作者@@：Art Pini，来源@@：得捷电子@@@@DigiKey
许多工业自动化@@@@ (IA) 应用要求能够在@@不进行物理接触的@@情况下感知物体或@@人体的@@存在@@和@@@@/或@@位置@@，以避免约束或@@限制所感知物体的@@移动@@。接近传感器@@非常适合这一用处@@。但接近传感器@@有很多种类@@，包括电磁式@@、电容式@@、电感式和@@光学式@@，被检测物体的@@材料组成也可能会影响传感器检测其存在@@的@@能力@@。
有些接近传感器@@对探测黑色金属很有用@@，而有些可以探测任何种类的@@金属@@，还有一些可以探测任何类型的@@物体@@，甚至@@是人体@@。工业自动化@@应用中接近传感器@@的@@潜在@@用户必须了解不同的@@接近传感器@@技术@@类型及其对特定感应情况的@@适用性@@。
本文讨论了几种类型的@@传感器@@，并详细介绍了它们能够感知的@@物体类型和@@每种器件类型的@@空间@@灵敏度@@。最后介绍了几款来自@@Texas Instruments、Red Lion Controls、Littelfuse Inc.、Omron Electronics Inc.、MaxBotix Inc.和@@Carlo Gavazzi Inc.实例器件@@。
1、电感式接近传感器@@@@
电感式接近传感器@@@@能够检测导电@@（即金属@@）物体的@@存在@@@@，其感应范围取决于被检测金属的@@类型@@。这些传感器利用振荡电路中线圈产生的@@高@@频磁场进行操作@@。接近磁场的@@导电目标会在@@其中产生感应或@@涡流@@，形成一个相反的@@磁场@@，有效降低了电感式传感器的@@电感量@@。电感式接近传感器@@@@工作方式有两种@@。在@@第一种工作方法中@@，当目标接近传感器@@时@@，感应电流@@增加@@，这增加了振荡电路的@@负载@@，导致其振荡被衰减或@@停止@@。该传感器用一个振幅检测电路检测这种振荡状态的@@变化@@，并输出一个检测信号@@。另一种工作方式是@@，使用因导电目标的@@存在@@而产生的@@频率变化@@，而不是振幅的@@变化@@。非铁金属目标@@，如@@铝或@@铜接近传感器@@会导致振荡频率增加@@，而铁金属目标@@，如@@铁或@@钢会导致振荡频率降低@@。振荡频率相对于参考频率的@@变化导致传感器的@@输出状态改变@@。Texas Instruments 的@@ LDC0851HDSGT 是一个近距离电感式接近开关传感器@@，它利用频率的@@变化来检测其电磁场内是否存在@@导电物体@@（图@@ 1）。
图@@ 1：LDC0851HDSGT电感式接近传感器@@@@使用双电感线圈@@（感应线圈和@@参考线圈@@）来测量感应线圈附近的@@目标物体引起的@@电感量变化@@。（图@@片@@来源@@@@：Texas Instruments）LDC0851 电感式接近开关是非接触式接近检测应用的@@理想选择@@，如@@存在@@检测@@、事件计数和@@感应范围小于@@ 10 毫米@@@@（0.39 英寸@@）的@@简单按钮@@。当一个导电物体在@@感应线圈附近移动时@@，该器件就会改变其输出状态@@。差分实现@@（使用感应和@@参考线圈来确定系统的@@相对电感@@）和@@滞后用于保证可靠的@@开关@@，使之不受机械振动@@、温度变化或@@湿度影响@@。LDC0851HDSGT 的@@电感式拾音器线圈用一个传感器电容进行调谐@@，将振荡频率设定在@@@@3 至@@ 19 兆赫@@ (MHz) 范围内@@。当感应电感低于参考电感时@@，推挽输出处于低电平状态@@，反之则返回到高@@电平状态@@。2、 磁性接近传感器@@@@
磁性接近检测器用于测量移动金属部件的@@位置和@@速度@@，可以是霍尔效应传感器这样的@@@@有源器件@@，也可以是可变磁阻@@ (VR) 传感器这样的@@@@无源器件@@，如@@ Red Lion Controls 的@@MP62TA00螺纹式磁性拾音器@@@@（图@@ 2，左@@）。可变磁阻接近传感器@@测量磁阻的@@变化@@（类似于电路中的@@电阻@@），它由一个永磁铁@@、一个极片和@@一个封闭在@@圆柱形外壳中的@@传感线圈组成@@。
