在选用接近开关时应当综合考虑各项指标的内在要求

发布时间：2013-09-24

在选用接近开关时应当综合考虑各项指标的内在要求

接近开关的选用
    为保证所选的接近开关准确地实现检测功能，达到“开关”目的，就应该充分考虑它的基本功用、技术参数、使用要求等诸多因素。下面就接近开关在选用时需要注意的几个方面进行说明。
     1 接近开关的选型
目前，接近开关的种类很多，在选用时应当综合考虑各项指标的内在要求。通常工作电压很容易满足，而负载电流却容易被人们忽视。负载的形式多种多样，有直流，有交流，并且电阻也有大有小，倘若负载和接近开关的输出类型不匹配，很容易损坏接近开关。例如，选用一种接近开关来控制继电器。该接近开关所用的电源电压为AC220V ，电流为200mA ，继电器的线圈电压也为AC220V ，正常工作时功率为12V 、A ，启动时功率为75V · A 。若仅考虑正常工作时的情况，似乎没什么问题。但我们深人分析就会看到继电器在启动时线圈电流是非常大的，已经超出了200mA , 若通断频率很高的话，势必会缩短接近开关的使用寿命或直接损坏开关元件。这种情况下*好选用输出电流更大的接近开关来使用。
     2 接近开关检测的物料类型不同的接近开关所能识别的物体材质是有区别的，下面就常用的接近开关所识别的物体进行说明，以便进行正确地选择。
    2 . 1 电感式接近开关
电感式接近开关由干利用了金属导体靠近磁场时产生的涡流效应来工作，所以这种接近开关所检测的物体必须是金属导体。
     2 . 2 电容式接近开关
电容式接近开关的测量头是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量中通常是接地或与设备相连。当物体移向接近开关时，无论是否为导体，由于它的接近总会使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也发生变化，由此可控制开关的接通或断开。可见，电容式接近开关所检测的物体并不限于金属导体，也可以是绝缘的塑料、玻璃、液体或其它任何材质的物体。这也是电容式接近开关比电感式接近开关应用广泛的主要原因。
     2 . 3 霍尔接近开关
霍尔接近开关是磁性接近开关的一种，具有无触点、功耗低、寿命长、响应频率高等特点，由于它利用霍尔效应工作，属于磁电转换元件，故只能用于磁性物质的检测。
     2 . 4 光电开关
利用光电效应做成的开关叫光电开关。它是将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内，当有反光面（被检MlJ物体）接近时，光电器件接收到反射光后便有信号输出，由此便可“感知”物体的接近。由此可见，光电开关也可用于任何材质物体的检测。但对于同种材料、不同颜色的物体来说，光电接近开关对它们的敏感程度是不一样的。比如漫射型光电接近开关对红色物体就比对表面吸收光的黑色物体敏感得多。
     3 接近开关的检测距离接近开关的动作距离是指被检测物体按一定方式移动时，当接近开关动作时所测得的从基准位置（接近开关的感应表面）到检测面的空间距离。额定动作距离是指接近开关动作距离的标称值。确定接近开关的检测距离时应考虑接近开关的安装位置、被检测物体的大小和材质。同一种接近开关在检测不同材料的物体时，其动作距离是不一样的。例如，对霍尔接近开关来说，其动作距离受被检测体磁场强度的影响就很大，被测物体的磁场强度越大，霍尔开关就越容易动作。对电容式接近开关来说，介电常数越大的物体，就越容易达到它的标称动作距离。需要说明的是，电容式接近开关在检测较低介电常数的物体时，可通过调节开关上的电位器来调整动作距离，以增加感应灵敏度。通常，接近开关实际工作时的距离设定为额定动作距离的0 7 一0.8 。

