模塊小位移檢測下課件

1、機、電類傳感器與檢測技術(shù)項目教程模塊九、小位移檢測 課件統(tǒng)一書號：ISBN 978-7-111-48817-0課程配套網(wǎng)站或 2015年2月第1版（作者：梁森、黃杭美、王明霄、王侃夫）7/19/20221模塊九、小位移檢測 內(nèi)容簡介簡要介紹“位移檢測的基本概念”、“電感式小位移傳感器” 、“渦流式小位移傳感器” 、“接近開關(guān)”等知識，對軸承滾柱直徑的檢測及分選也作了介紹?，F(xiàn)在時間是：11:567/19/20222模塊九、小位移檢測（下） 目錄進入進入進入進入知識鏈接 位移檢測的基本概念項目一、電感式小位移傳感器項目二、渦流式小位移傳感器項目三、接近開關(guān)拓展閱讀 軸承滾柱直徑的檢測及分選現(xiàn)在時間

2、是：11:567/19/20223項目三 接近開關(guān)【項目教學目標】 知識目標1了解接近開關(guān)的分類與結(jié)構(gòu)。2掌握三種常用接近開關(guān)的特性及工作原理。 技能目標掌握接近開關(guān)的應用。回目錄7/19/20224任務一 認識接近開關(guān)接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設定距離時，發(fā)出“動作”信號，不需要施加機械力。給出的是開關(guān)信號（高電平或低電平），能直接驅(qū)動中間繼電器。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭” 。渦流探頭能感辨金屬導體的靠近與否。多數(shù)接近開關(guān)已將感辨頭和測量轉(zhuǎn)換電路做在同一殼體內(nèi)，殼體上多帶有螺紋或安裝孔，便于安裝和調(diào)整與被測物的距離

3、。接近開關(guān)還可以用于高速計數(shù)和測速，測量物位和液位，無觸點按鈕等。7/19/20225一、常用接近開關(guān)的分類（1）電感式接近開關(guān)（實際工作原理是渦流效應）：只對導電良好的金屬起作用。電感式接近開關(guān)對鐵鎳、A3鋼類具有磁滯特性的金屬靈敏度較高，對鋁、黃銅等金屬的靈敏度較低。（2）電容式接近開關(guān)：對接地的金屬或地電位的導電物體起作用（但不常用），對非地電位的導電物體靈敏度稍差（常用）。（3）干簧管：只對磁性較強的物體起作用（見模塊十）。（4）霍爾式接近開關(guān)：只對磁性或?qū)Т判晕矬w起作用。7/19/20226二、接近開關(guān)的特點與機械行程開關(guān)相比，接近開關(guān)具有如下特點：1）非接觸檢測，不影響被測物的運行

4、工況。2）定位準確度高。3）不產(chǎn)生機械磨損和疲勞損傷，耐腐蝕，動作頻率高，工作壽命長。4）響應快，約幾毫秒至十幾毫秒。5）采用全密封結(jié)構(gòu)，防潮、防塵性能較好，工作可靠性強。6）無觸點、無火花、無噪聲，可適用于要求防爆的場合（防爆型）。7）易于與PLC或其他上位機連接。8）體積小，安裝、調(diào)整方便。9）缺點是“觸點”容量較小，負載短路時易燒毀。7/19/20227三、接近開關(guān)的主要技術(shù)指標（1）動作距離：當被測物由正面靠近接近開關(guān)的感應面時，使接近開關(guān)動作（輸出狀態(tài)變?yōu)橛行顟B(tài)）的距離為接近開關(guān)的動作距離min（單位為mm，以下同）。（2）復位距離：當被測物由正面離開接近開關(guān)的感應面，接近開關(guān)轉(zhuǎn)為

5、復位狀態(tài)（輸出狀態(tài)變?yōu)闊o效狀態(tài)）時，被測物離開感應面的距離就是復位距離max。同一個接近開關(guān)的復位距離大于動作距離。（3）動作滯差：動作滯差是指復位距離與動作距離之差。動作滯差越大，對抗被測物抖動等造成的機械振動干擾的能力就越強，但動作準確度就越差。7/19/20228三、接近開關(guān)的主要技術(shù)指標（續(xù)）（4）重復定位準確度（重復性）：表征多次測量的動作距離平均值。其數(shù)值的離散性一般為最大動作距離的1%5%。將被測金屬板固定在千分尺上，由動作距離120%以外逐漸沿接近開關(guān)感應面軸向靠近接近開關(guān)的“動作區(qū)”，運動速度控制在0.1mm/s。當接近開關(guān)動作時，讀出千分尺的讀數(shù)，然后反向退出動作區(qū)，使接近

