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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块九、小位移检测模块九、小位移检测 课件统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或或 2015年年2月第月第1版版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）12/4/20221模块九、小位移检测模块九、小位移检测 内容简介内容简介简要介绍简要介绍“位移检测的基本概念位移检测的基本概念”、“电感式小位电感式小位移传感器移传感器”、“涡流式小位移传感器涡流式小位移传感器”、“接近开接近开关关”等知识，对等知识，对轴承滚柱直径的检测及分选轴承滚柱直径的检测及分选也作也作了介绍
2、。了介绍。現在時間現在時間是：是：15:5715:5712/4/20222模块九、小位移检测（下）模块九、小位移检测（下）目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入知识链接知识链接 位移检测的基本概念位移检测的基本概念项目一、电感式小位移传感器项目一、电感式小位移传感器项目二、涡流式小位移传感器项目二、涡流式小位移传感器项目三、接近开关项目三、接近开关拓展阅读拓展阅读 轴承滚柱直径的检测及分选轴承滚柱直径的检测及分选現在時間現在時間是：是：15:5715:5712/4/20223项目三项目三 接近开关接近开关【项目教学目标项目教学目标】知识目标知识目标1了解接近开关的分类与结构。了解接近开关的分
3、类与结构。2掌握三种常用接近开关的特性及工作原理。掌握三种常用接近开关的特性及工作原理。技能目标技能目标掌握接近开关的应用。掌握接近开关的应用。回目录回目录12/4/20224任务一任务一 认识接近开关认识接近开关接近开关又称接近开关又称无触点行程开关无触点行程开关。它能。它能在一定的距离在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与当物体与其接近到设定距离时，发出其接近到设定距离时，发出“动作动作”信号信号，不需要施加，不需要施加机械力。机械力。给出的是开关信号（高电平或低电平），能直给出的是开关信号（高电平或低电平），能直接驱动中间继电器
4、接驱动中间继电器。接近开关的核心部分是接近开关的核心部分是“感辨头感辨头”。涡流探头能感涡流探头能感辨金属导体辨金属导体的靠近与否。的靠近与否。多数接近开关已将感辨头和测多数接近开关已将感辨头和测量转换电路做在同一壳体内量转换电路做在同一壳体内，壳体上多带有螺纹或安装，壳体上多带有螺纹或安装孔，便于安装和调整与被测物的距离。孔，便于安装和调整与被测物的距离。接近开关还可以用于接近开关还可以用于高速计数和测速高速计数和测速，测量物位和液测量物位和液位位，无触点按钮无触点按钮等。等。12/4/20225一、常用接近开关的分类一、常用接近开关的分类（1）电感式接近开关（）电感式接近开关（实际工作原理
5、是涡流效应实际工作原理是涡流效应）：）：只对导电良好的金属起作用只对导电良好的金属起作用。电感式接近开关对铁镍、。电感式接近开关对铁镍、A3钢类具有磁滞特性的金属灵敏度较高，对铝、黄铜等钢类具有磁滞特性的金属灵敏度较高，对铝、黄铜等金属的灵敏度较低。金属的灵敏度较低。（2）电容式接近开关：对接地的金属或地电位的导电）电容式接近开关：对接地的金属或地电位的导电物体起作用（但不常用），物体起作用（但不常用），对非地电位的导电物体对非地电位的导电物体灵敏度稍差（常用）灵敏度稍差（常用）。（3）干簧管：只对磁性较强）干簧管：只对磁性较强的物体起作用（见模块十）的物体起作用（见模块十）。（4）霍尔式接近
6、开关：）霍尔式接近开关：只对只对磁性磁性或或导磁性导磁性物体起作用物体起作用。12/4/20226二、接近开关的特点二、接近开关的特点与机械行程开关相比，接近开关具有如下特点：与机械行程开关相比，接近开关具有如下特点：1）非接触检测，不影响被测物的运行工况。）非接触检测，不影响被测物的运行工况。2）定位准确度高。）定位准确度高。3）不产生机械磨损和疲劳损伤，耐腐蚀，动作频率）不产生机械磨损和疲劳损伤，耐腐蚀，动作频率高，工作寿命长。高，工作寿命长。4）响应快，约几毫秒至十几毫秒。）响应快，约几毫秒至十几毫秒。5）采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可）采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工
