工业上常用的检测位置的传感器功能和原理，这些知识你可能不知道

一、电感式接近开关：只能检测金属物体

1. 工作原理

电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。

2.工作流程方框图

术语解释

1. 检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

2. 设定距离： 接近开关在实际工作中整定的距离，一般为额定动作距离的0.8倍。

3. 回差值: 动作距离与复位距离之间的绝对值。

4. 标准检测体： 可使接近开关作比较的金属检测体。

5. 输出状态： 分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的接近开关所接通的负载，由于接近开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

6. 检测方式： 分埋入式和非埋入式。埋入式的接近开关在安装上为齐平安装型，可与安装的金属物件形成同一表面，非埋入式的接近开关则需把感应头露出，以达到其长检测距离的目的。

7.响应频率f： 按规定的1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的次数。

响应时间t： 接近开关检测到物体时间到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。

可用公式换算 t=1/f

8.导通压降： 既接近开关在导通状态时，开关内输出晶体管上的电压降。

以NPN型输出的接近开关为例

9.输出形式： 分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，DC二线，AC二线，AC五线（自带继电器）等几种常用的形式输出。

注意事项

1：当检测物体为非金属时，检测距离要减小，另外很薄的镀膜层也是检测不到的。

2：电感式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。

6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7： 为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附。

二、电容式接近开关

1.工作原理

电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数ε的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度，一般调节电位器使电容式的接近开关在0.7-0.8Sn的位置动作。

2.工作流程方框图

3.安装要求

2.高防水等级的产品均不具备灵敏度调节功能，另外其检测距离为标准值的1/2或1/3，甚至更小。

注意事项

1：电容式接近开关理论上可以检测任何物体，当检测过高介电常数物体时，检测距离要明显减小，这时即使增加灵敏度也起不到效果。

2：电容式接近开关的接通时间为50ms，所以在用户产品的设计中，当负载和接近开关采用不同电源时，务必先接通接近开关的电源。

3: 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的电容式接近开关，在这种情况下，请经过交流继电器作为负载来转换使用。

4: 请勿将接近开关置于200Gauss以上的直流磁场环境下使用，以免造成误动作。

5：DC二线的接近开关具有0.5-1mA的静态泄漏电流，在和一些对DC二线接近开关泄漏电流要求较高的场合下尽量使用DC三线的接近开关。

6：避免接近开关在化学溶剂，特别是在强酸，强碱的环境下使用。

7： 为了使电容式接近开关长期稳定工作，由于其受潮湿、灰尘等因素的影响比较大，请务必进行定期的维护，包括检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有粉尘粘附。

三、红外线光电开关

红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380nm-780nm，发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线。

红外线光电开关（光电传感器）属于光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为

1.漫反射式光电开关

漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

引起理想漫反射的光度分布

局部较强漫反射时的光度分布

2.镜反射式光电开关

镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

3.对射式光电开关

对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。

4.槽式光电开关

槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。

5.光纤式光电开关

光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

术语解释

1.检测距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（光电开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。

2.回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。

3.响应频率：按规定的1秒的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。

4.输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载，由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

5.检测方式：根据光电开关在检测物体时，发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式，镜反射式，对射式等。(详见工作原理说明)

6.输出形式：分npn二线，npn三线，npn四线，pnp二线，pnp三线，pnp四线，AC二线，AC五线（自带继电器），及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的形式输出。

7.指向角：常见GDKG光电传感器的指向角示意图

漫反射式光电开关镜反射式光电开关对射式光电开关

8.防护等级（外壳封装）：

9.表面反射率：对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将是决定接受器接收到光线的强度大小，粗糙的表面反射回的光线必将小于光滑表面反射回的强度，而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。常用材料的反射率参考图如下所示：

材料反射率材料反射率

白画纸90%不透明黑色塑料14%报纸55%黑色橡胶4%餐巾纸47%黑色布料3%包装箱硬纸板68%未抛光白色金属表面130%洁净松木70%光泽浅色金属表面150%干净粗木板20%不锈钢200%透明塑料杯40%木塞35%半透明塑料瓶62%啤酒泡沫70%不透明白色塑料87%人的手掌心75%