6、開關(guān)復位。重復10次，計算10次測量值的最大值和最小值，再逐一與10次平均值做減法，最大差值即為重復定位準確度。重復定位的離散性越小，重復定位的準確度就越高。7/19/20229三、接近開關(guān)的主要技術(shù)指標（續(xù)）（5）響應頻率：也稱動作頻率，是指每秒連續(xù)不斷地進入接近開關(guān)的動作距離后又離開的被測物最大個數(shù)或次數(shù)值。若接近開關(guān)的動作頻率太低而被測物又運動得太快時，接近開關(guān)就來不及響應物體的運動狀態(tài)，有可能造成漏檢。（6）額定工作距離0：指被測金屬板從側(cè)向（徑向）接近式接近開關(guān)在實際使用中被設定的安裝距離。在此距離上，接近開關(guān)不應受溫度變化、電源波動等外界干擾而產(chǎn)生誤動作。額定工作距離0一定是小于動

7、作距離min。實際應用中，考慮到各方面環(huán)境因素干擾的影響，通常將額定工作距離設定為動作距離的75%。7/19/202210任務二 電感式(渦流原理)接近開關(guān)的應用一、電感式接近開關(guān)的規(guī)格及接線方式1電感式接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式圖9-21a的形式便于調(diào)整與被測物之間的間距。圖9-21b、c的形式可用于板材的檢測，圖9-21d、e可用于線材的檢測。圖9-21 電感式接近開關(guān)的幾種結(jié)構(gòu)形式a）圓柱形（非齊平式） b）平面安裝型 c）矩形 d）槽形 e）貫穿型7/19/202211調(diào)幅式電感(渦流) 接近開關(guān)原理框圖調(diào)幅式（鑒幅式）檢測電路：以輸出高頻信號的幅度來反映渦流探頭與被測金屬導體之間的關(guān)系。當被

8、測金屬與接近開關(guān)探頭的距離小于設定值時，振蕩電路停振。接近開關(guān)動作，輸出開關(guān)量信號。7/19/202212渦流線圈的直徑越大，探測范圍就越大（渦流探雷器） 7/19/2022132被測金屬體接近電感式接近開關(guān)的方式（1）軸向接近：被測金屬體a沿圖9-22a中接近開關(guān)的軸線，從左側(cè)逐漸靠近接近開關(guān)（見圖9-22a中的x位移），金屬板上的渦流逐漸增大，當兩者的距離達到min時，接近開關(guān)動作；當兩者的距離再次遠達max時，接近開關(guān)復位。圖9-22a NPN型三線制電感接近開關(guān)原理框圖 7/19/202214（2）側(cè)向接近（徑向接近） 被測金屬體b的平面與接近開關(guān)的端面空間距離保持為“安裝距離”0（約

9、為xmin的70%）；被測金屬體b從圖9-22a中的下方逐漸靠近接近開關(guān)（見圖9-22b中的y位移）。當被測金屬體b的頂部進入“動作區(qū)”（見圖9-22b中的細斜線范圍）后,接近開關(guān)動作；當被測金屬體b繼續(xù)往上移處于動作區(qū)時,接近開關(guān)保持動作狀態(tài)；當被測金屬體b繼續(xù)上移，直到其下端離開動作區(qū)后，接近開關(guān)復位(放大圖見后頁)7/19/202215圖9-22 NPN型三線制電感接近開關(guān)的原理、特性及接線b）x、y方向的兩種接近方式c）齊平式NPN型、OC門常開輸出電路7/19/202216圖9-22b：接近方式、c：電路、d：特性放大圖軸向接近 側(cè)向接近 7/19/2022173NPN型電感式接近開

10、關(guān)的接線及使用注意事項三線制接線方式：棕色引線接電源正極VCC（1835V）；藍色引線電源負極（接地）；黑色引線接輸出端。接近開關(guān)有常開、常閉之分；按觸點型式可分為：繼電器輸出型和OC門（集電極開路輸出門）。繼電器的觸點的耐壓高，電流容量較大，不易燒毀，但響應慢。OC門的動作時間可小于0.1ms。OC門的輸出又有“PNP型”和“NPN型”之分。7/19/2022183NPN型電感式接近開關(guān)的接線及使用注意事項（1）復位狀態(tài)：當被測金屬物體遠離接近開關(guān)時，UB=0，OC門的基極電流IB=0，NPN晶體管構(gòu)成的OC門截止，OUT端為高阻態(tài)（接入負載或上拉電阻后為接近電源電壓的高電平）。（2）動作狀

