磁性接近开关的工作原理（磁性接近开关工作原理）

早期的磁传感器是随着磁测量仪器的进步而逐渐发展起来的。在众多的磁测量方法中，大多数都是将磁场信息转换成电信号进行测量。磁测量仪器中的“探头”或“取样装置”是磁传感器。随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗器械等的快速发展。以及计算机应用的普及，需要大量的传感器将需要测量和控制的非电量参数转换成与计算机兼容的信号，并作为其输入信号，这为磁传感器的快速发展提供了契机，形成了规模可观的磁传感器产业。

接近开关是该系列众多传感器中的一种。它是一种利用电磁工作原理，采用先进技术制成的位置传感器。它可以改变传感器与物体之间的位置关系，将非电或电磁量转换成所需的电信号，从而达到控制或测量的目的。目前接近传感器的原理有电感式、磁性式、光学式、超声波式和电容式。本文介绍了几种常见的接近开关，并说明了它们的原理和应用。

1.电容式接近开关

原则：

电容式接近开关的敏感元件由导电板系统组成，可视为一个或一组电容器。出现或经过附近的电导体和电介质改变了板系统中的静电场分布，从而改变了敏感元件的电容。当信号处理电路检测到这种变化时，它可以检测目标物体的接近。相比之下，电容式传感器结构简单，工作阻抗高，功耗低。此外，还可以通过锁频或扩频载波调制技术保护其免受寄生或有意干扰。其他方案很难满足设计者的要求。

开关的机械稳定性和可靠性差，磁敏模式功耗太大，易受外界磁场影响。光学和超声波传感器结构复杂，易受外界干扰。

2.感应接近开关

原则：

电感式接近开关是一种具有开关输出的位置传感器，由LC高频振荡器、信号触发器和开关放大器组成。振荡电路的线圈产生高频交流磁场，该磁场通过传感器的感测表面释放。当金属物体靠近能产生电磁场的振荡感应头时，会在金属物体内部产生涡流。这个涡流反作用在接近开关上，衰减了接近开关的振荡能力，改变了内部电路的参数。当信号触发器检测到这种衰减现象时，就会转换成开关电信号。因此，识别金属物体是否接近开关，然后控制开关的接通或断开。

这个接近开关能探测到的物体必须是金属物体。

3.霍尔接近开关

3.1原则

当一片通有电流的金属或半导体垂直放置在磁场中时，薄片两端会产生电位差，这种现象称为霍尔效应。两端的电位差称为霍尔电位U，其表达式为：U=K.i.b/d，其中K为霍尔系数，I为通过薄片的电流，B为外加磁场的磁感应强度(Lorrentz)，D为薄片的厚度。因此，霍尔效应的灵敏度与施加磁场的磁感应强度成正比。霍尔接近开关就属于这种有源磁/电转换器件，是在霍尔效应原理的基础上，采用先进的集成封装组装技术制成的。在实际应用中可以方便地将磁输入信号转换成电信号，同时在工业应用中有操作简便、可靠的要求。霍尔接近开关的输入以磁感应B为特征，当B的值达到一定电平(如B1)时，开关内部的触发器翻转，霍尔接近开关的输出电平状态翻转。通常，输出端采用

霍尔接近开关是磁性接近开关的一种，具有无电击、功耗低、寿命长、响应频率高等特点。其内部采用环氧树脂密封制成一体式结构，因此能在各种恶劣环境下可靠工作。它可以应用于接近开关、压力开关、里程表等。它是一种新型的电器附件。霍尔开关的响应频率高于感应开关，感应开关由磁钢触发，感应开关由导磁金属触发。霍尔开关的感应距离不仅与传感器本身的性能有关，还与所选磁钢的磁场强度有关。

3.2霍尔接近开关术语的解释

磁感应强度：霍尔接近开关工作时，要求磁钢具有磁场强度。一般磁感应强度b为0.02~0.05特斯拉。

响应频率：霍尔开关在规定的1秒时间间隔内允许操作和循环的次数。

输出状态：可分为常开、常闭、锁存和其他类型。比如，没有检测到物体时，常开霍尔开关连接的负载不会工作，因为霍尔接近开关内部的输出晶体管关断；当检测到物体时，晶体管导通，负载通电工作。

输出形式：可分为NPN、PNP、常开、常闭、多功能等常见输出形式。

动作距离：动作距离是指被检测物体以一定方式运动时，开关操作到检测面时测得的基准位置(霍尔开关的感应面)到基准位置的空间距离。额定操作距离是指霍尔开关操作距离的标称值。

返回距离：动作距离和复位距离的绝对值。

3.3应用示例

由于转速信号是以脉冲的形式出现的，当被测磁性物体的磁场强度达到25特斯拉以上时，其输出就是标准的TTL电平。利用计算机的智能控制和运算功能，使转速表简单、准确。比如用3020霍尔接近开关，用8031单片机(它的晶振是6MHz，12分频后是0.5MHz)，最大实测速度是0.5MHz，而最小实测速度可以无限低。

