1.3　接近開(kāi)關(guān)

接近開(kāi)關(guān)和PLC并無(wú)本質(zhì)聯(lián)系，但后續(xù)章節(jié)經(jīng)常用到，所以以下將對(duì)此內(nèi)容進(jìn)行介紹。對(duì)此熟悉的讀者可以跳過(guò)。

接近式位置開(kāi)關(guān)是與（機(jī)器的）運(yùn)動(dòng)部件無(wú)機(jī)械接觸而能操作的位置開(kāi)關(guān)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的物體靠近開(kāi)關(guān)到一定位置時(shí)，開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，達(dá)到行程控制及計(jì)數(shù)自動(dòng)控制的開(kāi)關(guān)。也就是說(shuō)，它是一種非接觸式無(wú)觸點(diǎn)（觸頭）的位置開(kāi)關(guān)，是一種開(kāi)關(guān)型的傳感器，簡(jiǎn)稱接近開(kāi)關(guān)（Proximity Sensors），又稱接近傳感器，外形如圖1-15所示。接近式開(kāi)關(guān)有行程開(kāi)關(guān)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)的特性，又有傳感性能，而且動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，使用壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)等。它由感應(yīng)頭、高頻振蕩器、放大器和外殼組成。常見(jiàn)的接近開(kāi)關(guān)有LJ、CJ和SJ等系列產(chǎn)品。接近開(kāi)關(guān)的外形如圖1-15所示，其圖形符號(hào)如圖1-16（a）所示，圖1-16（b）所示為接近開(kāi)關(guān)文字符號(hào)，表明接近開(kāi)關(guān)為電容式接近開(kāi)關(guān)，在畫(huà)圖時(shí)更加適用。

1.3.1　接近開(kāi)關(guān)的功能

當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件與接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)頭接近時(shí)，就使其輸出一個(gè)電信號(hào)。接近開(kāi)關(guān)在電路中的作用與行程開(kāi)關(guān)相同，都是位置開(kāi)關(guān)，起限位作用，但兩者是有區(qū)別的：行程開(kāi)關(guān)有觸頭，是接觸式的位置開(kāi)關(guān)；而接近開(kāi)關(guān)是無(wú)觸頭的，是非接觸式的位置開(kāi)關(guān)。

1.3.2　接近開(kāi)關(guān)的分類和工作原理

按照工作原理區(qū)分，接近開(kāi)關(guān)分為電感式、電容式、光電式和磁感式等形式。另外，根據(jù)應(yīng)用電路電流的類型分為交流型和直流型。

①電感式接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)頭是一個(gè)具有鐵氧體磁芯的電感線圈，只能用于檢測(cè)金屬體，在工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。振蕩器在感應(yīng)頭表面產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬快接近感應(yīng)頭時(shí)，金屬中產(chǎn)生的渦流吸收了振蕩的能量，使振蕩減弱以至停振，因而產(chǎn)生振蕩和停振兩種信號(hào)，經(jīng)整形放大器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而起到“開(kāi)”、“關(guān)”的控制作用。通常把接近開(kāi)關(guān)剛好動(dòng)作時(shí)感應(yīng)頭與檢測(cè)物體之間的距離稱為動(dòng)作距離。

②電容式接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)頭是一個(gè)圓形平板電極，與振蕩電路的地線形成一個(gè)分布電容，當(dāng)有導(dǎo)體或其他介質(zhì)接近感應(yīng)頭時(shí)，電容量增大而使振蕩器停振，經(jīng)整形放大器輸出電信號(hào)。電容式接近開(kāi)關(guān)既能檢測(cè)金屬，又能檢測(cè)非金屬及液體。電容式傳感器體積較大，而且價(jià)格要貴一些。

③磁感式接近開(kāi)關(guān)主要指霍爾接近開(kāi)關(guān)，霍爾接近開(kāi)關(guān)的工作原理是霍爾效應(yīng)，當(dāng)帶磁性的物體靠近霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，霍爾接近開(kāi)關(guān)的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)（如由“ON”變?yōu)椤癘FF”）。有的資料上將干簧繼電器也歸類為磁性接近開(kāi)關(guān)。