10.环境特性：GDKG光电开关应用的环境亦是影响其长期工作可靠性的重要条件。当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至会被一些强酸性物质腐蚀，以至降低使用参数特性，它终究是造成可靠性降低的最大因数，其较简便的解决方法是根据GDKG传感器的最大检测距离（Sn）降额使用来确定最佳工作距离。

四、位移传感器

1. 原理简介

位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。

该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。

该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。

2. 输出特性曲线

五、霍尔开关

一、原理简介

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为

U=K·I·B/d

其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。

由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出之分。

二、内部原理图

三、输入/输出的转移特性

术语解释

1.磁感应强度：霍尔开关在工作时，它所要求磁钢具有的磁场强度的大小。一般磁感应强度值B为0.02-0.05T。

2.响应频率：按规定的1秒的时间间隔内，允许霍尔开关动作循环的次数。

3.输出状态：分常开、常闭、锁存。例如当无检测物体时，常开型的 霍尔开关所接通的负载，由于霍尔开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。

4.输出形式：分NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的形式输出。

5.动作距离: 动作距离是指检测体按一定方式移动时，从基准位置（霍尔开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离。额定动作距离指 霍尔开关动作距离的标称值。

6.回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。

六、磁性开关

磁性开关与其它接近开关的特点比较

优点：

1.传感器可以整体安装在金属中。

2.传感器对并排安装没有任何要求。

3.传感器顶部（传感面）可以由金属制成。

4.传感器具有价格低廉，结构简单。

缺点：

1.动作距离受检测体（一般为磁铁或磁钢）的磁场强度影响较大。

2.检测体的接近方向会影响动作距离的大小

（径向接近是轴向接近时动作距离的一半）。

3.径向接近时有可能会出现两个工作点。

4.检测体在固定时不允许用铁氧体或螺丝钉，只能用非铁质材料。

到底什么是感应距离传感器

在电气和机械的恶劣环境中，对附近物体的线性或旋转位置的非接触式传感是一种常见的系统要求。目前有几种方法可以满足这一目标，包括基于霍尔效应的传感器，磁约束效应和磁耦合。

本文介绍一种广泛的解决方案——感应距离传感，它可以在不与目标物理接触的前提下检测接近传感器的金属目标。它具有高效，准确，坚固等特点。现代电子技术极大地简化了它的实现，并使它在性能、实用性和成本方面更具吸引力。此文介绍关于感应位置传感器和电路的常见问题的解答。

什么是感应?

答:这种感应实际上有三种类型:

高频振荡型，间接利用电磁感应;

磁性型，利用磁铁;

电容型，利用电容的变化。

这里我们只关注第一个。

“间接”是什么意思?

答:电感式传感器不测量电感本身。 取而代之的是，他们利用金属靶上磁场的电磁感应以及空芯变压器的特性(法拉第定律)。传感器的定位是由导电目标引起的磁场干扰。金属靶材不一定是磁性的;铝等有色金属也能发挥作用。

这些传感器用在哪里?

答:它们用于许多工业和其他具有挑战性的环境中。最常见的应用之一是通过感知齿轮齿来测量电机转子的位置和旋转。这些传感器广泛应用于汽车领域，特别是发动机罩或发动机附近。

这个传感器长啥样?

答: 它看起来像一个标准螺栓，它们有不同的直径，不同的范围和灵敏度。这种传感器的螺丝在一个标准的螺纹孔，然后可以牢固地连接到一个支架或外壳与配套的螺母或螺母，所以易于安装。

Monarch Instruments公司P5-11接近传感器是一款坚固耐用的工业探头式感应传感器;它的设计用于从0.5英寸(5mm)到0.5英寸(12mm)的金属靶(如螺栓头或轴锁键)的0.2英寸(5mm)，转速为1至60000转/分钟。它测量1.33″长x 0.55″直径(34 x 14毫米)，需要5.0到24 VDC在3毫安，并配有2米电缆。

这个是如何工作的?