11、態(tài)：當被測金屬體逐漸靠近接近開關(guān)，到達動作距離min時，OC門的輸出端對地導通，OUT端對地為低電平（約0.3V）。將中間繼電器KA跨接在VCC與OUT端之間時，KA線圈得電，轉(zhuǎn)變?yōu)槲蠣顟B(tài)。7/19/202219請按NPN常開型接近開關(guān)的接線圖，將各元件正確地連接起來。7/19/202220請按NPN常開型接近開關(guān)的接線圖，將各元件正確地連接起來。接線完成開始接線7/19/202221NPN型電感式接近開關(guān)的接線及使用注意事項(續(xù))當被測物體再次逐漸遠離接近開關(guān)，到達復位距離max時，OC門再次截止，KA線圈失電。 （3）施密特特性：為接近開關(guān)的動作滯差（也稱為“動作回差”）?；夭钤酱螅箼C

12、械振動干擾的能力就越強。建議安裝距離”0為min的70%。7/19/202222NPN型電感式接近開關(guān)的接線及使用注意事項(續(xù))（4）續(xù)流二極管：用于保護OC門。工作過程中，若續(xù)流二極管VD未接或虛焊，在接近開關(guān)復位的瞬間，KA突然斷電，帶有鐵心的KA線圈將產(chǎn)生較大的感應電壓（也稱過電壓，e=-L di/dt），有可能將OC門擊穿。7/19/202223NPN型電感式接近開關(guān)的接線及使用注意事項(續(xù))（5）過電流保護：工作過程中，若流過接近開關(guān)的負載端口的電流超過額定值，有些型號的接近開關(guān)背面紅色“工作指示燈”LED會產(chǎn)生“過電流閃爍”。過電流越大，閃爍越快；過電流排除后，停止閃爍，恢復穩(wěn)定的

13、紅色指示。（6）其他輸出型式的接近開關(guān)：有的廠商會將接近開關(guān)的“常開”和“常閉”信號同時引出，屬于四線式。兩線制接近開關(guān)：當被測物到達額定距離時，接近開關(guān)的工作電流突然增大。ASI總線式輸出類型：可以在一對總線上最多搭接256個接近開關(guān)，在250m范圍內(nèi)進行串行通信，大大減少了電纜線的數(shù)量。7/19/202224PNP常開型接近開關(guān)的電路 PNP型接近開關(guān)稱為電流流出型開關(guān)，當被測物體未靠近接近開關(guān)時，PNP晶體管（OC門）截止，OUT端為高阻態(tài)（懸空），接入負載后，負載上端與地線等電位，負載兩端沒有電壓差。 當被測物體逐漸靠近，到達動作距離min時，PNP型晶體管導通，輸出端相當于接到電源V

14、cc，OUT端對地為高電平(約Vcc -0.3V)。7/19/202225PNP常開型接近開關(guān)的接線 PNP型接近開關(guān)的負載（例如中間繼電器）接在地線和OUT端之間。 為了保護OC門的集電極不至于在斷電的瞬間被電感性負載所產(chǎn)生的過電流所擊穿，必須在電感性負載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。 7/19/202226PNP常開型接近開關(guān)的施密特特性 PNP是電流流出型開關(guān)，負載接在地線和信號線之間。當被測物體未靠近接近開關(guān)時，PNP晶體管截止，OUT端為高阻態(tài)，輸出端與地線等電位，負載不得電；當被測體逐漸靠近，到達動作距離min時，PNP型晶體管導通，輸出端相當于接到電源Vcc，OUT端對地為高電平(約Vcc

15、 -0.3V)。 當被測物體逐漸遠離接近開關(guān)，到達復位距離max時，PNP晶體管再次截止，KA失電。 7/19/202227圖9-23 接近開關(guān)的接線方式a）NPN型常開二線制 b）PNP型常閉二線制 c）NPN型常開三線制 d）PNP型常開三線制 e）NPN型常開、常閉四線制 f）PNP型常開、常閉四線制7/19/202228四線制接近開關(guān)的接線說明有的位移傳感器同時具備兩種動輸出狀態(tài)，可選擇從高電壓向低電壓轉(zhuǎn)變、和從低電壓向高電壓轉(zhuǎn)變兩種方式，分別稱為NPN和PNP輸出模式，俗稱為常開輸出或常閉輸出模式。7/19/202229表9-3 LIONPOWER接近開關(guān)的主要技術(shù)指標參數(shù)名稱指 標

