接近传感器解析，接近传感器工作原理、主要功能及其应用

　　接近传感器，是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。能检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。在换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式、捕测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式、利石和引导开关的方式。

　　接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件，它利用位移传感器对接近的物体具有敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号，因此，通常又把接近传感器称为接近开关。它是代替开关等接触式检测式检测方式，以无需接触被检测对象为目的的传感器的总称，它能检测对象的移动和存在信息并转化成电信号。

　　在JIS规格中，根据IEC60947-5-2的非接触式位置检测用开关，制定了JIS规格（JIS C 8201-5-2低压开关装置及控制装置、第5控制电路机器及开关元件、第2节接近开关）。在JIS的定义中，在传感器中也能以非接触方式检测到物体的接近和附近检测对象有无的产品总称为“接近开关”，由感应型、静电容量型、超声波型、光电型、磁力型等构成。在本技术指南中，将检测金属存在的感应型接近传感器、检测金属及非金属物体存在的静电容量型接近传感器、利用磁力产生的直流磁场的开关定义为“接近传感器”。

　　接近传感器的工作原理

　　接近传感器又称接近开关，能以非接触方式检测到物体的接近和附近物体的有无，是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。

　　根据检测原理和被测物体的不同，接近传感器主要分为电感式、静电容式两大类。

　　接近传感器工作原理——电感式

　　检测对象：具备产生感应电流的能力，否则不能被检测出来；

　　检测距离：产生感应电流能力越强，检测距离越长。

　　金属磁性强弱不一，利用接近传感器对不同金属的检测距离的不同，把生产线上不同的金属罐分类。

　　接近传感器应用－电容式

　　由于产品中具有不同的静电容量，利用静电容量型接近传感器可以检测出纸盒包装内有无饮品。

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　　接近传感器特点

　　1、由于能以非接触方式进行检测，所以不会磨损和损伤被测物体

　　2、由于采用无接点输出方式，因此寿命延长

　　3、与接触式开关相比，可实现高速响应

　　4、不受检测物体颜色的影响。

　　接近传感器的种类

　　电容式接近传感器电容式接近传感器是一个以电极为检测端的经电电容接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。

　　平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的感应电荷就越多。由于检测电极上的静电电容为 C=Q/V ，所以随着电荷量的增多，使检测电极电容C随之增大。由于振荡电路的振荡频率 与电容成反比，所以当电容C增大时振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。

　　需要注意的是：电容式接近传感器检测的被测物体是金属导体，非金属导体不能用该方法测量。

　　电感式接近传感器

　　电感式接近传感器由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。检测用敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，振荡电路的振荡频率为 。当检测线圈通以交流电时，在检测线圈的周围就产生一个交变的磁场，当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生电涡流而吸收磁场能量，使检测线圈的电感L发生变化，从而使振荡电路的振荡频率减小，以至停振。振荡与停振这两种状态经监测电路转换为开关信号输出。

　　需要注意的是：与电容式接近传感器相同，电感式接近传感器检测的被测物体也是金属导体，非金属导体不能用该方法测量。振幅变化随目标物金属种类而不同，因此检测距离也随目标物金属的种类而不同。

　　光电式接近传感器

　　光电式接近传感器中，发光二极管（或半导体激光管）的光束轴线和光电三极管的轴线在一个平面上，并成一定的夹角，两轴线在传感器前方交于一点。当被检测物体表面接近交点时，发光二极管的反射光被光电三极管接收，产生电信号。当物体远离交点时，反射区不在光电三极管的视角内，检测电路没有输出。一般情况下，送给发光二极管的驱动电流并不是直流电流，而是一定频率的交变电流，这样，接收电路得到的也是同频率的交变信号。如果对接收来的信号进行滤波，只允许同频率的信号通过，可以有效地防止其他杂光的干扰，并可以提高发光二极管的发光强度。［3］

　　优点特点

　　① 由于能以非接触方式进行检测，所以不会磨损和损伤检测对象物。

　　② 由于采用无接点输出方式，因此寿命延长（磁力式除外）采用半导体输出，对接点的寿命无影响。

　　③ 与光检测方式不同，适合在水和油等环境下使用检测时几乎不受检测对象的污渍和油、水等的影响。此外，还包括特氟龙外壳型及耐药品良好的产品

　　④ 与接触式开关相比，可实现高速响应

　　⑤ 能对应广泛的温度范围

　　⑥ 不受检测物体颜色的影响对检测对象的物理性质变化进行检测，所以几乎不受表面颜色等的影响

　　⑦ 与接触式不同，会受周围温度的影响、周围物体、同类传感器的影响包括感应型、静电容量型在内，传感器之间相互影响。因此，对于传感器的设置，需要考虑相互干扰。此外，在感应型中，需要考虑周围金属的影响，而在静电容量型中则需考虑周围物体的影响。

　　接近传感器的主要功能及其应用

　　接近传感器具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。 被广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。

　　在讲述接近传感器的应用之前，我们先来了解一下，它所具备的一些主要功能：

　　1、检验距离

　　检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。

　　2、尺寸控制

　　金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长度；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体积。