4 接近开关的输出形式接近开关有不同的输出形式，常见的有NPN 型、PNP 型。而NPN 型和PNP 型中又有二线、三线、四线等几种类型。在使用时一定要注意各自不同的接线方法。此外，很多接近开关还有常开和常闭之分。所谓常开型指的是当没有检测物体时，由于接近开关内部的晶体管截止而使接近开关所连接的负载不能工作，只有检测到物体时晶体管导通，负载才得电工作。常闭型刚好与之相反。无论是哪－种，都可以用作检测控制，只是在系统中应注意其何时发生动作。例如当接近开关的输出信号要作为PLC 的输人时，在编制程序时就应当注意两者的区别，以免负载发生误动作。
5 接近开关的响应频率接近开关的响应频率是指在1 秒的时间间隔内，允许接近开关动作的循环次数。不同的接近开关响应频率有很大的差别，即使是同一种接近开关，所使用的工作电压类型不同而响应频率也会有所区别。例如，Js30 型电容式接近开关直流(DC10-30V ）二线／三线输出形式的响应频率为3oHz，而交流（ACZo一25OV) 二线输出类型的响应频率只能达到10Hz ; LB系列的电感式接近开关直流（DC10-3OV）三线型的其响应频率就可达到1000Hz 。可见，选择接近开关时应充分考虑接近开关的开关频率大小，尤其是当检测移动速度较快的物体时，如果所用接近开关的响应频率过小，就可能会检测不到物体的存在。
6 接近开关的使用环境要想使接近开关**可靠地工作，必须注意使用时的环境要求。应尽量避免耐腐蚀性差的接近开关在强酸或强碱的环境下使用。倘若在煤矿、水泥厂等有可能产生爆炸的场所，则应该选择防爆型的接近开关。对于受潮湿、灰尘、污染等因素影响比较大的接近开关，应当进行定期的维护保养。

一台上下料机械手上的一个TURCK NPN接近开关
损坏，该接近开关信号端连接在PLC的输入端子。由于备件没有NPN型号的接近开关，只有同参数的PNP接近开关，型号为：BI10一M30一AP6X，接线图见图1。

如果将该接近开关
接入到PLC的输入端子，输入信号检测不正确。我们通过在接近开关信号端和供电负极之间接一个电阻，避免了信号端处于悬空状态，即不是低电平就是高电平状态，接线图见图2。

该电阻理论上要求阻值越小越好，但是阻值太小则会对电源造成过大负担，另外阻值太小其功率要求也越高，所以我们选用了阻值为2．2 kf／，功率为0．5 W的金属膜电阻。
通过长时间的使用，信号稳定。

电源还是交流电源，是2 线式还是3 线式，是NPN 型还是PNP 型，是接通型还是分断型等。只有在反输人、被输人两方面的情况都搞清楚，才能确定接近开关的类型并决定电路的接法。
下面以直流3 线式为例介绍几种接法。
( I ) P 日二与接近开关连接之一此例Pu 二内部有负载电阻Rl 和限流电阻RZ ，并提供＋24V 电源。因此选用集电极开路输出、NPN 型、接通（常开）型接近开关。见图1 。

接近开关不动作时，输出晶体管V 功截止，“输出”端为高电平。P 日二输人单元中光祸器的发光二极管不导通，光藕器输出“0 ' ’电平，比D 灯不亮。接近开关动作时，们习饱和导通，“输出”端为低电平。Pu 二内光藕器中发光二极管导通，光祸器输出“I ”电平，比D 灯点亮。
这种输人单元内部Rl 、RZ 的值都已按24V 电源设计好，接上接近开关
( 2 ) P 日二与接近开关连接之二此例中PI 兀不提供电源。接近开关要用外接电源。因为用的是集电极开路
输出型电路，而PLC 输人单元又不提供负载电阻，接近开关动作时，输出管v 功没有通路不会饱和导通，所以要在外部加接一个负载电阻几，一般都取4 . 7ko 到十几千欧之间。
见图2 。
一般情况下，如电源电压取值正确，P 珑内部的输人电阻凡会使输人电流限定在参数规定范围内。如不符合要求，可调整电源电压或在“OLJT ”和. . IN ”之间串入电阻进行调整。( 3 ) PI 工与接近开关连接之三此例中P 比输入用的是交流输人单元，规定输入电源电压为200 一240V 、AC 、50 ／团Hz ，输入电流1 加认（200VAC 时）。因此可以用交流2 线式接近开关，外接220V 市电。见图3c 此例中PLC 输入单元内光藕器和比D 中都用2 个反向并联的发光二极管，所以可以使用交流电源。接近开关用的是接通（常开）型。接近开关未检测到金属时，输出晶闸管处于阻断状态，相当于接点处于分断状态。但整流桥仍有很小电流维持内部电路工作。P 日二的输人单元因得不到需要的电流值，光藕器和比D 中发光二极管都不亮，光祸器输出“0 ＂电平，LED 灯不亮。当接近开关检测到金属时，输出晶闸管导通，相当于接点闭合，于是刊尤的光藕和比D 中发光二极管导通，光藕器有“l " 电平输出，比D 灯点亮。这种机型的直流输二极管，没有交流藕合电容CI 。所以在连接输人元件时，正负极性可以任意连接，比较方便。
( 4 ）工控计算机与接近开关
PI 一32L 箱入模板
为了对付干扰，接近开关内部已采取了多种保护措施，如反极性保护、抗短路过载保护、抗浪涌电流保护等。但由于受到体积和成本的限制，保护性能和容量都是有限的。体积大的接近开关保护功能和性能较为完善，而体积小的保护功能和性能就少些、差些，有的甚至还没有保护功能。
压管或现场有较大浪涌干扰，可以在接近开关外部的“输出”和“地”两端再并联一个40V 以上、lA 以上的稳压管，见图6 。也可以采用并联压敏电阻或反向并联单向瞬态电压抑制二极管（WS ）的方法二接近开关
为此，用户在使用接近开关前应该先审视安装现场有无干扰源。首先是尽量避免在有较强干扰源的场合使用，其次是一定要按照说明书中规定的要求进行安装。如接近开关的电源线、信号线必须和高压线、动力线分开，加屏蔽和可靠地接地
接近开关等。下面介绍几种接近开关的保护
接近开关不动作时，输出管们习截止，工控计算机输人模板中光藕器不工作，LED 灯不亮。接近开关动作时，们习饱和导通，输人模板中光藕器发光二极管导通，光电二极管也导通，光藕器输出经反相器后输出“l ”电平，同时LED 灯点亮。的连接此例中工控计算机为IBM 代一XT 刃AT 兼容机。图4 右侧为其PI 一32L 输入模板。左侧是直流3 线式、NP 州型、集电极开路输出的接近开关。需外接24V 优电源，输人电流约l 加IA 。就能满足电参数要求。因此可以直接连接，十分方便。

