dòng)作信號。 它的工作原理與電感式接近開(kāi)關(guān)類(lèi)似，其內部包含一個(gè) LC 振蕩器、一個(gè)信號觸發(fā)器和一個(gè)開(kāi)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(chǎng)范圍內（例如，永久磁鐵附近），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(kāi)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(dòng)產(chǎn)生輸出信號。它有廣泛的應用，如：可以通過(guò)塑膠容器或導管來(lái)對物體進(jìn)行檢測；高溫環(huán)境的物體檢測；物料的分辨系統；用磁石辨認代碼等。

　　4.2 特點(diǎn)

　?。?）優(yōu)點(diǎn)

　?、?可以整體安裝在金屬中。

　?、?對并排安裝沒(méi)有任何要求。

　?、?頂部（傳感面）可以由金屬制成。

　?、?價(jià)格低廉，結構簡(jiǎn)單。

　?、?具有大的感應范圍和高的開(kāi)關(guān)頻率。

　?。?） 缺點(diǎn)

　?、?動(dòng)作距離受檢測體（一般為磁鐵或磁鋼）的磁場(chǎng)強度影響較大。

　?、?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）。

　?、?徑向接近時(shí)有可能會(huì )出現兩個(gè)工作點(diǎn)。

　?、?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(zhù)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(kāi)發(fā)新材料、新工藝和開(kāi)發(fā)新型傳感器；其二是實(shí)現傳感器的多功能、高精度、集成化和智能化。

　　5.1新材料開(kāi)發(fā)

　　傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，使傳感器技術(shù)越來(lái)越成熟，傳感器種類(lèi)越來(lái)越多。除了早期使用的材料， 如：半導體材料、陶瓷材料以外，光導纖維以及超導材料的發(fā)展，為傳感器技術(shù)發(fā)展提供物質(zhì)基礎。未來(lái)將會(huì )有更新式材料開(kāi)發(fā)出來(lái)，如納米材料等。最近，美國 NRC公司已開(kāi)發(fā)納米ZrO2氣體傳感器。在控制汽車(chē)尾氣的排放效果很好，應用前景廣闊。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(zhù)LSI技術(shù)發(fā)展和半導體細加工技術(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(kāi)發(fā)出來(lái)。

　　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(chēng)為多功能集成傳感器。80年代末期，日本豐田研究所報導了可以檢測Na+，K+和H+多離子傳感器。最近國內已經(jīng)研制硅壓阻式復合傳感器，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(diǎn).20多年來(lái)，智能化傳感器有了很大發(fā)展，近年來(lái)，智能化傳感器發(fā)展開(kāi)始同人工智能相結合，創(chuàng )造出各種基于模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、專(zhuān)家系統等人工智能技術(shù)的高度智能傳感器，稱(chēng)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(lái)將會(huì )更加成熟。智能化傳感器是傳感技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向。

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們會(huì )對無(wú)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速度、超高精度、極限檢測上超過(guò)生物體，但在學(xué)習效果上，環(huán)境宏觀(guān)判斷力上遠不如生物體，尤其是在宏觀(guān)判斷力上，大多數傳感器都是只見(jiàn)點(diǎn)，不見(jiàn)面的微觀(guān)傳感，而現代檢測需要開(kāi)發(fā)既見(jiàn)點(diǎn)，又見(jiàn)面的具有宏觀(guān)判斷分析能力的智能傳感器。不過(guò)，要實(shí)現這一目標，道路還很漫長(cháng)。面對21世紀，科學(xué)工作者們應轉變觀(guān)念，利用新材料、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)設計新型的智能傳感器，這將使材料的無(wú)損檢測發(fā)生一場(chǎng)革命，大大地推動(dòng)無(wú)損檢測技術(shù)的發(fā)展。