16、殼體材料ABS觸點控制功率/W10最大觸點電壓/VDC 100最小擊穿電壓/VAC 250最大觸點電流/ADC 1最大接觸電阻/m100最小絕緣電阻/108最大動作時間/ms0.1最大復位時間/ms0.4工作電壓/VDC 8367/19/202230接近開關(guān)的主要性能指標 額定動作距離、復位距離、工作距離、動作滯差的關(guān)系。 7/19/202231二、接近開關(guān)與PLC的接線當圖9-24中的開關(guān)S閉合（接近開關(guān)動作）后，PLC的輸入端有電流，PLC面板上的I/O信號燈（可見光指示二極管VL）亮。PLC輸入回路IC1稱為“光耦”（“光耦合器”或“光電耦合器”的簡稱）。當圖9-24a中的S跳變?yōu)榈碗娖?/p>

17、后，有電流從VCC流過VL1、VL、Ri、S到COM端（地線）。(放大圖見后頁)7/19/202232圖9-24a NPN型接近開關(guān)與PLC的接線a）低電平有效的無源輸入電路 7/19/202233NPN型接近開關(guān)的輸出電路7/19/202234NPN型接近開關(guān)與PLC等設備的接線（續(xù)）7/19/202235PLC的“漏型輸入”：全部輸入信號的一端匯總到輸入的公共連接端COM，又稱為“匯點輸入”（例如三菱PLC）接地7/19/202236PNP型接近開關(guān)的輸出電路7/19/202237PNP型接近開關(guān)與PLC等設備的連接電路（續(xù)）7/19/202238PNP常開型接近開關(guān)與PLC的接線（續(xù)）如

18、果外部開關(guān)量輸入觸點的公共端接到了電源的正端，這種情況就不能使用NPN型接近開關(guān)。 7/19/202239PLC的源型輸入：“源型輸入”，是一種由外部提供輸入信號電源或使用PLC內(nèi)部提供給輸入回路的24V電源，全部輸入信號為“有源”信號。 （例如西門子PLC的輸入方式）7/19/202240圖9-24b PNP型接近開關(guān)與PLC的接線b）高電平有效的有源輸入電路7/19/202241NPN接近開關(guān)與PLC的接口工作過程若光耦中的紅外發(fā)光二極管有足夠的電流通過，就能發(fā)出較強的紅外線，照射到封裝在光耦中的光敏晶體管V集電結(jié)上，V飽和，發(fā)射極電壓UE=VCC-UCES，為高電平。再經(jīng)施密特整形電路，

19、輸入到PLC的內(nèi)部信號處理電路。光耦在PLC的輸入電路中起到“電光電”的轉(zhuǎn)換與傳輸作用。當傳感器的輸入電路有很大的對地“共?！备蓴_電壓時，若不使用光耦，共模干擾就能直接竄入PLC的主控制回路；若使用光耦，共模干擾電壓無法在光耦的紅外發(fā)光二極管中產(chǎn)生電流（或者極其微小），共模干擾就無法通過光耦傳輸?shù)絇LC的主控制回路。光耦在PLC輸入電路中起到抗電磁共模干擾的作用。7/19/202242【PLC的輸入/輸出狀態(tài)填表訓練】金屬與接近開關(guān)的距離接近開關(guān)狀態(tài)光耦中的紅外二極管狀態(tài)光耦中的光敏晶體管施密特整形電路輸入端施密特整形電路輸出端遠暗截止低電平近導通低電平7/19/202243三、兩線制接近開關(guān)

20、與交流接觸器的接線圖9-25 常閉型兩線制接近開關(guān)與380V交流接觸器的接線圖當按下（或點觸）按鈕SB1時，KM線圈得電，KM的輔助觸點閉合，接觸器自鎖，三相電動機旋轉(zhuǎn)。當有金屬物體從右方逐漸靠近該接近開關(guān)并到達動作距離min時，常閉式接近開關(guān)的內(nèi)部繼電器觸點斷開，KM線圈失電，三相電動機停轉(zhuǎn)。7/19/202244電動機的交流接觸器電路7/19/202245四、電感式接近開關(guān)的應用實例圖9-26 工件的加工定位與計數(shù)1生產(chǎn)工件加工定位7/19/202246生產(chǎn)工件加工定位原理分析a）接近開關(guān)的安裝位置 b）感辨頭及調(diào)幅式轉(zhuǎn)換電路 c）PNP型接近開關(guān)動作滯差特性1加工機床 2刀具 3金屬工件