　　3、检测物体存在有否

　　检测生产包装线上有无产品包装箱；检测有无产品零件。

　　4、转速与速度控制

　　控制传送带的速度；控制旋转机械的转速；与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。

　　5、计数及控制

　　检测生产线上流过的产品数；高速旋转轴或盘的转数计量；零部件计数。

　　6、检测异常

　　检测瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有无标牌检测；起重机危险区报警；安全扶梯自动启停。

　　7、计量控制

　　产品或零件的自动计量；检测计量器、仪表的指针范围而控制数或流量；检测浮标控制测面高度，流量；检测不锈钢桶中的铁浮标；仪表量程上限或下限的控制；流量控制，水平面控制。

　　8、识别对象

　　根据载体上的码识别是与非。

　　9、信息传送

　　ASI（总线）连接设备上各个位置上的传感器在生产线（50－100米）中的数据往返传送等。

　　目前，接近传感器在航空航天、工业生产、交通运输、消费电子等各行各业的领域中都有广泛的应用，下面介绍几种典型的应用场景，以便能为你在接近传感器的应用设计中打开一些思路。

　　人体接近传感器在ATM取款机监控中的应用

　　人体接近传感器是一种用于检测人体接近的控制器件， 可准确探知附近人物的靠近，是目前作为报警和状态检测的最佳选择。它的传感部分对附近人物移动有很高的检测灵敏度，且对周围环境的声音信号抑制，具有很强的抗干扰能力。内部采用微电路芯片作程控处理，具有较高探测灵敏度和触发可靠性，探测与控制两部分合二为一，守候功耗低，开关信号输出，直接触发报警录像。

　　由于对人体感应的灵敏度是连续可调的，这使得人体接近传感器可以适用于很多不同的场合。在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通常都装有由各种接近传感器组成的防盗装置。

　　接近传感器在飞机起落架系统中的应用

　　航空动力装置、起落架系统、导航系统是航空公司上报的航空器使用困难报告数据中位列前三的系统。其中，起落架系统故障易造成飞机返航、备降等不正常事件，给公司带来经济损失，给航空安全带来隐患。

　　在一般的空客飞机起落架控制系统中，通常采用的是数字电传控制系统。其基本原理便是将传感器信号送给控制盒（控制计算机），经过综合运算比较后发出指令给执行机构，控制环节为余度控制。

　　现代民用飞机起落架收放包括正常收放和应急释放两套系统。起落架控制系统在操纵方式上使用电传操纵，且与其他系统实现交联，广泛采用感应式接近传感器用于检测起落架的位置。

　　每个起落架起主要作用的传感器有两个，即收上锁传感器和放下锁传感器，分别用于收上和放下锁好时接通传输位置信号。该类型传感器为磁阻型接近传感器，主要由两部分组成：传感器主体和传感器激励片。

　　传感器主体将电能转换成磁场，激励片主要起到增大导磁率的作用。当起落架与激励片接近到一定距离时导磁率增加，传感器发出信号警告组件指示起落架位置。它们之间的距离直接影响到指示的准确程度，一般调节要求也比较严格。此外，不同机型略有差别，调节时还需参看该机型的AMM手册。

　　用感应式接近传感器检测起落架的位置，提高了传感器寿命。此外，通过控制计算机方便地实现了与航空电子系统的信息传输与信息共享。

　　接近传感器在铁轨道口监测中的应用

　　在所有的铁路事故中，列车相撞占到很大一部分，且常常后果严重。利用接近传感器对交叉道口过往列车监测，成为提高铁路安全性措施中非常重要的一个环节。

　　在实际应用中利用接近传感器非接触式位置测量的特点，可以将它们分别对称地安装在交叉口铁轨的两端。当有列车经过时，铁轨两端的接近传感器能够检测到各自端车轮经过时引起的变化。通过道口监测微处理系统对各传感器信号进行分析，可以判断车辆行驶的方向及穿越时的状态（通过与否、是否停留）。最终，以线缆或者无线通信的方式，将信息发送到交管控制中心，以便对列车进行调运。

　　接近传感器在自动包装机械中的应用

　　机械化生产制造催生了对自动包装技术的需求，人工包装的方式已远远不能满足批量生产作业。自动包装机械能够在控制系统的引导下完成一系列物品的包装工艺流程，提高了产品包装效率，降低了包装成本，但仍然免不了会出现纰漏。为此，自动包装检测成为保证包装质量的一个重要环节。其中对于包装过程中含铁磁类物质的情况，利用接近传感器进行非接触检测是常采用的一种方式。

　　接近传感器内部的能产生交变磁场的线圈，当被检测铁磁物处于该环境下时，便会因电磁感应原理作用而在内部形成涡电流。当涡电流所产生的磁场足够大时便会反过来改变接近传感器原有电路参数，从而产生信号输出。因此，利用接近传感器能识别附近一定范围是否存在含磁性或者易磁化的物质。在一些自动包装过程中，如巧克力金属箔纸包装，通过接近传感器对磁性物质存在性的检测，可以判断是否出现包装错误或工序遗漏的不合格产品，进而提高包装质量。