答: 大致原理是：振荡电路中的线圈L产生高频磁场。当一个目标靠近磁场时，由于电磁感应，一个感应涡流在目标中流动。当目标接近传感器时，感应电流增加，这导致振荡电路上的负载增加。然后，振荡减弱或停止。传感器通过振幅检测电路检测振荡状态的这种变化，并输出检测信号。

如下图所示，有一个初级线圈被一个频率激发(通常在1到5兆赫兹之间)来产生磁场，两个次级线圈用来检测这个磁场。反过来，利用法拉第定律，这些线圈把磁场转换成电压。放置在磁场中的金属靶会产生与磁场相反的涡流，增加感应器电流流量，改变感应关系。

这种变化具有衰减振荡的作用。传感器通过振幅检测电路检测这种变化和振荡状态的衰减。两个接收线圈检测不同的电压，目标的位置可以通过两个接收线圈电压的比值来确定。 阈值电路然后产生输出信号时，这个比率超过一些预设的限制。

这个传感器的其他特性是什么?

答:坚固可靠:它是完全封闭的。此外，与直线位移传感器LVDT类似，该传感器本身是一组导线回路或线圈，这意味着工作温度范围宽，抗冲击，并能承受环境应力。

一致和可重复的性能:基本设计坚固耐用，并且通过适当的电路，所获得的信号也将在信号强度和阈值上保持一致。

尺寸紧凑和易于安装:传感头可以封装在更大的“螺栓”甚至小的螺钉中，这使得放置更加容易。传感头在一端，导线在另一端，这有利于放置和布线，该传感器的长度可以从5mm到600mm不等。

灵敏度:根据设计的具体情况，传感器可以很容易地探测到接近一毫米或更小的目标。分辨率的一致性也相当高，在亚毫米甚至千分尺范围内。

读数不受污垢和碎片影响:同样，简单的机械外壳将没有的东西挡在外面，读数不受非金属环境的影响。

高抗电磁干扰:这些传感器的许多应用都涉及到电机和大电流，比如混合动力汽车和电动汽车(牵引电机有几百安培)，这两种传感器都会产生强烈的杂散磁场。传感器的双线圈设计意味着它的感知能力是不同的，大多数干扰磁场在传感器接收端会自我抵消。

有不同的架构和实现吗?

A:基本有三种:

1)传感器中只有磁性元件。这将电子器件与传感线圈分离开来，并提供了最小、最坚固的传感器，

螺纹组件可仅具有前端传感器和独立的电子设备。

2)前端振荡器和感知信号放大器位于传感器中，放大后的信号通过电缆传递到附加电子设备进行进一步的调节和格式化。

3)此外，还可以将整个信号链并入传感器组件本身;有些版本甚至将条件模拟信号数字化。

决定使用哪种样式取决于安装细节、应用程序、成本、性能、易用性以及等诸多因素。还有一些与使用现有遗留安装相关的问题，这三种类型仍在广泛使用。

感应模式有方向性吗?

答:没有，传感器基本上是全向的，这在某些情况下是可取的，但在另一些情况下则不然。对于需要方向性的情况，解决方案是用磁屏蔽传感器，

选择感应式传感器时要评估哪些参数?

答:除了尺寸，灵敏度还需要与应用程序相匹配。它通常被指定为将触发传感器输出到一块1毫米厚的正方形铁片(Fe 37型)的最大距离，其侧面尺寸等于感测面直径。但也会存在滞后性、可重复性等相关问题。其他考虑因素包括：工作频率、功率和电流要求，以及接口类型和格式。

灵敏度和滞后是用来表征传感器性能的指标之一。

一个传感器多少钱?

答:一个基本的传感器的价格从10美元到15美元不等，根据尺寸、精度、坚固性等级、嵌入式电子设备的数量和其他因素的不同，价格可能高达数百美元。

使用电感式传感器的电路复杂吗?

答:与许多传感器电路一样，基本设计很简单。然而，实现准确、一致和稳定的性能可能是一个挑战。

这是如何做到的?

答: 在集成电路还没有出现之前，它的固有能力就是使用电路技术，使得复杂的拓扑结构可以很容易地实现。IC不仅提供了易用性、基本功能和增强的性能，还提供了其他有利于用户的功能和特性。这类供应商包括Microchip、瑞萨和德州仪器。

电感式传感器在工程师的传感器选项中是一个重要的组件，因为它易于使用，坚固耐用，高效，精确，易于安装。像它的兄弟LVDT，它可以在许多尺寸，灵敏度和电气选择，在无数的应用程序里是非常值得考虑的。

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