21、 4加工位置 5減速接近開關(guān) 6定位接近開關(guān) 7傳送機構(gòu) 8計數(shù)器-位置控制器當傳送機構(gòu)將待加工的金屬工件運送到靠近“減速”接近開關(guān)面前時，該接近開關(guān)發(fā)出“減速”信號，傳送機構(gòu)減速，以提高定位準確度。當金屬工件到達“定位”接近開關(guān)面前時，定位接近開關(guān)發(fā)出“動作”信號（高電平），使傳送機構(gòu)停止運行并“剎車”，加工刀具緊接著對工件進行機械加工。7/19/202247PNP型接近開關(guān)動作滯差特性如果工件從遠處逐漸向接近開關(guān)靠近，到達min位置（2mm）時，開關(guān)動作。當流水線上有不可避免的機械振動時，工件后退了0.5mm（變?yōu)?.5mm）。這個微小的機械干擾（ 1mm ）無法讓接近開關(guān)復位，這個特性稱

22、為接近開關(guān)的“動作滯差特性”，可以避免控制繼電器反復吸合及釋放。7/19/202248流水線上工件自動定位的例子圖9-26 工件的加工定位與計數(shù)7/19/2022492生產(chǎn)零部件計數(shù)當傳送帶上每一個金屬工件從接近開關(guān)面前經(jīng)過時，接近開關(guān)動作一次，輸出一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器加1。傳送帶在運行中有可能產(chǎn)生抖動，此時若工件剛進入接近開關(guān)動作距離區(qū)域，因抖動使工件稍微遠離接近開關(guān)，然后再進入動作距離范圍，有可能會產(chǎn)生兩個以上的計數(shù)脈沖。通常在比較器電路中加入正反饋電阻，形成有滯差電壓比較器，使之具有“施密特”特性。當工件從遠處逐漸向接近開關(guān)靠近，到達min位置時，開關(guān)動作。要想讓它翻轉(zhuǎn)回到低電平，則需要

23、讓工件倒退的距離（max的位置）。大大超過抖動造成的倒退量，所以接近開關(guān)一旦動作，只能產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，微小的干擾無法讓其復位，稱為動作滯差特性。7/19/202250工件計數(shù)7/19/202251表9-4 NPN常閉、PNP常閉型接近開關(guān)的施密特特性比較電路形式無金屬物體靠近時金屬物體靠近到動作距離后晶體管狀態(tài)ICUo晶體管狀態(tài)ICUoNPN輸出截止0VCC(高電平)導通(VCC-0.3)/RLUCES(0.3V，低電平)PNP輸出截止00V(低電平)導通(VCC-0.3)/RLVCC-0.3)V（高電平)7/19/202252【PNP常開型接近開關(guān)的特性填表訓練（VCC=24V，UCES=

24、0.3V RL=0.1k）】金屬與接近開關(guān)的距離晶體管狀態(tài)IC/mAUo/V遠截止近23723.77/19/202253任務三 電容式接近開關(guān)的應用一、電容式接近開關(guān)的結(jié)構(gòu)及工作原理檢測極板設置在接近開關(guān)的最前端，測量轉(zhuǎn)換電路安裝在接近開關(guān)殼體后部，并用介質(zhì)損耗很小的環(huán)氧樹脂充填、灌封?！胺驱R平式接近開關(guān)”的端部必須比金屬安裝平面突出10mm左右，接近開關(guān)端部的高頻電場信號才不至于被比金屬安裝平面衰減?！褒R平式接近開關(guān)”的端面可以與金屬安裝平面齊平，不易損壞，但端面高頻電場受金屬安裝平面的影響，靈敏度較低，動作距離約為同系列接近開關(guān)的2倍。7/19/202254圖9-27 圓柱形電容式接近開關(guān)

25、（放大圖見下頁）a）結(jié)構(gòu)示意圖 b）調(diào)幅式測量轉(zhuǎn)換電路原理框圖1被測物 2上檢測極板（或內(nèi)圓電極） 3下檢測極板（或外圓電極） 4充填環(huán)氧樹脂 5測量轉(zhuǎn)換電路板 6塑料外殼 7靈敏度調(diào)節(jié)電位器RP 8動作指示燈 9電纜 10非齊平式安裝板（金屬，接地） UR比較器的基準電壓7/19/202255圖9-277/19/202256電容式接近開關(guān)的工作原理當沒有被測物體靠近電容式接近開關(guān)時，C1與C2很小，LC振蕩器停振。當被測物體朝著電容式接近開關(guān)的兩個同心圓電極靠近時，兩個電極與被測物體構(gòu)成串聯(lián)等效電容C 。7/19/202257電容式接近開關(guān)的工作原理（續(xù)）當C增大到設定值時,LC振蕩器起振（

