磁性接近开关工作原理 - 全文

　　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。

　　4 ．磁性接近开关

　　4.1 工作原理

　　磁性接近开关能以细小的开关体积达到最大的检测距离。它能检测磁性物体（一般为永久磁铁），然后产生触发开关信号输出。由于磁场能通过很多非磁性物，所以此触发过程并不一定需要把目标物体直接靠近磁性接近开关的感应面，而是通过磁性导体（如铁）把磁场传送至远距离，例如，信号能够通过高温的地方传送到磁性接近开关而产生触发动作信号。 它的工作原理与电感式接近开关类似，其内部包含一个 LC 振荡器、一个信号触发器和一个开关放大器，还有一个非晶体化的、高穿透率的磁性软玻璃金属铁芯，该铁芯造成涡流损耗使振荡电路产生衰减，如果把它放置在一个磁场范围内（例如，永久磁铁附近），此时正在影响振荡电路衰减的涡流损耗会减少，振荡电路不再衰减。因此，磁性接近开关的消耗功率由于永久磁铁的接近而增加，信号触发器被启动产生输出信号。它有广泛的应用，如：可以通过塑胶容器或导管来对物体进行检测；高温环境的物体检测；物料的分辨系统；用磁石辨认代码等。

　　4.2 特点

　　（1）优点

　　① 可以整体安装在金属中。

　　② 对并排安装没有任何要求。

　　③ 顶部（传感面）可以由金属制成。

　　④ 价格低廉，结构简单。

　　⑤ 具有大的感应范围和高的开关频率。

　　（2） 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。

　　5．传感器技术发展趋势

　　随着科学技术的发展，各国对传感技术在信息社会的作用有了新的认识，认为传感器技术是信息技术的关键之一。传感器技术发展趋势之一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器；其二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化。

　　5.1新材料开发

　　传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，使传感器技术越来越成熟，传感器种类越来越多。除了早期使用的材料， 如：半导体材料、陶瓷材料以外，光导纤维以及超导材料的发展，为传感器技术发展提供物质基础。未来将会有更新式材料开发出来，如纳米材料等。最近，美国 NRC公司已开发纳米ZrO2气体传感器。在控制汽车尾气的排放效果很好，应用前景广阔。采用纳米材料制作的传感器具有庞大的界面，提供大量的气体通道，导通电阻很小，有利于传感器向微型化发展。

　　5.2 集成化技术

　　随着LSI技术发展和半导体细加工技术的进步，传感器也逐渐采用集成化技术，实现高性能化和小型化。集成温度传感器、集成压力传感器等早已被使用，今后将有更多集成传感器被开发出来。

　　5.3 多功能集成传感器

　　在一块集成传感器上可以同时测量多个被测量称为多功能集成传感器。80年代末期，日本丰田研究所报导了可以检测Na+，K+和H+多离子传感器。最近国内已经研制硅压阻式复合传感器，可以同时测量温度和压力等。

　　5.4 智能化传感器

　　智能化传感器是一种带微处理器的传感器，兼有检测判断和信息处理功能，例如美国霍尼尔公司的ST-3000型传感器是一种能够进行检测和信号处理的智能传感器，具有微处理器和存贮器功能，可测差压、静压及温度等。智能传感器具有测量、存储、通信、控制等特点.20多年来，智能化传感器有了很大发展，近年来，智能化传感器发展开始同人工智能相结合，创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器，称为软传感技术。它已经在家用电器方面得到利用，相信未来将会更加成熟。智能化传感器是传感技术未来发展的主要方向。

　　随着科学技术的发展，人们会对无损检测提出更高的要求，而首要的是要提高传感器的功能。目前的传感器尽管在响应速度、超高精度、极限检测上超过生物体，但在学习效果上，环境宏观判断力上远不如生物体，尤其是在宏观判断力上，大多数传感器都是只见点，不见面的微观传感，而现代检测需要开发既见点，又见面的具有宏观判断分析能力的智能传感器。不过，要实现这一目标，道路还很漫长。面对21世纪，科学工作者们应转变观念，利用新材料、微电子技术和计算机技术设计新型的智能传感器，这将使材料的无损检测发生一场革命，大大地推动无损检测技术的发展。