7、作可靠性强。靠性强。6）无触点、无火花、无噪声，可适用于要求防爆的）无触点、无火花、无噪声，可适用于要求防爆的场合（防爆型）。场合（防爆型）。7）易于与）易于与PLC或其他上位机连接。或其他上位机连接。8）体积小，安装、调整方便。）体积小，安装、调整方便。9）缺点是）缺点是“触点触点”容量较小，负载短路时易烧毁。容量较小，负载短路时易烧毁。12/4/20227三、接近开关的主要技术指标三、接近开关的主要技术指标（1）动动作作距距离离：当当被被测测物物由由正正面面靠靠近近接接近近开开关关的的感感应应面面时时，使使接接近近开开关关动动作作（输输出出状状态态变变为为有有效效状状态态）的的距离为接近开
8、关的动作距离距离为接近开关的动作距离min（单位为（单位为mm，以下同）。，以下同）。（2）复复位位距距离离：当当被被测测物物由由正正面面离离开开接接近近开开关关的的感感应应面面，接接近近开开关关转转为为复复位位状状态态（输输出出状状态态变变为为无无效效状状态态）时时，被被测测物物离离开开感感应应面面的的距距离离就就是是复复位位距距离离max。同同一一个接近开关的复位距离大于动作距离。个接近开关的复位距离大于动作距离。（3）动动作作滞滞差差：动动作作滞滞差差是是指指复复位位距距离离与与动动作作距距离离之之差差。动动作作滞滞差差越越大大，对对抗抗被被测测物物抖抖动动等等造造成成的的机机械械振振动
9、干扰的能力就越强动干扰的能力就越强，但，但动作准确度就越差动作准确度就越差。12/4/20228三、接近开关的主要技术指标（续）三、接近开关的主要技术指标（续）（4）重复定位准确度（重复性）：表征多次测量的重复定位准确度（重复性）：表征多次测量的动作距离平均值动作距离平均值。其数值的离散性一般为最大动作距离其数值的离散性一般为最大动作距离的的1%5%。将被测金属板固定在千分尺上，由动作距。将被测金属板固定在千分尺上，由动作距离离120%以外逐渐沿接近开关感应面轴向靠近接近开关以外逐渐沿接近开关感应面轴向靠近接近开关的的“动作区动作区”，运动速度控制在，运动速度控制在0.1mm/s。当接近开关动
10、作时，读出千分尺的读数，然后当接近开关动作时，读出千分尺的读数，然后反向退反向退出动作区，使接近开关复位。重复出动作区，使接近开关复位。重复10次次，计算计算10次测量次测量值的最大值和最小值，再逐一与值的最大值和最小值，再逐一与10次平均值做减法，最次平均值做减法，最大差值即为重复定位准确度大差值即为重复定位准确度。重复定位的离散性越小，重复定位的准确度就越高。重复定位的离散性越小，重复定位的准确度就越高。12/4/20229三、接近开关的主要技术指标（续）三、接近开关的主要技术指标（续）（5）响应频率：也称动作频率，是指）响应频率：也称动作频率，是指每秒连续不断每秒连续不断地进入接近开关的
11、动作距离后又离开的被测物最大个数地进入接近开关的动作距离后又离开的被测物最大个数或次数值或次数值。若接近开关的动作频率太低而被测物又运动若接近开关的动作频率太低而被测物又运动得太快时，接近开关就来不及响应物体的运动状态得太快时，接近开关就来不及响应物体的运动状态，有，有可能造成漏检。可能造成漏检。（6）额定工作距离）额定工作距离0：指被测金属板从侧向（径向）：指被测金属板从侧向（径向）接近式接近开关在实际使用中被设定的接近式接近开关在实际使用中被设定的安装距离安装距离。在此在此距离上，接近开关不应受温度变化、电源波动等外界干距离上，接近开关不应受温度变化、电源波动等外界干扰而产生误动作扰而产生
12、误动作。额定工作距离。额定工作距离0一定是小于一定是小于动作距离动作距离min。实际应用中，考虑到各方面环境因素干扰的影响，。实际应用中，考虑到各方面环境因素干扰的影响，通常通常将额定工作距离设定为动作距离的将额定工作距离设定为动作距离的75%。12/4/202210任务二任务二 电感式电感式(涡流原理涡流原理)接近开关的应用接近开关的应用一、电感式接近开关的规格及接线方式一、电感式接近开关的规格及接线方式1电感式接近开关的结构形式电感式接近开关的结构形式图图9-21a的形式便于调整与被测物之间的间距。图的形式便于调整与被测物之间的间距。图9-21b、c的形式可用于板材的检测，的形式可用于板材