26、工作電流隨之增大）。振蕩器的高頻輸出電壓uo經(jīng)二極管VD檢波和RC低通濾波器濾波,得到正半周信號的平均值。經(jīng)直流電壓放大電路放大后的輸出電壓Uo1與基準電壓UR進行比較。若Uo1超過基準電壓時,比較器翻轉(zhuǎn),產(chǎn)生動作信號。7/19/202258圖9-28 電容式接近開關(guān)的外形a）齊平式（允許金屬安裝平面與探頭的端面齊平） b）非齊平式 c）非齊平夾具安裝式7/19/202259電容式接近開關(guān)外形齊平式非齊平式7/19/202260接近開關(guān)的非齊平式與齊平式的比較齊平式安裝非齊平式安裝7/19/202261非齊平式接近開關(guān)的安裝 非齊平式安裝時，傳感器高于安裝支架，易損壞。7/19/202262全

27、密封防水式大量程遠距離式7/19/202263電容接近開關(guān)的規(guī)格7/19/202264二、電容式接近開關(guān)的特性圖9-29 動作距離與被檢測物體的材料、性質(zhì)、尺寸的關(guān)系用指甲去接觸電容觸摸屏是不起作用的7/19/202265電容式接近開關(guān)靈敏度與被測物材料的關(guān)系當被測物是導電金屬物體時，即使兩者的距離較遠，但等效電容C仍較大，LC回路較容易起振，所以靈敏度較高。若被測物的面積小于電容式接近開關(guān)直徑的2倍時，靈敏度顯著較低。電容觸摸屏示意圖7/19/202266電容式接近開關(guān)靈敏度與被測物材料的關(guān)系（續(xù)）對于非金屬物體，例如：水、紙板、皮革、塑料、陶瓷、玻璃、沙石、糧食等，動作距離決定于材料的介電

28、常數(shù)和電導率以及被測物體的面積。介電常數(shù)大、且導電性能較好的物體（例如含水的有機物、人的手等），動作距離略小于金屬物體。物體的含水量越小，面積越小，動作距離也越小，靈敏度就越低。尼龍、聚四氟乙烯等介質(zhì)損耗小的物體靈敏度較低7/19/202267不同材料的非金屬檢測物對電容式接近開關(guān)動作距離的影響7/19/202268電容接近開關(guān)的調(diào)試接近開關(guān)的輸出有NPN、PNP和AC兩線制等多種型式。Rf在比較器電路中起正反饋作用，使比較器具有施密特特性。Rf越小，翻轉(zhuǎn)時的回差就越大，抗干擾能力就越強，通常將回差控制在動作距離的20%之內(nèi)。比較器之后設置了OC門輸出級電路，有較大的負載能力。通?？梢则?qū)動10

29、0mA的感性負載，或300mA的阻性負載。7/19/202269電容接近開關(guān)的調(diào)試（續(xù)）當被測物是導電物體時，即使兩者的距離較遠，但等效電容C 仍較大，RC回路較容易起振，所以金屬的靈敏度較高。物體的含水量越小，面積越小，動作距離也越小，靈敏度就越低。大多數(shù)電容接近開關(guān)的尾部有一個多圈微調(diào)電位器RP，用于調(diào)整特定對象的動作距離。 7/19/202270三、電容式接近開關(guān)的使用圖9-30 電容式接近開關(guān)的應用a）外掛式電容接近開關(guān) b）內(nèi)裝式電容接近開關(guān)1塑料容器外壁 2下料管 3含水顆粒 4電容式接近開關(guān) 5物位7/19/202271電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用演示7/19/20227

30、2 電容式接近開關(guān)在物位測量控制中的使用7/19/202273電容式接近開關(guān)在液位物位測量控制中的使用對應的光柱顯示7/19/202274任務四 霍爾式接近開關(guān)的應用一、霍爾式傳感器工作原理霍爾效應：金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。該電動勢稱為霍爾電動勢，上述半導體薄片稱為霍爾元件。 霍爾元件是一種四端元件7/19/202275霍爾元件結(jié)構(gòu)圖9-31 霍爾元件示意圖a）霍爾效應原理圖 b）N型硅霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖 c）圖形符號 d）外形7/19/202276霍爾元件工作原理設

31、磁場垂直于霍爾薄片，磁感應強度為B。當有電子流過霍爾薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)（d側(cè)）偏移，該側(cè)形成電子的堆積，從而在薄片的c、d方向產(chǎn)生電場E。隨后電子一方面受到洛侖茲力的作用，另一方面又同時受到該電場力的作用。這兩種力的方向恰好相反。當電場力等于洛侖茲力時，電子的積累達到動態(tài)平衡。這時，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起一個“霍爾電動勢”。霍爾電動勢EH=KHIB （9-5）式中 KH霍爾元件的靈敏度。7/19/202277霍爾元件的工作過程分析 當有電流I 流過薄片時，如果磁場為零，則霍爾電動勢也為零。 磁感應強度B為零時的情況cdab7/19/202278磁感應強度B