3.4注意事项

DC霍尔接近开关产品使用的DC电压为3~28V，其典型应用范围一般为5~24V。电压过高会造成其内部霍尔元件参数随电压升高而不稳定，而电压过低则容易使外部温度变化影响磁场强度特性，从而造成电路误动作。

当霍尔接近开关用于驱动感性负载时，请在负载两端连接续流二极管，否则在感性负载长期作用过程中，霍尔开关的使用寿命会受到瞬态高压脉冲的影响。

霍尔接近开关产品一般采用SMD工艺制造，经过严格测试后才出厂。一般情况下不会损坏，但为了防止意外，用户在接通电源前要检查接线是否正确，检查电压是否额定。

4.磁性接近开关

4.1工作原理

磁性接近开关能够以较小的开关体积实现最大的检测距离。它可以检测磁性物体(通常是永磁体)，然后产生触发开关信号输出。因为磁场可以穿过很多非磁性物体，所以在这个触发过程中不需要将目标物体直接靠近磁性接近开关的感应面，而是通过一个导磁体(比如铁)将磁场传输到很远的地方。例如，信号可以在高温下传输到磁性接近开关，以产生触发动作信号。其工作原理类似于感应式接近开关。它包括一个LC振荡器、一个信号触发器、一个开关放大器和一个高磁导率的非晶软磁玻璃金属芯。磁芯引起涡流损耗，使振荡电路衰减。如果将其放置在磁场中(例如，靠近永磁体)，此时影响振荡电路衰减的涡流损耗将减少，振荡电路将不再衰减。因此，磁性接近开关的功耗由于永磁体的接近而增加，并且信号触发器被激活以产生输出信号。它的应用范围很广，如：可以通过塑料容器或导管检测物体；高温环境下的物体探测：物质歧视制度；用磁铁识别代码等。

4.2特点

1)优势

可整体安装在金属内。

没有并排安装的要求。

顶部(感应面)可由金属制成。

价格低廉，结构简单。

传感范围大，开关频率高。

(2)缺点

作用距离受测试对象(一般为磁铁或磁钢)磁场强度影响较大。

测试体的接近方向会影响作用距离(采用轴向接近时，径向接近是作用距离的一半)。

径向接近时可能有两个工作点。

试验体固定时不允许使用铁氧体或螺丝，只能使用有色金属材料。

5.传感器技术的发展趋势

随着科学技术的发展，各国对传感器技术在信息社会中的作用有了新的认识，认为传感器技术是信息技术的关键之一。传感器技术发展的趋势之一是开发新材料、新工艺和新传感器。二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化。

5.1新材料的开发

材料是传感器技术的重要基础。随着材料科学的进步，传感器技术越来越成熟，传感器的种类也越来越多。除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料等材料外，光纤、超导材料的发展为传感器技术的发展提供了物质基础。将来会开发出更新的材料，比如纳米材料。最近，美国NRC公司开发了纳米ZrO2气体传感器。在控制汽车尾气排放方面效果良好，具有广阔的应用前景。纳米材料制成的传感器接口巨大，提供大量气体通道，导通电阻小，有利于传感器的小型化。

5.2集成技术

随着大规模集成电路技术的发展和半导体微加工技术的进步，传感器正逐渐采用集成技术实现高性能和小型化。集成温度传感器、集成压力传感器等。已经被使用，并且将来将开发更多的集成传感器。

5.3多功能集成传感器

在一个集成传感器上可以同时测量多个被测传感器，称为多功能集成传感器。80年代末，日本丰田研究所报道了一种能检测钠、钾和氢多离子传感器。最近，我国研制了一种硅压阻复合传感器，它能同时测量温度和压力。

5.4智能传感器

智能传感器是一种带有微处理器的传感器，具有检测、判断和信息处理的功能。例如，美国霍尼尔公司的ST-3000传感器是一种能够进行检测和信号处理的智能传感器。具有微处理器和存储器功能，可测量差压、静压和温度。智能传感器具有测量、存储、通信、控制等特性。在过去的20年里，智能传感器取得了巨大的进步。近年来，智能传感器的发展开始与人工智能相结合，创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高智能传感器。称之为软测量技术。已经用在家电上了，相信以后会更加成熟。智能传感器是未来传感器技术的主要发展方向。

随着科学技术的发展，人们会对无损检测提出更高的要求，而首要的就是提高传感器的功能。目前，传感器虽然在反应速度、超高精度、极限检测等方面优于生物体，但在学习效果，尤其是宏观判断方面，却远不如生物体。大部分传感器都是只看点不见面的微观传感器。而现代检测需要发展具有宏观判断和分析能力的智能传感器，既能看到两点，又能相见。但是，要实现这个目标，还有很长的路要走。面向21世纪，科学家应转变观念，利用新材料、微电子技术和计算机技术，设计出新型智能传感器，这将使材料无损检测发生革命性的变化，极大地推动无损检测技术的发展。