磁性接近开关工作原理

　　早先的磁传感器，是伴随测磁仪器的进步而逐步发展的。在众多的测磁方法中，大都将磁场信息变成电讯号进行测量。在测磁仪器中“探头”或“取样装置” 就是磁传感器。随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等等的飞速发展和电子计算机应用的普及，需用大量的传感器将需进行测量和控制的非电参量，转换成可与计算机兼容的讯号，作为它们的输入讯号，这就给磁传感器的快速发展提供了机会，形成了相当可观的磁传感器产业。

　　接近开关是传感器家族中众多种类中的一个，它是利用电磁工作原理，用先进的工艺制成的，是一种位置传感器。它能通过传感器与物体之间的位置关系变化，将非电量或电磁量转化为所希望的电信号，从而达到控制或测量的目的。接近传感器目前所采用的原理有电感式、磁式、光学式、超声式和电容式等。本文介绍了几种常用的接近开关，并对它们的原理与应用进行了说明

　　1．电容式接近开关

　　原理：

　　电容式接近开关的敏感元件由导电极板系统组成，可被视为一个或一组电容，附近出现或经过的导电体和介电体改变极板系统中的静电场分布，从而改变敏感元件的电容。信号处理电路检测出这种变化，就可以检测出目标物体的接近。相比之下，电容式传感器的结构较为简单、工作阻抗高，因而功耗较低，此外通过锁频或频谱扩展载波调制技术，可以使之不受寄生或有意的干扰影响。其他方案则很难达到设计者的要求。

　　机械开关的稳定性和可靠性较差磁敏感方式功耗过大，也容易受外磁场的影响；光学式和超声式传感器的结构较为复杂，容易受外界干扰。

　　2．电感式接近开关

　　原理：

　　电感式接近开关（GDKG）属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC 高频振荡器、信号触发器和开关放大器组成。振荡电路的线圈产生高频交流磁场，该磁场经由传感器的感应面释放出来。当有金属物体接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，就会使该金属物体内部产生涡流，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，当信号触发器探测到这一衰减现象时，便把它转换成开关电信号。由此识别出有无金属物体接近开关，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。

　　3．霍尔式接近开关

　　3.1 原理

　　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。霍尔接近开关就属于这种有源磁/电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用先进的集成封装和组装工艺制作而成，它可方便地把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。 霍尔接近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，开关内部的触发器翻转，霍尔接近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，和电感式接近开关类似的有：NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型（双极性）、双信号输出几种类型。

　　霍尔接近开关是磁性接近开关中的一种，具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌制作成一体化结构，所以能在各类恶劣环境下可靠地工作。它可应用于接近开关、压力开关、里程表等，它是一种新型的电器配件。霍尔式开关比电感式开关响应频率高，它用磁钢触发，电感式用导磁金属触发，霍尔式开关感应距离除了与传感器本身性能有关外，还与所选磁钢磁场强度有关

　　3.2 霍尔接近开关术语解释

　　① 磁感应强度：霍尔接近开关在工作时，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 0.02~0.05 特斯拉。

　　② 响应频率：按规定在 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：分为常开、常闭、锁存等几种类型。例如，当无被检测物体时，常开型的霍尔开关所接通的负载，由于霍尔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。

　　④ 输出形式：分为 NPN、PNP、常开、常闭、多功能等几种常用的形式输出。

　　⑤ 动作距离：动作距离是指被检测物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。

　　3.3 应用实例

　　由于转速信号是以脉冲形式出现的，当被测磁性物体磁场强度达到 25 毫特斯拉以上时，其输出是标准的TTL电平。利用计算机的智能型控制、运算功能，组成的转速表既简单又精确。如用 3020 型霍尔式接近开关，单片机用 8031（它的晶振为 6MHz，经 12 分频后为 0.5MHz），则其测量的最大转速为 0.5MHz，而最小测量转速可无限低。

　　3.4 注意事项

　　① 直流型霍尔接近开关产品所使用的直流电压为 3~28V，其典型的应用范围一般采用 5~24V，过高的电压会引起其内部霍尔元器件参数随电压升高而变化的不稳定性，而过低的电压容易让外界的温度变化影响磁场强度特性，从而引起电路误动作。

　　② 当使用霍尔接近开关驱动感性负载时，请在负载两端并接入续流型二极管，否则会因感性负载长期动作时的瞬态高压脉冲影响霍尔开关的使用寿命。

　　③ 一般霍尔接近开关产品用 SMD 工艺生产制造而成，并经严格的测试合格后才出厂。在一般情况下使用是不会出现损坏现象的，但为了防止意外性事件发生，用户在接通电源前应检查接线是否正确，并核定其电压是否为额定值。