32、不等零時的情況 作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電動勢也就越高： EH=KH IBabcd7/19/202279霍爾效應演示 當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)（d 側(cè)）偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電動勢。cdabdabc7/19/202280磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電動勢 EH=KHIBcos （9-6）7/19/202281磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢演示結(jié)論：霍爾電動勢與

33、輸入電流I、磁感應強度B成正比。當B的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨之改變。 如果所施加的磁場為交變磁場，霍爾電動勢為同頻率的交變電動勢。aacdb7/19/202282二、霍爾元件的主要外特性參數(shù) 輸入電阻稱為Ri。為了減少溫度的影響，通常采用恒流源作為電流激勵源；輸出電阻Ro，后級放大電路的輸入阻抗最好要與Ro平衡，可以減小溫漂最大激勵電流I m（數(shù)值多為幾毫安）；靈敏度KH=EH/(IB)，單位為mV/(mAT)；最大磁感應強度Bm通常為零點幾特斯拉（1T=104Gs）；霍爾電動勢溫度系數(shù)一般約為0.1%/左右。在要求較高的場合，應選擇低溫漂的霍爾元件。7/19/202283霍爾元件的

34、主要特性參數(shù)（續(xù)） 最大磁感應強度BM 上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯到正的多少高斯？（1T104Gs）線性區(qū)mV調(diào)零7/19/202284霍爾元件的主要特性參數(shù)（續(xù)） 最大激勵電流IM : 由于霍爾電動勢隨激勵電流增大而增大，故在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電動勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。 以下哪一個激勵電流的數(shù)值較為妥當？8A 0.8mA 8mA 80mA 7/19/202285三、霍爾集成電路 霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。 線性型集成電路是

35、將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。開關(guān)型三端霍爾集成電路7/19/202286線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準霍爾器件的正面）時， 輸出為正電壓；磁場反向時，輸出為負電壓。 請畫出線性范圍7/19/202287線性型霍爾集成電路的調(diào)零 當UGN3501M感受的磁場為零時，調(diào)節(jié)5、6、7之間的調(diào)零電位器，可使第1引腳相對于第8引腳的輸出電壓等于零。7/19/202288開關(guān)型霍爾集成電

36、路 開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。 有一些開關(guān)型霍爾式集成電路內(nèi)部還包括雙穩(wěn)態(tài)電路，這種器件的特點是必須施加相反極性的磁場，電路的輸出才能翻轉(zhuǎn)回到高電平，也就是說，具有“鎖定”功能。這類器件又稱為鎖鍵型霍爾式集成電路，如UGN3075等。7/19/202289開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門 施密特 觸發(fā)電路 雙端輸入、 單

37、端輸出運放霍爾 元件.Vcc7/19/202290開關(guān)型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線 請按以下電路，將下一頁中的有關(guān)元件連接起來.7/19/202291開始接線開關(guān)型霍爾集成電路與繼電器的接線?接線完畢7/19/202292開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性 接近開關(guān)電路的回差越大，抗振動干擾能力就越強。 當磁鐵從遠到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？當磁鐵從近到遠地遠離霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當于多少高斯（Gs）？ 7/19/202293四、霍爾式接近開關(guān)及其應用霍爾式接近開關(guān)的檢測對象是普通的鐵磁材料，也有的型號適用于帶有磁性的材料，用于識別附

38、近有無上述材料物體的存在?；魻柺浇咏_關(guān)內(nèi)部的核心部件是開關(guān)型霍爾集成電路，殼體的端部封裝有一個圓片形的永久磁鐵，N極朝外，如圖9-34a所示。當導磁的被測物接近霍爾式接近開關(guān)時，加強了穿過開關(guān)型霍爾集成電路的磁感應強度B，如圖9-34b所示。當B值達到設定值時，電路的輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。7/19/202294霍爾傳感器的適應領(lǐng)域霍爾電動勢是關(guān)于I、B、 三個變量的函數(shù)，即： EH=KHIBcos 。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器可以有許多用途?；魻杺鞲衅髦饕糜跍y量能夠轉(zhuǎn)換為磁場變化的其他物理量。7/19/202