13、的检测，图图9-21d、e可用于线可用于线材的检测。材的检测。图图9-21 电感式接近开关的几种结构形式电感式接近开关的几种结构形式a）圆柱形（非齐平式）圆柱形（非齐平式）b）平面安装型）平面安装型 c）矩形）矩形 d）槽形）槽形 e）贯穿型）贯穿型12/4/202211调幅式电感调幅式电感(涡流涡流)接近开关原理框图接近开关原理框图调幅式（鉴幅式）检测电路：调幅式（鉴幅式）检测电路：以输出高频信号的幅度以输出高频信号的幅度来反映涡流探头与被测金属导体之间的关系来反映涡流探头与被测金属导体之间的关系。当被测金属与接近开关探头的距离小于设定值时，当被测金属与接近开关探头的距离小于设定值时，振振荡
14、电路停振荡电路停振。接近开关动作接近开关动作，输出开关量信号输出开关量信号。12/4/202212涡流线圈的直径越大，探测范围就越大涡流线圈的直径越大，探测范围就越大（涡流探雷器）（涡流探雷器）12/4/2022132 2被测金属体接近电感式接近开关的方式被测金属体接近电感式接近开关的方式（1）轴轴向向接接近近：被被测测金金属属体体a沿沿图图9-22a中中接接近近开开关关的的轴轴线线，从从左左侧侧逐逐渐渐靠靠近近接接近近开开关关（见见图图9-22a中中的的x位位移移），金金属属板板上上的的涡涡流流逐逐渐渐增增大大，当当两两者者的的距距离离达达到到min时，接近开关动作时，接近开关动作；当当两者
15、的距离再次远达两者的距离再次远达max时，接近开关复位时，接近开关复位。图图9-22a NPN型三线制电感接近开关原理框图型三线制电感接近开关原理框图 12/4/202214（2 2）侧向接近（径向接近）侧向接近（径向接近）被被测测金金属属体体b的的平平面面与与接接近近开开关关的的端端面面空空间间距距离离保保持为持为“安装距离安装距离”0（约为（约为xmin的的70%）；被被测测金金属属体体b从从图图9-22a中中的的下下方方逐逐渐渐靠靠近近接接近近开开关关（见见图图9-22b中中的的y位位移移）。当当被被测测金金属属体体b的的顶顶部部进进入入“动动作作区区”（见见图图9-22b中中的的细细斜
16、斜线线范范围围）后后,接接近近开开关动作关动作；当被测金属体当被测金属体b继续往继续往上移处于动作区时上移处于动作区时,接近接近开关保持动作状态；开关保持动作状态；当被测金属体当被测金属体b继续上移，继续上移，直到其下端离开动作区后，直到其下端离开动作区后，接近开关复位接近开关复位(放大图见后页放大图见后页)12/4/202215图图9-22 NPN型三线制电感接近开关的原型三线制电感接近开关的原理、特性及接线理、特性及接线b）x、y方向的两种接近方式方向的两种接近方式c）齐平式）齐平式NPN型、型、OC门常开输出电路门常开输出电路12/4/202216图图9-22b9-22b：接近方式接近方
17、式、c c：电路：电路、d d：特性放大图：特性放大图轴向接近轴向接近 侧向侧向接近接近 12/4/2022173 3NPNNPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项型电感式接近开关的接线及使用注意事项三三线线制制接接线线方方式式：棕棕色色引引线线接接电电源源正正极极VCC（1835V）；蓝蓝色色引引线线电电源源负负极极（接接地地）；黑黑色色引引线线接接输输出端出端。接接近近开开关关有有常常开开、常常闭闭之之分分；按按触触点点型型式式可可分分为为：继电器输出型继电器输出型和和OC门（集电极开路输出门）门（集电极开路输出门）。继继电电器器的的触触点点的的耐耐压压高高，电电流流容容量量较较大大，不
18、不易易烧烧毁毁，但但响响应应慢慢。OC门门的的动动作作时时间间可可小小于于0.1ms。OC门门的的输输出出 又又 有有“PNP型型”和和“NPN型型”之分。之分。12/4/2022183 3NPNNPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项型电感式接近开关的接线及使用注意事项（1）复复位位状状态态：当当被被测测金金属属物物体体远远离离接接近近开开关关时时，UB=0，OC门门的的基基极极电电流流IB=0，NPN晶晶体体管管构构成成的的OC门门截截止止，OUT端端为为高高阻阻态态（接接入入负负载载或或上上拉拉电电阻阻后后为为接接近近电源电压的高电平）。电源电压的高电平）。（2）动动作作状状态态：当当