低成本的光电接近开关电路原理图如图1所示，图1中的元件参数见附表。由555构成多谐振荡器，从③脚输出38kHz的方波信号。经vT1驱动红外发射管VD2向外发射频率为38kI-Iz红外调制信号。之所以选用38kHz的红外调制信号，是由于选用的红外接收头u1的频率响应为38kI-Iz(U1型号AT138B的“38”表示响应频率大小，其外观和引脚如图1右方所示)。当有障碍物靠近时，红外线反射回来被u1所接收，当接收到的红外信号足够强时输出(OUT)为低电平，否则为高电平。如果用5、，供电，输出(OUT)为T几电平可直接与微处理器相接。多谐振荡器的振荡频率计算公式为：t1=0.7(R1+R2)×C1；t2=O.7(R3+R4)×C1；f=1／(tl+t2)。

调试时使输出波形的占空比尽量为1：1，笔者经过试验发现只要占空比偏离1：1不太多则无所谓，但频率不要偏离38kHz太多，否则探测精度会下降，频率偏离太大时则U1根本没有相应。进过计算在R1、R3为1k时R2、R4调到880左右（实际有所偏差）。

红外发射管的发射功率可通过改变R5的阻值进行调节，发射管的发射电流大小决定了探测距离的大小。如果不需调节探测距离的大小，R5,R6可用一固定阻值的电阻代替。

红外接近开关制作的关键并不在于电路，而是在结构上，特别是u1和VD2的位置不能随便放置。笔者把该红外接近开关做成探头状，把整个��路板安装在一根塑料管内，并引出三根导线：电源、地、输出(OUT)。U1、VD2放置在塑料管的前端，并用不透光的塑料片把U1、VD2隔开，为了防止VD2向旁边漏射出红外线可用黑色电胶布在VD2的周围绕一两圈，只让红外线从VD2的前方发出(电路板、隔光塑料片、U1、VD2可用硅胶进行固定)，其结构如图2所示。

注意：不要忘了在VD2的周围用黑色绝缘胶布绕一两圈，只让红外线从VD2的前方射出，否则VD2从旁边漏射出红外线将直接到达u1，输出端(OUT)总为低电平，如图3所示。

该电路只要焊接无误，结构安排得当，不需要太多的调试(只要把多谐振荡器的振荡频率调到38kHz 即可)，一试就能成功。制作结果表明：该红外接近开关不仅能探测到接近到探头一定距离的物体，还能识别出颜色的深浅(浅颜色的物体由于反光性较强其触发距离较远)，而且所使用的元件都是市面上极易买到的，AT138B是红外接收头，如买不到可用同类产品(如HM383)代替

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