④光電式傳感器是根據(jù)投光器發(fā)出的光，在檢測(cè)體上發(fā)生光量增減，用光電變換元件組成的受光器檢測(cè)物體有無(wú)、大小的非接觸式控制器件。光電式傳感器的種類很多，按照其輸出信號(hào)的形式，可以分為模擬式、數(shù)字式、開(kāi)關(guān)量輸出式。

利用光電效應(yīng)制成的傳感器稱為光電式傳感器。光電式傳感器的種類很多，其中，輸出形式為開(kāi)關(guān)量的傳感器為光電式接近開(kāi)關(guān)。

光電式接近開(kāi)關(guān)主要由光發(fā)射器和光接收器組成。光發(fā)射器用于發(fā)射紅外光或可見(jiàn)光。光接收器用于接收發(fā)射器發(fā)射的光，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以開(kāi)關(guān)量形式輸出。

按照接收器接收光的方式不同，光電式接近開(kāi)關(guān)可以分為對(duì)射式、反射式和漫射式3種。光發(fā)射器和光接收器有一體式和分體式兩種形式。

⑤此外，還有特殊種類的接近開(kāi)關(guān)，如光纖接近開(kāi)關(guān)和氣動(dòng)接近開(kāi)關(guān)。特別是光纖接近開(kāi)關(guān)在工業(yè)上使用越來(lái)越多，它非常適合在狹小的空間、惡劣的工作環(huán)境（高溫、潮濕和干擾大）、易爆環(huán)境、精度要求高等條件下使用。光纖接近開(kāi)關(guān)的問(wèn)題是價(jià)格相對(duì)較高。

1.3.3　接近開(kāi)關(guān)的選型

常用的電感式接近開(kāi)關(guān)（Inductive Sensor）型號(hào)有LJ系列，電容式接近開(kāi)關(guān)（Capacitive Sensor）型號(hào)有CJ系列，磁感式接近開(kāi)關(guān)有HJ系列，光電型接近開(kāi)關(guān)有OJ系列。當(dāng)然，還有很多廠家都有自己的產(chǎn)品系列，一般接近開(kāi)關(guān)型號(hào)的含義如圖1-17所示。接近開(kāi)關(guān)的選擇要遵循以下原則。

①接近開(kāi)關(guān)類型的選擇。檢測(cè)金屬時(shí)優(yōu)先選用感應(yīng)式接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)非金屬時(shí)選用電容式接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)磁信號(hào)時(shí)選用磁感式接近開(kāi)關(guān)。

②外觀的選擇。根據(jù)實(shí)際情況選用，但圓柱螺紋形狀的最為常見(jiàn)。

③檢測(cè)距離（Sensing Range）的選擇。根據(jù)需要選用，但注意同一接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)距離并非恒定，接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離與被檢測(cè)物體的材料、尺寸以及物體的移動(dòng)方向有關(guān)。表1-3列出了目標(biāo)物體材料對(duì)于檢測(cè)距離的影響。不難發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)式接近開(kāi)關(guān)對(duì)于有色金屬的檢測(cè)明顯不如檢測(cè)鋼和鑄鐵。常用的金屬材料不影響電容式接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離。

目標(biāo)的尺寸同樣對(duì)檢測(cè)距離有影響。滿足以下一個(gè)條件時(shí)，檢測(cè)距離不受影響。

a.檢測(cè)距離的3倍大于接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)頭的直徑，而且目標(biāo)物體的尺寸大于或等于3倍的檢測(cè)距離×3倍的檢測(cè)距離（長(zhǎng)×寬）。

b.檢測(cè)距離的3倍小于接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)頭的直徑，而且目標(biāo)物體的尺寸大于或等于檢測(cè)距離×檢測(cè)距離（長(zhǎng)×寬）。

如果目標(biāo)物體的面積達(dá)不到推薦數(shù)值，接近開(kāi)關(guān)的有效檢測(cè)距離將按照表1-4推薦的數(shù)值減少。

④信號(hào)的輸出選擇。交流接近開(kāi)關(guān)輸出交流信號(hào)，而直流接近開(kāi)關(guān)輸出直流信號(hào)。注意，負(fù)載的電流一定要小于接近開(kāi)關(guān)的輸出電流，否則應(yīng)添加轉(zhuǎn)換電路解決。接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)輸出能力見(jiàn)表1-5。