19、被被测测金金属属体体逐逐渐渐靠靠近近接接近近开开关关，到到达达动动作作距距离离min时时，OC门门的的输输出出端端对对地地导导通通，OUT端端对对地地为为低低电电平平（约约0.3V）。将将中中间间继继电电器器KA跨跨接接在在VCC与与OUT端之间时，端之间时，KA线圈得电，转变为吸合状态。线圈得电，转变为吸合状态。12/4/202219请按请按NPNNPN常常开型接近开型接近开关的开关的接接线图，将线图，将各元件正各元件正确地连接确地连接起来。起来。12/4/202220请按请按NPNNPN常开常开型接近开关型接近开关的的接线图，接线图，将各元件正将各元件正确地连接起确地连接起来。来。接线完成
20、接线完成开始接线开始接线12/4/202221NPNNPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项型电感式接近开关的接线及使用注意事项(续续)当当被被测测物物体体再再次次逐逐渐渐远远离离接接近近开开关关，到到达达复复位位距距离离max时，时，OC门再次截止，门再次截止，KA线圈失电。线圈失电。（3）施施密密特特特特性性：为为接接近近开开关关的的动动作作滞滞差差（也也称称为为“动动作作回回差差”）。回回差差越越大大，抗抗机机械械振振动动干干扰扰的的能能力力就越强就越强。建建 议议 安安 装装 距距 离离”0为为min的的70%。12/4/202222NPNNPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项型
21、电感式接近开关的接线及使用注意事项(续续)（4）续续流流二二极极管管：用用于于保保护护OC门门。工工作作过过程程中中，若若续续流流二二极极管管VD未未接接或或虚虚焊焊，在在接接近近开开关关复复位位的的瞬瞬间间，KA突突然然断断电电，带带有有铁铁心心的的KA线线圈圈将将产产生生较较大大的的感感应应电电压（也称过电压，压（也称过电压，e=-L di/dt），），有可能将有可能将OC门击穿。门击穿。12/4/202223NPNNPN型电感式接近开关的接线及使用注意事项型电感式接近开关的接线及使用注意事项(续续)（5）过过电电流流保保护护：工工作作过过程程中中，若若流流过过接接近近开开关关的的负负载载
22、端端口口的的电电流流超超过过额额定定值值，有有些些型型号号的的接接近近开开关关背背面面红红色色“工工作作指指示示灯灯”LED会会产产生生“过过电电流流闪闪烁烁”。过过电电流流越越大大，闪闪烁烁越越快快；过过电电流流排排除除后后，停停止止闪闪烁烁，恢恢复复稳稳定的红色指示。定的红色指示。（6）其他输出型式的接近开关：有的厂商会）其他输出型式的接近开关：有的厂商会将接近将接近开关的开关的“常开常开”和和“常闭常闭”信号同时引出，属于四线式信号同时引出，属于四线式。两线制接近开关：当被测物到达额定距离时，接近开两线制接近开关：当被测物到达额定距离时，接近开关的工作电流突然增大关的工作电流突然增大。A
23、SI总线式输出类型：可以在一对总线上最多搭接总线式输出类型：可以在一对总线上最多搭接256个接近开关，在个接近开关，在250m范围内进行串行通信范围内进行串行通信，大大减，大大减少了电缆线的数量。少了电缆线的数量。12/4/202224PNP常开型常开型接近开关的电路接近开关的电路 PNP型型接接近近开开关关称称为为电电流流流流出出型型开开关关，当当被被测测物物体体未未靠靠近近接接近近开开关关时时，PNP晶晶体体管管（OC门门）截截止止，OUT端端为为高高阻阻态态（悬悬空空），接接入入负负载载后后，负负载载上上端端与与地地线线等电位，等电位，负载两端没有电压差。负载两端没有电压差。当当被被测测
24、物物体体逐逐渐渐靠靠近近，到到达达动动作作距距离离min时时，PNP型型晶晶体体管管导导通通，输输出出端端相相当当于于接接到到电电源源Vcc，OUT端端对对地地为高电平为高电平(约约Vcc-0.3V)。12/4/202225PNP常开型常开型接近开关的接线接近开关的接线 PNP型型接接近近开开关关的的负负载载（例例如如中中间间继继电电器器）接接在在地地线和线和OUT端之间。端之间。为为了了保保护护OC门门的的集集电电极极不不至至于于在在断断电电的的瞬瞬间间被被电电感感性性负负载载所所产产生生的的过过电电流流所所击击穿穿，必必须须在在电电感感性性负负载载两两端端并联并联续流二极管。续流二极管。1