图@@ 2：VR 磁性拾音器@@（图@@左@@@@）是一个无源传感器@@，可以感应到极片和@@传感器外壳@@（图@@右@@@@）之间的@@磁场变化@@。（图@@片@@来源@@@@：Art Pini，MP62TA00 图@@片@@来自@@ Red Lion Controls）
一个铁磁性物体从极片旁紧密通过@@，会引起磁场的@@变化@@。这种变化又会在@@信号线圈中产生一个信号电压@@。信号电压的@@大小取决于目标物体的@@大小@@、速度以及极片和@@物体之间的@@间隙大小@@。目标物体必须处于运动状态才能被@@ VR 传感器感应到@@。MP62TA00 纹式磁性拾音器@@是一种采用环氧树脂封装的@@@@ VR 接近传感器@@，工作温度范围为@@@@ -40 至@@ +107℃。它有一英寸@@@@（25.4 毫米@@@@(mm)）长@@，带有一个@@ ¼ - 40 UNS 螺纹体@@。VR 传感器是无源器件@@，所以它们不需要电源@@。因此@@，它们通常用于测量旋转的@@机器@@。例如@@@@，像@@ MP62TA00 这样的@@@@ VR 拾音器被广泛用于感应铁质齿轮@@、链轮或@@正时皮带轮上的@@通过齿@@。它们还可用于感应螺栓头@@、键槽或@@其他快速移动的@@金属目标@@（图@@ 3）。
图@@ 3：VR 传感器广泛用于感知旋转机械中的@@轮齿@@、凸轮和@@键槽@@。（图@@片@@来源@@@@：Red Lion Controls）它们被用作转速计来测量转速@@，成对使用时也可用于测量旋转轴的@@偏心率@@。第二种类型的@@磁性传感器则使用霍尔效应来检测磁场的@@存在@@@@。霍尔效应描述了载流导体和@@垂直于该导体平面的@@磁场的@@相互作用@@。当一个载流导体被置于一个磁场中时@@，将产生一个与电流@@和@@磁场都垂直的@@电压@@（霍尔电压@@）。霍尔电压@@与磁场的@@磁通密度成正比@@，需要一个被磁化的@@目标@@。Littelfuse Inc. 的@@ 55100-3H-02-A 是一种法兰安装霍尔效应传感器@@，可提供数字输出或@@可编程的@@模拟电压输出@@（图@@ 4）。
图@@ 4：55100-3H-02-A带电压输出的@@法兰安装霍尔效应接近传感器@@框图@@和@@照片@@。（图@@片@@来源@@@@：Littelfuse, Inc.）55100-3H-02-A 尺寸为@@ 25.5 x 11 x 3 mm，可提供三线电压输出或@@两线电流@@输出@@。两个版本都提供中@@（130 高@@斯@@）、高@@（59 高@@斯@@）或@@可编程灵敏度@@。该器件具有高@@灵敏度@@，使用指定的@@磁铁@@，激活范围为@@@@ 18 毫米@@@@（0.709 英寸@@）。下拉输出可以灌入最高@@@@ 24 伏的@@直流电压和@@@@ 20 毫安@@(mA) 电流@@。这种传感器可以在@@最高@@@@ 10 千赫兹@@ (kHz) 的@@开关速率下工作@@，并能感知动态和@@静态磁场@@。检测静态磁场的@@能力是霍尔效应传感器的@@一个主要优点@@，因为它可以用来感知一扇正在@@关闭的@@门或@@一个处于固定位置的@@物体@@。3、光学接近传感器@@@@
光学接近传感器@@@@使用光@@（红外线或@@可见光@@）来感应物体@@。其优点是@@，目标不需要有磁性或@@是金属@@，只要能阻挡或@@反射光线就可以了@@。基本原理是@@，光学传感器发出光并监测从目标物体上反射的@@光@@（图@@ 5，左@@）。
图@@ 5：光学接近传感器@@@@通过发射一束光并检测目标反射回来的@@光来定位目标物体@@。（图@@片@@来源@@@@：Art Pini）Omron Electronics Inc. 的@@ EE-SY1200 是一个出色的@@光学接近传感器@@@@实例@@（图@@ 5，右@@）。它是一个安装在@@小型印刷电路板上的@@超紧凑光传感器@@，工作在@@@@ 850 纳米@@@@ (nm) 的@@红外波长@@下@@。它包括一对@@ LED 发射器和@@光电晶体管@@@@，采用表面贴装封装@@，尺寸为@@ 1.9 x 3.2 x 1.1 毫米@@@@（0.0748 x 0.126 x 0.043英寸@@），工作温度范围为@@@@ -25 至@@ +85℃。其推荐感应距离范围为@@@@ 1.0 至@@ 4.0 毫米@@@@（0.039 至@@0.157 英寸@@）。由于它采用@@小尺寸板安装@@，因此@@成为如@@自动缠绕机中金属化麦拉材料对准之类应用的@@理想选择@@。