⑤觸頭數(shù)量的選擇。接近開(kāi)關(guān)有常開(kāi)觸頭和常閉觸頭。可根據(jù)具體情況選用。

⑥開(kāi)關(guān)頻率的確定。開(kāi)關(guān)頻率是指接近開(kāi)關(guān)每秒從“開(kāi)”到“關(guān)”轉(zhuǎn)換的次數(shù)。直流接近開(kāi)關(guān)可達(dá)200Hz；而交流接近開(kāi)關(guān)要小一些，只能達(dá)到25Hz。

⑦額定電壓的選擇。對(duì)于交流型的接近開(kāi)關(guān)，優(yōu)先選用220V AC和36V AC，而對(duì)于直流型的接近開(kāi)關(guān)，優(yōu)先選用12V DC和24V DC。

【例1-2】　有人說(shuō)：“電感式接近開(kāi)關(guān)，只能檢測(cè)鋼鐵，不能檢測(cè)其他材料。”請(qǐng)問(wèn)這句話對(duì)嗎？

【解】　電感式接近開(kāi)關(guān)，不但能檢測(cè)鋼鐵，而且能檢測(cè)其他金屬，只是對(duì)鋁和銅的檢測(cè)靈敏度不如鋼鐵。

1.3.4　應(yīng)用接近開(kāi)關(guān)的注意事項(xiàng)

（1）單個(gè)NPN型和PNP型接近開(kāi)關(guān)的接線

在直流電路中使用的接近開(kāi)關(guān)有二線式（2根導(dǎo)線）、三線式（3根導(dǎo)線）和四線式（4根導(dǎo)線）等多種，二線、三線、四線式接近開(kāi)關(guān)都有NPN型和PNP型兩種，通常日本和美國(guó)多使用NPN型接近開(kāi)關(guān)，歐洲多使用PNP型接近開(kāi)關(guān)，而我國(guó)則二者都有應(yīng)用。NPN型和PNP型接近開(kāi)關(guān)的接線方法不同，正確使用接近開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵就是正確接線，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

接近開(kāi)關(guān)的導(dǎo)線有多種顏色，一般BN表示棕色的導(dǎo)線，BU表示藍(lán)色的導(dǎo)線，BK表示黑色的導(dǎo)線，WH表示白色的導(dǎo)線，GR表示灰色的導(dǎo)線，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各顏色導(dǎo)線的作用按照表1-6定義。對(duì)于二線式NPN型接近開(kāi)關(guān)，棕色線與負(fù)載相連，藍(lán)色線與零電位點(diǎn)相連；對(duì)于二線式PNP型接近開(kāi)關(guān)，棕色線與高電位相連，負(fù)載的一端與接近開(kāi)關(guān)的藍(lán)色線相連，而負(fù)載的另一端與零電位點(diǎn)相連。圖1-18和圖1-19所示分別為二線式NPN型接近開(kāi)關(guān)接線圖和二線式PNP型接近開(kāi)關(guān)接線圖。

表1-6中的“NO”表示常開(kāi)、輸出，而“NC”表示常閉、輸出。

對(duì)于三線式NPN型接近開(kāi)關(guān)，棕色的導(dǎo)線與一端負(fù)載，同時(shí)與電源正極相連；黑色的導(dǎo)線是信號(hào)線，與負(fù)載的另一端相連；藍(lán)色的導(dǎo)線與電源負(fù)極相連。對(duì)于三線式PNP型接近開(kāi)關(guān)，棕色的導(dǎo)線與電源正極相連；黑色的導(dǎo)線是信號(hào)線，與負(fù)載的一端相連；藍(lán)色的導(dǎo)線與負(fù)載的另一端及電源負(fù)極相連，如圖1-20和圖1-21所示。

四線式接近開(kāi)關(guān)的接線方法與三線式接近開(kāi)關(guān)類似，只不過(guò)，四線式接近開(kāi)關(guān)多了一對(duì)觸頭而已，其接線圖如圖1-22和圖1-23所示。

（2）單個(gè)NPN型和PNP型接近開(kāi)關(guān)的接線常識(shí)

初學(xué)者經(jīng)常不能正確區(qū)分NPN型和PNP型的接近開(kāi)關(guān)，其實(shí)只要記住一點(diǎn)：PNP型接近開(kāi)關(guān)是正極開(kāi)關(guān)，也就是信號(hào)從接近開(kāi)關(guān)流向負(fù)載；而NPN型接近開(kāi)關(guān)是負(fù)極開(kāi)關(guān)，也就是信號(hào)從負(fù)載流向接近開(kāi)關(guān)。