39、295圖9-34 霍爾式接近開關(guān)應用示意圖a）霍爾式接近開關(guān)的外形7/19/202296圖9-34 霍爾式接近開關(guān)應用示意圖（續(xù)）b）被檢測對象是鐵磁材料 1機械手 2鐵磁檢測板7/19/202297圖9-34 霍爾式接近開關(guān)應用示意圖（續(xù)）c）被檢測對象是永久磁鐵3工作臺 4絲杠-螺母副 H霍爾式接近開關(guān) M電動機 PC角編碼器7/19/202298圖9-34 霍爾式接近開關(guān)應用示意圖（續(xù)）d）被檢測對象是旋轉(zhuǎn)翼片5分流翼片H霍爾式接近開關(guān)7/19/2022992具有鎖定功能的霍爾式接近開關(guān)的應用具有鎖定功能的霍爾式接近開關(guān)具有以下功能：當外界磁鐵的N極接近具有鎖定功能的霍爾接近開關(guān)時，接近

40、開關(guān)的輸出跳變?yōu)楦唠娖?；N極離開后高電平狀態(tài)被保持；當外界磁鐵的S極接近具有鎖定功能的接近開關(guān)時，接近開關(guān)的輸出跳變?yōu)榈碗娖?，S極離開后，低電平狀態(tài)被保持。7/19/2022100具有鎖定功能的霍爾式接近開關(guān)的應用(續(xù))工作過程分析：具有鎖定功能的霍爾式接近開關(guān)H隨工作臺向右運動。當H與絲杠右側(cè)永久磁鐵的S極距離小于某一數(shù)值時，H的輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑ㄖ刂葡到y(tǒng)停止工作臺向右運動，并開始改為向左運動。當H向左運動到達左側(cè)的永久磁鐵N極附近時，H輸出重新跳變?yōu)楦唠娖剑瑥亩鴮崿F(xiàn)工作臺的左右往復運動。7/19/20221013不帶永久磁鐵霍爾式接近開關(guān)的應用有一些霍爾式接近開關(guān)的端部沒有封裝

41、永久磁鐵圓片，必須依賴外界的永久磁鐵構(gòu)成磁場回路。此種情況下，必須增加永久磁鐵。外界永久磁鐵的S極必須朝向霍爾式接近開關(guān)。磁鐵S極7/19/2022102圖9-34d 軟鐵分流式轉(zhuǎn)速測量示意圖永久磁鐵和霍爾式接近開關(guān)的安裝平面保持額定的間隙。軟鐵制作的分流翼片與運動部件聯(lián)動。當它移動到永久磁鐵與霍爾式接近開關(guān)之間時，磁力線被屏蔽（分流），無法到達霍爾式接近開關(guān)，所以霍爾式接近開關(guān)輸出為高電平；當霍爾式接近開關(guān)與永久磁鐵之間處于分流翼片的空隙位置時，輸出為低電平。如果分流翼片連續(xù)旋轉(zhuǎn)，則霍爾式接近開關(guān)輸出連續(xù)脈沖。改變分流翼片的寬度可以改變霍爾式接近開關(guān)輸出的高電平的占空比q。7/19/2022

42、103霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片 開關(guān)型霍爾IC T7/19/2022104霍爾轉(zhuǎn)速表在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的脈沖信號經(jīng)整形后，可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN霍爾器件磁鐵7/19/2022105霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出低電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，磁力線從上下側(cè)通過，輸出為高電平。7/19/20221064汽車ABS 當汽車緊急剎車時，使汽

43、車減速的外力主要來自于地面作用于車輪的摩擦力，即“地面附著力”。而地面附著力的最大值出現(xiàn)在車輪接近抱死而尚未抱死的狀態(tài)。這就必須在汽車的前后輪各設置一套“防抱死制動系統(tǒng)”，又稱為ABS。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾7/19/2022107圖9-36 磁電式汽車輪速檢測原理（防抱死）a）結(jié)構(gòu)圖 b）輸出波形1齒圈 2磁極 3傳感頭線圈（或霍爾器件） 4永久磁鐵 z齒數(shù) uo磁電線圈的輸出脈沖電壓 uo施密特整形后的輸出脈沖電壓7/19/2022108霍爾式無觸點汽車電子點火裝置 采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。 汽車點火線

44、圈高壓輸出電纜接頭12V低壓電源輸入接頭7/19/2022109傳統(tǒng)點火系統(tǒng)組成7/19/2022110霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理 桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖 1-觸發(fā)器葉片 2-槽口 3-分電器轉(zhuǎn)軸 4-永久磁鐵 5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC） a）帶缺口的觸發(fā)器葉片 b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系 c）葉片位置與點火正時的關(guān)系 7/19/2022111汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火總成7/19/2022112霍爾式無刷電動機 霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。 由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應用。 普通直流電動機使用的電刷和換向器7/1