近距离传感器的工作机理详解

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：电感接近传感器根据上述电流特性工作。电感接近传感器经由此电路产生检测工件的电磁区域。在屏蔽接近传感器中，制造商在传感器内部添加屏蔽物质，或者将传感器的包装加上金属屏蔽物。请注意目标位置、振荡器和传感器输出信号之间的关系。

接近传感器通过磁场（电感类）或者电场（电容类），可以在不接触物体的情况下检测出物体。要想在自动化系统中应用这些传感器，首先要对其工作过程有一个基本的了解。

1.电感接近传感器的工作过程

当感性材料中的涡流电流增大时，电流的品质因数发生改变。电感接近传感器根据上述电流特性工作。图3-1所示是典型的RLC运算放大器振荡电路。电感接近传感器经由此电路产生检测工件的电磁区域。电路中有一个正反馈电阻R1连接到放大器的输入端，该输入端有一个PLC谐振回路，可以通过设置电阻R3和R4的阻值来改变放大器的增益。振荡器的频率通过电容C、电感L和可调电阻R2来调节。电阻R2是LC并联振荡回路中不可缺少的一部分。通过调节电感和电容的值，可以将振荡电路的频率范围设定在100kHz～100MHz。只有以下条件成立时，电路才会产生振荡：

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由于存在电感L，线圈中的振荡电流产生了图3-2所示的磁场区域。注意，磁场的形状是以传感器表面中心为圆心的圆环状。此区域的形状由高渗透性的铁素体材料所构成的线圈和线圈的屏蔽程度两个因素决定。在屏蔽接近传感器中，制造商在传感器内部添加屏蔽物质，或者将传感器的包装加上金属屏蔽物。不管是什么情况，屏蔽都可以使磁场更容易聚集。

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图3-2　电感接近传感器的磁场区域

如图3-2所示，当一个物体进入磁场区域，导电的金属物体内产生涡流电流。根据产生的涡流电流值，产生相应能量的磁场。涡流电流值取决于以下3个因素：①磁场内金属物体的距离和位置；②目标物体的大小和形状；③金属物体的电导率和磁导率。

如果以上3个条件中的任何一个或多个发生改变，涡流电流增加到一个特定值，此时振荡器不能承受，会停止振荡。图3-3描述了接近传感器与目标相对移动的情况。请注意目标位置、振荡器和传感器输出信号之间的关系。随着涡流电流的增加，振荡器的振幅和变化率渐渐降低，直到电路停止振荡。振荡器输出端有滤波器驱动输出电路，如图3-3（c）所示。

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图3-3　电感接近传感器振荡器输出和输出信号标准

根据电感接近传感器电路的工作过程，得出传感器的性能特性如下：①可以检测所有导电材料；②检测的目标物体不限于磁性材料；③可检测静止和移动物体；④理想目标是平坦、光滑的物体；⑤能量比较低，所以不会对目标物体产生无线电频率干扰，并且不会在目标物体上产生热量。

2.电容接近传感器工作过程

电容的电容值由电容板的形状、板间距离、板间电介质来决定。电容接近传感器利用电介质的变化改变传感器中的电容值。当一个靠近的物体与传感器的电场相互作用时，传感器内控制电路中的电容值发生改变。电容值的变化导致传感器中的放大电路产生振荡。电容接近传感器的电路与图3-1中的电感电路相似。在电感接近传感器中，振荡器的感应现象产生电磁场，但是如图3-4所示，电容接近传感器中的电容在传感器前面产生电场。注意，有一个电容板称之为电极，只有当其位于器件的检测末端时才能产生电场。产生电场的电容是调谐电路的一部分，而RLC调谐电路是传感器中振荡电路的一部分，如图3-1所示。当传感器的电场中没有物体时，称为无目标状态，振荡器停止（没有振荡），传感器没有输出信号，或者称为传感器关断。当电介质常数为1.2或者大于1.2的物体进入导电区域时，由于电容值已经高于电容阈值，传感器振荡器开始工作，此时传感器开始产生输出信号，或者称为传感器打开。

传感器中有两种电容连接方法，即不导电型和导电型（图3-5）。不导电型将电容的两极都接入到振荡器电路中。当目标进入电场后，导致电容发生变化，振荡器随即指示出物体的存在。这种类型的传感器可以用来检测所有材料的物体，只要材料的介电常数稍微大于空气即可（空气的介电常数是1.0）。第二种类型是导电型的，只有一个电极接入传感器的振荡电路。如图3-4所示，第二个电极为进入电场的导电性材料，用来产生电容使振荡器开始工作。图3-5描述了两种类型传感器的工作过程。

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