25、2/4/202226PNP常开型常开型接近开关的施密特特性接近开关的施密特特性 PNP是是电电流流流流出出型型开开关关，负负载载接接在在地地线线和和信信号号线线之之间间。当当被被测测物物体体未未靠靠近近接接近近开开关关时时，PNP晶晶体体管管截截止止，OUT端端为为高高阻阻态态，输输出出端端与与地地线线等等电电位位，负负载载不不得得电电；当当被被测测体体逐逐渐渐靠靠近近，到到达达动动作作距距离离min时时，PNP型型晶晶体体管管导导通通，输输出出端端相相当当于于接接到到电电源源Vcc，OUT端端对对地地为为高高电平电平(约约Vcc-0.3V)。当当被测物体被测物体逐渐远离逐渐远离接近开关接近开
26、关，到达复位距离到达复位距离max时时，PNP晶体管再次晶体管再次截止截止，KA失失电。电。12/4/202227图图9-239-23 接近开关的接线方式接近开关的接线方式a）NPN型常开二线制型常开二线制 b）PNP型常闭二线制型常闭二线制 c）NPN型常开三线制型常开三线制 d）PNP型常开三线制型常开三线制 e）NPN型常开、常闭四线制型常开、常闭四线制 f）PNP型常开、常闭四线制型常开、常闭四线制12/4/202228四线制接近开关的接线说明四线制接近开关的接线说明有的位移传感器同时具备两种动输出状态，可选择有的位移传感器同时具备两种动输出状态，可选择从从高电压向低电压转变高电压向低
27、电压转变、和、和从低电压向高电压转变从低电压向高电压转变两种方两种方式，分别称为式，分别称为NPNNPN和和PNPPNP输出模式，俗称为输出模式，俗称为常开输出常开输出或或常常闭输出闭输出模式。模式。12/4/202229表表9-39-3 LIONPOWER LIONPOWER接近开关的主要技术指标接近开关的主要技术指标参数名参数名称称指指 标标壳体材壳体材料料ABS触点控触点控制功制功率率/W10最大触最大触点电点电压压/VDC 100最小击最小击穿电穿电压压/VAC 250最大触最大触点电点电流流/ADC 1最大接最大接触电触电阻阻/m100最小绝最小绝缘电缘电阻阻/108最大动最大动作时
28、作时间间/ms0.1最大复最大复位时位时间间/ms0.4工作电工作电压压/VDC 83612/4/202230接近开关的主要性能指标接近开关的主要性能指标 额定动作距离额定动作距离、复位距离、工作距复位距离、工作距离、离、动作滞差动作滞差的关的关系。系。12/4/202231二、接近开关与二、接近开关与PLCPLC的接线的接线当当图图9-24中的中的开关开关S闭合（接近开关动作）后，闭合（接近开关动作）后，PLC的输入端有电流，的输入端有电流，PLC面板上的面板上的I/O信号灯信号灯（可见光指（可见光指示二极管示二极管VL）亮。）亮。PLC输入回路输入回路IC1称为称为“光耦光耦”（“光耦合器
29、光耦合器”或或“光电耦合器光电耦合器”的简称）。的简称）。当当图图9-24a中的中的S跳变为低电平后，有电流从跳变为低电平后，有电流从VCC流过流过VL1、VL、Ri、S到到COM端（地线）。端（地线）。(放大图见后页放大图见后页)12/4/202232图图9-24a9-24a NPN NPN型接近开关与型接近开关与PLCPLC的接线的接线a）低电平有效低电平有效的的无源无源输入电路输入电路 12/4/202233NPNNPN型接近开关的输出电路型接近开关的输出电路12/4/202234NPNNPN型接近开关与型接近开关与PLCPLC等设备的接线（续）等设备的接线（续）12/4/202235P
30、LCPLC的的“漏型输入漏型输入”：全部输入信号的一端全部输入信号的一端汇总汇总到输入的公共连接端到输入的公共连接端COM，又称为又称为“汇点输入汇点输入”（例如三菱（例如三菱PLC）接地接地12/4/202236PNPPNP型接近开关的输出电路型接近开关的输出电路12/4/202237PNPPNP型接近开关与型接近开关与PLCPLC等设备等设备的连接电路的连接电路（续）（续）12/4/202238PNP常开型常开型接近开关与接近开关与PLC的接线（续）的接线（续）如如果果外外部部开开关关量量输输入入触触点点的的公公共共端端接接到到了了电电源源的的正正端，这种情况就不能使用端，这种情况就不能使
31、用NPN型接近开关型接近开关。12/4/202239PLCPLC的源型输入：的源型输入：“源型输入源型输入”，是一种由外部提供输入信号电源或使用，是一种由外部提供输入信号电源或使用PLC内部提供给输入回路的内部提供给输入回路的24V电源，全部输入信号为电源，全部输入信号为“有源有源”信号。信号。（例如西门子（例如西门子PLC的输入方式）的输入方式）12/4/202240图图9-24b9-24b PNP PNP型接近开关与型接近开关与PLCPLC的接线的接线b）高电平有效高电平有效的的有源有源输入电路输入电路12/4/202241NPNNPN接近开关与接近开关与PLCPLC的接口工作过程的接口工