　　接近传感器在机器人手夹持器中的应用

　　机器人手夹持器是一种具有多个自由度，可灵巧抓取物体的机械结构部件。可用于各种工业自动化生产、装配和操作中， 可在高风险环境下执行信息探测、物品收集和侦查、排爆等任务。机器人手夹持器一般多采用钳形结构，以开、合的方式来夹取物体。因此，“钳口”开合度的精确测量和控制，是直接影响夹取过程成功与否的关键性因素。

　　由于接近传感器能够感应距离和位置的变化，所以，也是机器人手夹持器中，测量开合情况的常用传感器件，它利用磁场的变化与被测金属部件的相对位置关系来进行测量。通常传感器被安装在夹持器的其中一个夹钳上，在夹取物体时，接近传感器能够通过感应磁场的大小变化而判断两者（夹钳）距离的远近。从而可与设定值进行比较，调节手夹持器开度的大小，避免抓空或损坏物件。

　　电容式接近传感器在汽车电子中的应用

　　汽车电子应用领域对接近检测传感器的需求一直在稳步攀升，接近检测在汽车电子行业的可能应用是无限的，例如：

　　汽车门禁控制：检测手靠近门把，进而启动开锁程序

　　当手掌靠近屏幕表面时，就能照亮和唤醒触摸屏

　　在手掌靠近传感器时，就能打开／关闭车内照明灯

　　通过检测手掌在空中的简单动作来打开／关闭设备

　　在停车过程中检测汽车周围的大障碍物

　　针对各种不同的汽车电子应用需求，有多种接近检测方法，如电容感测、红外、超声波、光学等。对从5mm到300mm范围的接近检测，电容式感测技术相对其它技术而言有许多优势：出色的可靠性、简单的机械设计、低功耗和低成本。

　　电容式接近检测的一个示例是在汽车门禁系统中的应用（见下图）。检测人手靠近的接近传感器位于车门把手（1）内。一旦检测到有物体靠近，主控单元（2）通过低频天线（3）发送一个唤醒信号；该信号激活汽车钥匙发送器（4）。汽车钥匙发送器于是与RFID接收器（5）交换信息；如果编码信息与主控单元（2）匹配，汽车门锁就打开。接近检测和ID识别的整个过程约几分之一秒。这意味着当手拉门把时，门锁已经打开了。

　　相比于触摸检测，在汽车门禁系统中使用接近检测的优势在于它能够在识别车主的时间上抢先，其结果是拉门之前，门锁就已经处于打开状态。

　　检测空间手势用于打开或关闭设备，也是汽车电子中常见应用。同时使用两个或多个电容式接近传感器，就可以通过检测手掌在空中的简单动作（如在被检设备前挥手）来打开或关闭设备。下图所示为使用这样的系统来开／关汽车内照明的简单例子。对着灯向某一个方向挥手是打开灯，向反方向挥手则是关灯。该系统能够分析接近传感器的信号，确定手势指示开灯，还是关灯。

　　在电灯内设计传感电极有许多不同的方法，从使用细铜线到采用可直接附着在塑料上的导电聚合物都有。

　　接近开关传感器在屏蔽门上的应用

　　为了安全，地铁屏蔽门越来越多地被地铁站台所使用。接近开关传感器将会大量投入屏蔽门的技术应用中，地铁事故将会在传感器的应用中降到最低。

　　目前屏蔽门系统用来检测开门与关门的常用方案，一般是通过两个接近开关来检测门的开启和关闭。由于接近传感器能以非接触方式进行检测，所以不会磨损和损伤检测对象物。这也是它适合在地铁上安装的一个主要原因，随着接近传感器性能进一步提高，它将应用于更多的场合，未来不仅仅是地铁门，在公交等其它屏蔽门上都会有广泛的应用。

　　接近传感器在触摸屏手机中的应用

　　接近传感器运用MEMS技术，在智能手机中得到了普及。

　　触摸屏手机流行之初，用户们就发现了触摸屏的一个缺陷：当我们用最常见的姿势接起电话时，往往脸部会碰到触摸屏幕上，无意中点击到了挂机键或者免提键，造成不必要的尴尬。于是，手机厂商利用MEMS技术，将MEMS接近传感器设计进了触摸屏手机，在接电话的时候自动锁屏，避免误触发。另外，锁屏的同时还可以关掉背光，可以有效节能，延长待机时间。

　　智能手机就是运用了MEMS环境光感器和接近传感器：即环境光检测（根据传感器的照度用受光部检测的光量来判断周围的明暗）与接近检测（从具备传感器的发光源放射的光线照射到测量对象上，根据反射到传感器的接近用受光部的光量来判断距离测量对象的远近）。

　　环境光传感器可以优化调节LED背景灯的照明，这样不管是在昏暗的电影院还是光照充足的室外，在任何环境下我们的手机都能自我调节到适合的亮度。接近传感器可以在接听电话的时候关掉触屏，这样我们就不会触到屏幕上的按键导致突然挂断电话或者点开其他功能了。

　　新技术的创新改变了接近传感器，在普遍应用于工业自动化控制的接近传感器，如今更在智能化、小型化、集成化的技术升级中应用于更广阔的领域。