【例1-3】　在圖1-24中，有一只NPN型接近開(kāi)關(guān)與指示燈相連，當(dāng)一個(gè)鐵塊靠近接近開(kāi)關(guān)時(shí)，回路中的電流會(huì)怎樣變化？

【解】　指示燈就是負(fù)載，當(dāng)鐵塊到達(dá)接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)區(qū)時(shí)，回路突然接通，指示燈由暗變亮，電流從很小變化到100%的幅度，電流曲線如圖1-25所示（理想狀況）。

【例1-4】　某設(shè)備用于檢測(cè)PVC物塊，當(dāng)檢測(cè)物塊時(shí)，設(shè)備上的24V DC功率為12W的報(bào)警燈亮，請(qǐng)選用合適的接近開(kāi)關(guān)，并畫(huà)出原理圖。

【解】　因?yàn)闄z測(cè)物體的材料是PVC，所以不能選用感應(yīng)接近開(kāi)關(guān)，但可選用電容式接近開(kāi)關(guān)。報(bào)警燈的額定電流為：IN===0.5A，查表1-5可知，直流接近開(kāi)關(guān)承受的最大電流為0.2A，所以采用圖1-21的方案不可行，信號(hào)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換，原理圖如圖1-26所示，當(dāng)物塊靠近接近開(kāi)關(guān)時(shí)，黑色的信號(hào)線上產(chǎn)生高電平，其負(fù)載繼電器KA的線圈得電，中間繼電器KA的常開(kāi)觸頭閉合，所以報(bào)警燈EL亮。

由于沒(méi)有特殊規(guī)定，所以PNP型或NPN型接近開(kāi)關(guān)以及二線式或三線式接近開(kāi)關(guān)都可以選用。本例選用三線式PNP型接近開(kāi)關(guān)。

（3）接近開(kāi)關(guān)的并聯(lián)

直流型接近開(kāi)關(guān)允許并聯(lián)接法，但一般不推薦將交流型接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行并聯(lián)。接近開(kāi)關(guān)并聯(lián)接線圖如圖1-27所示。二極管的作用是為了防止過(guò)載。當(dāng)剩余電流足夠小時(shí)，可以最多并聯(lián)30個(gè)接近開(kāi)關(guān)。

（4）接近開(kāi)關(guān)的串聯(lián)

接近開(kāi)關(guān)串聯(lián)接線圖如圖1-28所示，接近開(kāi)關(guān)的數(shù)量取決于串聯(lián)的接近開(kāi)關(guān)的電壓降低數(shù)，并與負(fù)載的要求電壓密切相關(guān)。注意，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)不適合或者不允許采用并聯(lián)或者串聯(lián)方式時(shí)，可以采用其他的電路實(shí)現(xiàn)同樣的功能。

【例1-5】　同一接近開(kāi)關(guān)是否只能為NPN型或者PNP型？

【解】

①不是。無(wú)極性的接近開(kāi)關(guān)可以接成NPN型或者PNP型，這需要根據(jù)實(shí)際負(fù)載需要確定；一般無(wú)極性的接近開(kāi)關(guān)用在三菱PLC上接成NPN型，用在西門(mén)子PLC上接成PNP型。

②有的接近開(kāi)關(guān)，有NPN和PNP接線端子，可據(jù)實(shí)際負(fù)載需要選取。

③有的接近開(kāi)關(guān)，默認(rèn)狀態(tài)為PNP或者NPN，但上面有一根線如接上+24V，則默認(rèn)是NPN型變成PNP型，默認(rèn)是PNP型變成NPN型。

【例1-6】　接近開(kāi)關(guān)的觸頭能否在常開(kāi)和常閉之間轉(zhuǎn)換？

【解】　常見(jiàn)的接近開(kāi)關(guān)沒(méi)有這個(gè)功能，但有的接近開(kāi)關(guān)可以在常開(kāi)和常閉之間轉(zhuǎn)換。這種接近開(kāi)關(guān)上有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，即可以通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，將常開(kāi)觸頭變成常閉觸頭，將常閉觸頭變成常開(kāi)觸頭。