32、作过程若光耦中的红外发光二极管有足够的电流通过，就能若光耦中的红外发光二极管有足够的电流通过，就能发出较强的红外线发出较强的红外线，照射到封装在光耦中的光敏晶体管，照射到封装在光耦中的光敏晶体管V集电结上，集电结上，V饱和饱和，发射极电压发射极电压UE=VCC-UCES，为高，为高电平电平。再经施密特整形电路，输入到。再经施密特整形电路，输入到PLC的内部信号处的内部信号处理电路。理电路。光耦在光耦在PLC的输入电路中起到的输入电路中起到“电电光光电电”的转换与传输作用的转换与传输作用。当传感器的输入电路有很大的当传感器的输入电路有很大的对地对地“共模共模”干扰电压干扰电压时，若不使用光耦，共
33、模干扰就能直接窜入时，若不使用光耦，共模干扰就能直接窜入PLC的主控的主控制回路；制回路；若使用光耦，共模干扰电压无法在光耦的红外若使用光耦，共模干扰电压无法在光耦的红外发光二极管中产生电流（或者极其微小）发光二极管中产生电流（或者极其微小），共模干扰就，共模干扰就无法通过光耦传输到无法通过光耦传输到PLC的主控制回路。的主控制回路。光耦在光耦在PLC输输入电路中起到抗电磁共模干扰的作用入电路中起到抗电磁共模干扰的作用。12/4/202242【PLC的输入的输入/输出状态填表训练输出状态填表训练】金属与金属与接近开关接近开关的距离的距离接近接近开关开关状态状态光耦中的光耦中的红外二极红外二极管
34、状态管状态光耦中光耦中的的光敏晶光敏晶体管体管施密特整施密特整形电路形电路输入端输入端施密特整施密特整形电路形电路输出端输出端远远暗暗截止截止低电平低电平近近导通导通低电平低电平12/4/202243三、两线制接近开关与交流接触器的接线三、两线制接近开关与交流接触器的接线图图9-25 常闭型两线常闭型两线制接近开关与制接近开关与380V交交流接触器的接线图流接触器的接线图当按下（或点触）当按下（或点触）按钮按钮SB1时，时，KM线圈线圈得电得电，KM的辅助触点的辅助触点闭合，接触器自锁，闭合，接触器自锁，三三相电动机旋转相电动机旋转。当有金属物体从右当有金属物体从右方逐渐靠近该接近开关方逐渐靠
35、近该接近开关并到达动作距离并到达动作距离min时，时，常闭式接近开关的内部常闭式接近开关的内部继电器触点断开继电器触点断开，KM线圈失电，三相电动机线圈失电，三相电动机停转。停转。12/4/202244电动机的交流接触器电路电动机的交流接触器电路12/4/202245四、电感式接近开关的应用实例四、电感式接近开关的应用实例图图9-26 工件的工件的加工定位与计数加工定位与计数1生产工件加工生产工件加工定位定位12/4/202246生产工件加工定位原理分析生产工件加工定位原理分析a）接近开关的安装位置）接近开关的安装位置 b）感辨头及调幅式转换电路）感辨头及调幅式转换电路 c）PNP型接近开关动
36、作滞差特性型接近开关动作滞差特性1加工机床加工机床 2刀具刀具 3金属工件金属工件 4加工位置加工位置 5减速接近开关减速接近开关 6定位接近开关定位接近开关 7传送机构传送机构 8计数器计数器-位置控制器位置控制器当传送机构将当传送机构将待加工的金属工件运送到靠近待加工的金属工件运送到靠近“减速减速”接近开关面前时接近开关面前时，该接近开关发出该接近开关发出“减速减速”信号，传信号，传送机构减速，以提高定位准确度送机构减速，以提高定位准确度。当金属工件到达当金属工件到达“定定位位”接近开关面前时接近开关面前时，定位接近开关发出定位接近开关发出“动作动作”信号信号（高电平），（高电平），使传送
37、机构停止运行并使传送机构停止运行并“刹车刹车”，加工刀，加工刀具紧接着对工件进行机械加工。具紧接着对工件进行机械加工。12/4/202247PNPPNP型接近开关动作滞差特性型接近开关动作滞差特性如果如果工件从远处逐渐向接近开关靠近，到达工件从远处逐渐向接近开关靠近，到达min位位置（置（2mm）时，开关动作）时，开关动作。当流水线上有不可避免的当流水线上有不可避免的机械振动时，工件后退了机械振动时，工件后退了0.5mm（变为（变为2.5mm）。这这个微小的机械干扰（个微小的机械干扰（1mm）无法让接近开关复位）无法让接近开关复位，这个特性称为接近开关的这个特性称为接近开关的“动作滞差特性动作
