聊一聊工業(yè)和自動(dòng)化之間的5種接近傳感器

許多工業(yè)自動(dòng)化 (IA) 應(yīng)用要求能夠在不進(jìn)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(dòng)。接近傳感器非常適合這一用處。但接近傳感器有很多種類(lèi)，包括電磁式、電容式、電感式和光學(xué)式，被檢測(cè)物體的材料組成也可能會(huì)影響傳感器檢測(cè)其存在的能力。

有些接近傳感器對(duì)探測(cè)黑色金屬很有用，而有些可以探測(cè)任何種類(lèi)的金屬，還有一些可以探測(cè)任何類(lèi)型的物體，甚至是人體。工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中接近傳感器的潛在用戶(hù)必須了解不同的接近傳感器技術(shù)類(lèi)型及其對(duì)特定感應(yīng)情況的適用性。

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

01 電感式接近傳感器

電感式接近傳感器能夠檢測(cè)導(dǎo)電（即金屬）物體的存在，其感應(yīng)范圍取決于被檢測(cè)金屬的類(lèi)型。這些傳感器利用振蕩電路中線(xiàn)圈產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)進(jìn)行操作。接近磁場(chǎng)的導(dǎo)電目標(biāo)會(huì)在其中產(chǎn)生感應(yīng)或渦流，形成一個(gè)相反的磁場(chǎng)，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(dāng)目標(biāo)接近傳感器時(shí)，感應(yīng)電流增加，這增加了振蕩電路的負(fù)載，導(dǎo)致其振蕩被衰減或停止。該傳感器用一個(gè)振幅檢測(cè)電路檢測(cè)這種振蕩狀態(tài)的變化，并輸出一個(gè)檢測(cè)信號(hào)。

另一種工作方式是，使用因?qū)щ娔繕?biāo)的存在而產(chǎn)生的頻率變化，而不是振幅的變化。非鐵金屬目標(biāo)，如鋁或銅接近傳感器會(huì)導(dǎo)致振蕩頻率增加，而鐵金屬目標(biāo)，如鐵或鋼會(huì)導(dǎo)致振蕩頻率降低。振蕩頻率相對(duì)于參考頻率的變化導(dǎo)致傳感器的輸出狀態(tài)改變。

Texas Instruments 的 LDC0851HDSGT 是一個(gè)近距離電感式接近開(kāi)關(guān)傳感器，它利用頻率的變化來(lái)檢測(cè)其電磁場(chǎng)內(nèi)是否存在導(dǎo)電物體（圖 1）。

圖 1：LDC0851HDSGT電感式接近傳感器使用雙電感線(xiàn)圈（感應(yīng)線(xiàn)圈和參考線(xiàn)圈）來(lái)測(cè)量感應(yīng)線(xiàn)圈附近的目標(biāo)物體引起的電感量變化。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

LDC0851 電感式接近開(kāi)關(guān)是非接觸式接近檢測(cè)應(yīng)用的理想選擇，如存在檢測(cè)、事件計(jì)數(shù)和感應(yīng)范圍小于 10 毫米（0.39 英寸）的簡(jiǎn)單按鈕。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)電物體在感應(yīng)線(xiàn)圈附近移動(dòng)時(shí)，該器件就會(huì)改變其輸出狀態(tài)。差分實(shí)現(xiàn)（使用感應(yīng)和參考線(xiàn)圈來(lái)確定系統(tǒng)的相對(duì)電感）和滯后用于保證可靠的開(kāi)關(guān)，使之不受機(jī)械振動(dòng)、溫度變化或濕度影響。

LDC0851HDSGT 的電感式拾音器線(xiàn)圈用一個(gè)傳感器電容進(jìn)行調(diào)諧，將振蕩頻率設(shè)定在3 至 19 兆赫 (MHz) 范圍內(nèi)。當(dāng)感應(yīng)電感低于參考電感時(shí)，推挽輸出處于低電平狀態(tài)，反之則返回到高電平狀態(tài)。