4、 超声波接近传感器@@@@
感应距离要求更远时@@，如@@检测免下车窗口的@@汽车时@@，可以使用基于超声波的@@接近传感器@@来处理@@。这些传感器可在@@多至@@数米@@@@ (m) 的@@距离内探测任何类型的@@物体@@。基本原理是@@，测量传感器发射器发出超声波脉冲@@，然后被目标物体反射并被传感器接收器拾取的@@飞行时间@@（图@@ 6）。
图@@ 6：使用超声波进行测距时@@，测量从发射器发射超声波脉冲@@（左@@）到反射脉冲返回@@（右@@）的@@时间@@。这个时间是初始脉冲从传感器到目标物体的@@飞行时间的@@两倍@@。（图@@片@@来源@@@@：Art Pini）
从发射脉冲到接收反射的@@时间@@代表了从传感器到目标物体再返回的@@飞行时间@@。知道了传播的@@速度和@@飞行的@@时间@@@@，就可以计算出距离@@。在@@所示例子中@@，飞行时间是@@ 3.1 毫秒@@ (ms)。对于空气来说@@，在@@ 70 华氏度@@，声音的@@速度是每秒@@ 1128 英尺@@，所以到物体并返回的@@的@@总距离是@@ 3.50 英尺@@。从传感器到物体的@@距离是飞行时间的@@一半或@@@@ 1.75 英尺@@。MatBotix Inc. 的@@ MB1634-000 是一种超声波接近传感器@@@@@@，测量范围为@@@@ 5 米@@（16.4 英尺@@）。它需要一个@@ 2.5 至@@ 5.5 伏的@@电源@@，工作频率为@@ 42 kHz，它将到目标的@@距离输出为模拟电压@@、脉冲宽度或@@晶体管@@@@-晶体管@@逻辑@@ (TTL) 串行数据流@@。它针对目标尺寸变化@@、工作电压和@@内部温度@@（可选择外部温度补偿@@）进行了补偿@@，所有这些功能都封装在@@一个小于一立方英寸@@的@@封装中@@——0.875 x 1.498 x 0.58 英寸@@（22.23 x 38.05 x 14.73 毫米@@@@）（图@@ 7）。
图@@ 7：MB1634-000是一个带有发射和@@接收传感器的@@超声波测距仪组件@@，范围为@@ 5 米@@。（图@@片@@来源@@@@：MaxBotix Inc.）
5、 电容式@@接近传感器@@@@
电容式@@接近传感器@@@@可以检测粉末@@、颗粒@@、液体和@@固体形式的@@金属和@@非金属目标@@。一个很好的@@实例是@@ Carlo Gavazzi 的@@CD50CNF06NO（图@@ 8）。该器件通常与电感式传感器相似@@，只是电感式传感器的@@感应线圈被电容式@@感应板所取代@@。它们最常用于感应储罐中的@@液位@@。
图@@ 8：在@@一个通用的@@电容式@@接近传感器@@@@中@@（左@@），电容式@@感应板与外部目标物体形成一个电容@@；电容值决定了振荡器的@@频率@@。Carlo Gavazzi 的@@ CD50CNF06NO（右@@）是一个用于监测液位@@的@@电容式@@接近传感器@@@@@@。（图@@片@@来源@@@@：Art Pini）
传感器中的@@感应板与目标物体形成一个电容@@，电容随着与物体的@@距离变化而变化@@。感应目标电容决定了振荡器的@@频率@@，对该频率进行监测@@，便可在@@越过阈值频率时切换输出状态@@。CD50CNF06N0 用于监测液位@@。它是一个三线传感器@@，带有一个@@开集@@ NPN 晶体管@@，配置为常开模式@@。它采用@@ 10 至@@ 30 伏直流电源@@，封装尺寸为@@@@50 x 30 x 7 mm（1.97 x 1.18 x 0.28 英寸@@），感应范围为@@@@ 6 毫米@@@@（0.24 英寸@@）。在@@其常用液位检测应用中@@，一般用螺钉或@@粘胶将该器件固定在@@非金属罐的@@外表面@@。
结语@@：
接近传感器@@采用的@@技术@@有多种类型@@，适合的@@应用各种各样@@。根据传感器的@@类型@@，它们可以探测金属和@@非金属目标@@，感应距离从几毫米@@@@到五米@@或@@更远@@。它们足够紧凑@@，可以在@@狭小的@@空间@@内工作@@，许多还能够工作在@@@@恶劣环境中@@。市场上有一系列技术@@实现方法@@，为用户提供了多种选择@@，可满足无数的@@接近检测要求@@。