38、滞差特性”，可以避，可以避免控制继电器反复吸合及释放。免控制继电器反复吸合及释放。12/4/202248流水线上工件自动定位的例子流水线上工件自动定位的例子图图9-26 工件工件的加工定位的加工定位与计数与计数12/4/2022492 2生产零部件计数生产零部件计数当当传传送送带带上上每每一一个个金金属属工工件件从从接接近近开开关关面面前前经经过过时时，接近开关动作一次，接近开关动作一次，输出一个计数脉冲输出一个计数脉冲，计数器加计数器加1。传送带在运行中有可能传送带在运行中有可能产生抖动产生抖动，此时，此时若工件刚进若工件刚进入接近开关动作距离区域入接近开关动作距离区域，因抖动使工件稍微远离
39、接因抖动使工件稍微远离接近开关近开关，然后再进入动作距离范围然后再进入动作距离范围，有可能会产生两有可能会产生两个以上的计数脉冲个以上的计数脉冲。通常通常在比较器电路中加入正反馈电阻，形成有滞差在比较器电路中加入正反馈电阻，形成有滞差电压比较器，使之具有电压比较器，使之具有“施密特施密特”特性特性。当。当工件从远工件从远处逐渐向接近开关靠近，到达处逐渐向接近开关靠近，到达min位置时位置时，开关动作开关动作。要想让它翻转回到低电平，则需要让工件倒退要想让它翻转回到低电平，则需要让工件倒退的的距离（距离（max的位置）的位置）。大大超过抖动造成的倒退量大大超过抖动造成的倒退量，所以所以接近开关一
40、旦动作，只能产生一个计数脉冲接近开关一旦动作，只能产生一个计数脉冲，微微小的干扰无法让其复位小的干扰无法让其复位，称为动作滞差特性称为动作滞差特性。12/4/202250工件计数工件计数12/4/202251表表9-49-4 NPN NPN常闭、常闭、PNPPNP常闭型接近开关的常闭型接近开关的施密特特性比较施密特特性比较电路电路形式形式无金属物体靠近时无金属物体靠近时金属物体靠近到动作距离后金属物体靠近到动作距离后晶体晶体管管状态状态ICUo晶体晶体管管状态状态ICUoNPN输出输出截止截止0VCC(高高电平电平)导通导通(VCC-0.3)/RLUCES(0.3V，低电，低电平平)PNP输出
41、输出截止截止00V(低电低电平平)导通导通(VCC-0.3)/RLVCC-0.3)V（高电平高电平)12/4/202252【PNP常开型接近开关的特性填表常开型接近开关的特性填表训练训练（VCC=24V，UCES=0.3V RL=0.1k）】金属金属与与接近接近开开关关的的距离距离晶晶体体管管状状态态IC/mAUo/V远远截截止止近近23723.712/4/202253任务三任务三 电容式接近开关的应用电容式接近开关的应用一、电容式接近开关的结构及工作原理一、电容式接近开关的结构及工作原理检测极板设置在接近开关的最前端检测极板设置在接近开关的最前端，测量转换电路，测量转换电路安装在接近开关壳体
42、后部，并用安装在接近开关壳体后部，并用介质损耗很小的环氧介质损耗很小的环氧树脂树脂充填、灌封。充填、灌封。“非齐平式接近开关非齐平式接近开关”的端部必须比金属安装平面的端部必须比金属安装平面突出突出10mm左右左右，接近开关端部的高频电场信号才不，接近开关端部的高频电场信号才不至于被比金属安装平面衰减。至于被比金属安装平面衰减。“齐平式接近开关齐平式接近开关”的端面可以与金属安装平面齐的端面可以与金属安装平面齐平平，不易损坏不易损坏，但，但端面高频电场受金属安装平面的影端面高频电场受金属安装平面的影响，灵敏度较低响，灵敏度较低，动作距离约为同系列接近开关的动作距离约为同系列接近开关的2倍倍。1
43、2/4/202254图图9-279-27 圆柱形电容式接近开关圆柱形电容式接近开关（放大图见下页）（放大图见下页）a）结构示意图）结构示意图 b）调幅式测量转换电路原理框图）调幅式测量转换电路原理框图1被测物被测物 2上检测极板上检测极板（或内圆电极（或内圆电极）3下检测极板下检测极板（或外圆电极）（或外圆电极）4充填环氧树脂充填环氧树脂 5测量转换电路板测量转换电路板 6塑料外壳塑料外壳 7灵敏度调节电位器灵敏度调节电位器RP 8动作指示灯动作指示灯 9电缆电缆 10非齐平式安装板（金属，接地）非齐平式安装板（金属，接地）UR比较器的基准电压比较器的基准电压12/4/202255图图9-27
44、9-2712/4/202256电容式接近开关的工作原理电容式接近开关的工作原理当没有被测物体靠近电容式接近开关时，当没有被测物体靠近电容式接近开关时，C1与C2很小，LC振荡器停振振荡器停振。当被测物体朝着电容式接近开关的两。当被测物体朝着电容式接近开关的两个同心圆电极靠近时，个同心圆电极靠近时，两个电极与被测物体构成串联等两个电极与被测物体构成串联等效电容效电容C。12/4/202257电容式接近开关的工作原理（续）电容式接近开关的工作原理（续）当当C增大到设定值时增大到设定值时,LC振荡器起振振荡器起振（工作电流随之工作电流随之增大）增大）。振荡器的高频输出电压振荡器的高频输出电压uo经二