02 磁性接近傳感器

磁性接近檢測(cè)器用于測(cè)量移動(dòng)金屬部件的位置和速度，可以是霍爾效應(yīng)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(wú)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(cè)量磁阻的變化（類(lèi)似于電路中的電阻），它由一個(gè)永磁鐵、一個(gè)極片和一個(gè)封閉在圓柱形外殼中的傳感線(xiàn)圈組成。

圖 2：VR 磁性拾音器（圖左）是一個(gè)無(wú)源傳感器，可以感應(yīng)到極片和傳感器外殼（圖右）之間的磁場(chǎng)變化。（圖片來(lái)源：Art Pini，MP62TA00 圖片來(lái)自 Red Lion Controls）

一個(gè)鐵磁性物體從極片旁緊密通過(guò)，會(huì)引起磁場(chǎng)的變化。這種變化又會(huì)在信號(hào)線(xiàn)圈中產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)電壓。信號(hào)電壓的大小取決于目標(biāo)物體的大小、速度以及極片和物體之間的間隙大小。目標(biāo)物體必須處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才能被 VR 傳感器感應(yīng)到。MP62TA00 紋式磁性拾音器是一種采用環(huán)氧樹(shù)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(zhǎng)，帶有一個(gè) ? - 40 UNS 螺紋體。

VR 傳感器是無(wú)源器件，所以它們不需要電源。因此，它們通常用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)的機(jī)器。例如，像 MP62TA00 這樣的 VR 拾音器被廣泛用于感應(yīng)鐵質(zhì)齒輪、鏈輪或正時(shí)皮帶輪上的通過(guò)齒。它們還可用于感應(yīng)螺栓頭、鍵槽或其他快速移動(dòng)的金屬目標(biāo)（圖 3）。

圖 3：VR 傳感器廣泛用于感知旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的輪齒、凸輪和鍵槽。（圖片來(lái)源：Red Lion Controls）

它們被用作轉(zhuǎn)速計(jì)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，成對(duì)使用時(shí)也可用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的偏心率。

第二種類(lèi)型的磁性傳感器則使用霍爾效應(yīng)來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的存在?；魻栃?yīng)描述了載流導(dǎo)體和垂直于該導(dǎo)體平面的磁場(chǎng)的相互作用。當(dāng)一個(gè)載流導(dǎo)體被置于一個(gè)磁場(chǎng)中時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與電流和磁場(chǎng)都垂直的電壓（霍爾電壓）。霍爾電壓與磁場(chǎng)的磁通密度成正比，需要一個(gè)被磁化的目標(biāo)。

Littelfuse Inc. 的 55100-3H-02-A 是一種法蘭安裝霍爾效應(yīng)傳感器，可提供數(shù)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(yīng)接近傳感器框圖和照片。（圖片來(lái)源：Littelfuse, Inc.）

55100-3H-02-A 尺寸為 25.5 x 11 x 3 mm，可提供三線(xiàn)電壓輸出或兩線(xiàn)電流輸出。兩個(gè)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(kāi)關(guān)速率下工作，并能感知?jiǎng)討B(tài)和靜態(tài)磁場(chǎng)。檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)的能力是霍爾效應(yīng)傳感器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗梢杂脕?lái)感知一扇正在關(guān)閉的門(mén)或一個(gè)處于固定位置的物體。

03 光學(xué)接近傳感器

光學(xué)接近傳感器使用光（紅外線(xiàn)或可見(jiàn)光）來(lái)感應(yīng)物體。其優(yōu)點(diǎn)是，目標(biāo)不需要有磁性或是金屬，只要能阻擋或反射光線(xiàn)就可以了。基本原理是，光學(xué)傳感器發(fā)出光并監(jiān)測(cè)從目標(biāo)物體上反射的光（圖 5，左）。

圖 5：光學(xué)接近傳感器通過(guò)發(fā)射一束光并檢測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)的光來(lái)定位目標(biāo)物體。（圖片來(lái)源：Art Pini）

Omron Electronics Inc. 的 EE-SY1200 是一個(gè)出色的光學(xué)接近傳感器實(shí)例（圖 5，右）。它是一個(gè)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(zhǎng)下。它包括一對(duì) LED 發(fā)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(yīng)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(dòng)纏繞機(jī)中金屬化麥拉材料對(duì)準(zhǔn)之類(lèi)應(yīng)用的理想選擇。

04 超聲波接近傳感器

感應(yīng)距離要求更遠(yuǎn)時(shí)，如檢測(cè)免下車(chē)窗口的汽車(chē)時(shí)，可以使用基于超聲波的接近傳感器來(lái)處理。這些傳感器可在多至數(shù)米 (m) 的距離內(nèi)探測(cè)任何類(lèi)型的物體。基本原理是，測(cè)量傳感器發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，然后被目標(biāo)物體反射并被傳感器接收器拾取的飛行時(shí)間（圖 6）。

圖 6：使用超聲波進(jìn)行測(cè)距時(shí)，測(cè)量從發(fā)射器發(fā)射超聲波脈沖（左）到反射脈沖返回（右）的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間是初始脈沖從傳感器到目標(biāo)物體的飛行時(shí)間的兩倍。（圖片來(lái)源：Art Pini）

從發(fā)射脈沖到接收反射的時(shí)間代表了從傳感器到目標(biāo)物體再返回的飛行時(shí)間。知道了傳播的速度和飛行的時(shí)間，就可以計(jì)算出距離。在所示例子中，飛行時(shí)間是 3.1 毫秒 (ms)。對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，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(shí)間的一半或 1.75 英尺。

MatBotix Inc. 的 MB1634-000 是一種超聲波接近傳感器，測(cè)量范圍為 5 米（16.4 英尺）。它需要一個(gè) 2.5 至 5.5 伏的電源，工作頻率為 42 kHz，它將到目標(biāo)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(shù)據(jù)流。它針對(duì)目標(biāo)尺寸變化、工作電壓和內(nèi)部溫度（可選擇外部溫度補(bǔ)償）進(jìn)行了補(bǔ)償，所有這些功能都封裝在一個(gè)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(gè)帶有發(fā)射和接收傳感器的超聲波測(cè)距儀組件，范圍為 5 米。（圖片來(lái)源：MaxBotix Inc.）

05 電容式接近傳感器

電容式接近傳感器可以檢測(cè)粉末、顆粒、液體和固體形式的金屬和非金屬目標(biāo)。一個(gè)很好的實(shí)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(yīng)線(xiàn)圈被電容式感應(yīng)板所取代。它們最常用于感應(yīng)儲(chǔ)罐中的液位。

圖 8：在一個(gè)通用的電容式接近傳感器中（左），電容式感應(yīng)板與外部目標(biāo)物體形成一個(gè)電容；電容值決定了振蕩器的頻率。Carlo Gavazzi 的 CD50CNF06NO（右）是一個(gè)用于監(jiān)測(cè)液位的電容式接近傳感器。（圖片來(lái)源：Art Pini）

傳感器中的感應(yīng)板與目標(biāo)物體形成一個(gè)電容，電容隨著與物體的距離變化而變化。感應(yīng)目標(biāo)電容決定了振蕩器的頻率，對(duì)該頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，便可在越過(guò)閾值頻率時(shí)切換輸出狀態(tài)。

CD50CNF06N0 用于監(jiān)測(cè)液位。它是一個(gè)三線(xiàn)傳感器，帶有一個(gè)開(kāi)集 NPN 晶體管，配置為常開(kāi)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(yīng)范圍為 6 毫米（0.24 英寸）。在其常用液位檢測(cè)應(yīng)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(jié)語(yǔ)：

接近傳感器采用的技術(shù)有多種類(lèi)型，適合的應(yīng)用各種各樣。根據(jù)傳感器的類(lèi)型，它們可以探測(cè)金屬和非金屬目標(biāo)，感應(yīng)距離從幾毫米到五米或更遠(yuǎn)。它們足夠緊湊，可以在狹小的空間內(nèi)工作，許多還能夠工作在惡劣環(huán)境中。市場(chǎng)上有一系列技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，為用戶(hù)提供了多種選擇，可滿(mǎn)足無(wú)數(shù)的接近檢測(cè)要求。