45、极管经二极管VD检波检波和和RC低通滤波器低通滤波器滤波滤波,得到正半周信号的平均值得到正半周信号的平均值。经直流。经直流电压放大电路放大后的电压放大电路放大后的输出电压输出电压Uo1与基准电压与基准电压UR进行进行比较比较。若若Uo1超过基准电压时超过基准电压时,比较器翻转比较器翻转,产生动作信产生动作信号。号。12/4/202258图图9-289-28 电容式接近开关的外形电容式接近开关的外形a）齐平式）齐平式（允许金属安装平面与探头的端面齐平允许金属安装平面与探头的端面齐平）b）非齐平式非齐平式 c）非齐平夹具安装式）非齐平夹具安装式12/4/202259电容式接近开关外形电容式接近开关
46、外形齐平式齐平式非齐平式非齐平式12/4/202260接近开关的非齐平式与齐平式的比较接近开关的非齐平式与齐平式的比较齐平式安装齐平式安装非齐平式安装非齐平式安装12/4/202261非齐平式非齐平式接近开关的安装接近开关的安装 非齐非齐平式平式安装时，传感器高于安装支安装时，传感器高于安装支架，易损坏。架，易损坏。12/4/202262全全密封防水密封防水式式大量程远距离式大量程远距离式12/4/202263电容接近开关的规格电容接近开关的规格12/4/202264二、电容式接近开关的特性二、电容式接近开关的特性图图9-29 动作距离与动作距离与被检测物体的被检测物体的材料、性质、尺寸材料、
47、性质、尺寸的关系的关系用指甲去接触用指甲去接触电容触摸屏电容触摸屏是不起作用的是不起作用的12/4/202265电容式接近开关灵敏度与被测物材料的关系电容式接近开关灵敏度与被测物材料的关系当被测物是导电金属物体时，即使两者的距离较远当被测物是导电金属物体时，即使两者的距离较远，但等效电容但等效电容C仍较大仍较大，LC回路较容易起振回路较容易起振，所以灵敏度所以灵敏度较高较高。若被测物的面积小于电容式接近开关直径的若被测物的面积小于电容式接近开关直径的2倍时倍时，灵敏度显著较低灵敏度显著较低。电容触摸屏电容触摸屏示意图示意图12/4/202266电容式接近开关灵敏度电容式接近开关灵敏度与被测物材
48、料的关系（续）与被测物材料的关系（续）对于非金属物体，例如：水、纸板、皮革、塑料、对于非金属物体，例如：水、纸板、皮革、塑料、陶瓷、玻璃、沙石、粮食等，陶瓷、玻璃、沙石、粮食等，动作距离决定于材料动作距离决定于材料的介电常数和电导率的介电常数和电导率以及以及被测物体的面积被测物体的面积。介电常介电常数大数大、且导电性能较好的物体且导电性能较好的物体（例如含水的有机物、（例如含水的有机物、人的手等），人的手等），动作距离略小于金属物体动作距离略小于金属物体。物体的含水量越小物体的含水量越小，面积越小面积越小，动作距离也越小动作距离也越小，灵敏度就越低灵敏度就越低。尼龙、聚四氟乙烯等介质损耗小的尼
49、龙、聚四氟乙烯等介质损耗小的物体灵敏度较低物体灵敏度较低12/4/202267不同材料的非金属检测物对不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响电容式接近开关动作距离的影响12/4/202268电容接近开关的调试电容接近开关的调试接近开关的输出有接近开关的输出有NPN、PNP和和AC两线制两线制等多种型式。等多种型式。Rf在比较器电路中起正反馈作在比较器电路中起正反馈作用，使比较器具有施密特特性用，使比较器具有施密特特性。Rf越小，翻转时的回差就越越小，翻转时的回差就越大，抗干扰能力就越强，通常大，抗干扰能力就越强，通常将将回差控制在动作距离的回差控制在动作距离的20%之内之内。比较
50、器之后设置了比较器之后设置了OC门输出级电路，有较大的负门输出级电路，有较大的负载能力。通常可以驱动载能力。通常可以驱动100mA的感性负载，或的感性负载，或300mA的阻性负载的阻性负载。12/4/202269电容接近开关的调试（续）电容接近开关的调试（续）当被测物是导电物体时，即使两者的距离较远，但等当被测物是导电物体时，即使两者的距离较远，但等效电容效电容C 仍较大，仍较大，RC回路较容易起振，所以金属的灵回路较容易起振，所以金属的灵敏度较高敏度较高。物体的含水量越小，面积越小，动作距离物体的含水量越小，面积越小，动作距离也越小，灵敏度就越低也越小，灵敏度就越低。大多数电容接近开大多数电