接近感測器的基礎知識：選型及工業自動化用途

許多工業自動化 (IA) 應用都要求能以非接觸性方式感測是否存在物件或人員，及／或所在位置，以免限制受測物的移動。接近感測器非常適合扮演這個角色。但是，接近感測器種類繁多，包括磁性、電容式、電感式和光學式，而且受測物的材料組成可能會影響感測器對物件的偵測能力。

有些接近感測器有助於偵測鐵金屬，有些能偵測各種金屬，有些則能偵測各種物件，甚至是人員。在 IA 應用中使用接近感測器時，潛在使用者必須了解不同類型的接近感測器技術，及其是否適用於特定的感測狀況。

本文將探討幾種感測器類型，並詳述其能感測的物件類型，以及每種元件類型的空間靈敏度。我們將以 Texas Instruments、Red Lion Controls、Littelfuse Inc.、Omron Electronics Inc.、MaxBotix Inc. 及 Carlo Gavazzi Inc. 的元件為例進行說明。

電感式接近感測器

電感式接近感測器可偵測是否存在導電 (即金屬) 物件，感測範圍依偵測的金屬類型而定。這些感測器使用振盪電路線圈產生的高頻率磁場來運作。導電目標靠近磁場時，內部會引發電磁感應或渦電流，進而產生反向磁場，能有效降低電感式感測器的電感值。

電感式接近感測器以兩種方法運作。在第一個運作方法中，當目標靠近感測器時，電感電流會增大，這會增加振盪電路上的負載，導致振盪衰減或停止。感測器利用振幅偵測電路偵測出這種振盪狀態變化，並輸出偵測訊號。

另一種運作機制則是在導電目標產生振盪時，運用振盪的頻率變化而非振幅變化。鋁或銅等非鐵金屬目標靠近感測器時，會增加振盪頻率，而鐵或鋼等鐵金屬目標則會降低振盪頻率。當振盪頻率相對於參考頻率而有所變化時，感測器的輸出狀態即會發生變化。

Texas Instruments 的 LDC0851HDSGT 是近距離電感式接近開關感測器的範例，利用頻率變化偵測電磁場內是否存在導電物件 (圖 1)。

圖 1：LDC0851HDSGT 電感式接近感測器有兩個電感式線圈：感測線圈和參考線圈；當目標物件在感測線圈附近時，即可測量此物件產生的電感差異。(圖片來源：Texas Instruments)

LDC0851 電感式接近開關非常適合非接觸式接近偵測應用，例如存在性偵測、事件計數，以及感測範圍小於 10 mm (0.39 in) 的簡易按鈕應用。當導電物件移至感測線圈的鄰近範圍內時，此元件的輸出狀態會發生改變。磁滯以及差動實作 (利用感測線圈和參考線圈判定系統的相對電感) 可用於確保可靠切換，以免受到機械振動、溫度變化或濕度作用的影響。

LDC0851HDSGT 的電感式拾取線圈以單個感測器電容進行調諧，此電容設定的振盪頻率介於 3 至 19 MHz。推挽式輸出會在感測電感低於參考電感時處於低態，並在感測電感高於參考電感時返回高態。

磁性接近感測器

磁性接近偵測器用於測量移動性金屬元件的位置和速度，類型可能有霍爾效應感測器等主動式元件，或可變電阻 (VR) 感測器等被動式元件，例如 Red Lion Controls 的 MP62TA00 螺紋型磁性拾波器 (圖 2 左)。VR 接近感測器可測量磁阻的變化 (磁阻和電路中的電阻類似)，其包括永久磁鐵、磁極片和感測線圈並封裝在圓柱形外殼內。

圖 2：VR 磁性拾波器 (左) 是一種被動式感測器，能感測磁極片和感測器外殼之間的磁場變化 (顯示於右側)。(圖片來源：Art Pini，MP62TA00 圖片源自 Red Lion Controls)

當鐵磁性物件通過磁極片附近時，磁場會發生變化。這種變化又會在訊號線圈中產生訊號電壓。訊號電壓的強度取決於目標物件的大小與速率，以及磁極片和物件間的空隙有多大。目標物件必須在運動狀態下，才能讓 VRS 感測到。MP62TA00 螺紋型磁性拾波器是一種以環氧樹脂密封的接近 VR 感測器，工作溫度範圍介於 -40 至 +107°C。長度為 1 in (25.4 mm)，搭配 ¼ 至 40 UNS 螺紋體。

VR 感測器是被動元件，不需要電源。因此通常用於測量旋轉機器。例如，MP62TA00 等 VR 拾波器廣泛用於感測鐵齒輪、扣鏈齒或時規皮帶輪上的穿越齒。此外，也可用於感測螺栓頭、鍵槽，或其他快速移動的金屬目標 (圖 3)。

圖 3：VR 感測器廣泛用於感測旋轉性機械中的輪齒、凸輪，以及鍵槽。(圖片來源：Red Lion Controls)

這些感測器用作轉速計以測量轉速，還可成對用於測量轉軸離心率。

第二種磁性感測器利用霍爾效應偵測是否存在磁場。霍爾效應描述了載流導體和磁場的相互作用，其中磁場和導體的平面垂直。當載流導體置入磁場中時，電壓 (霍爾電壓) 即會產生，且和電流及磁場垂直。霍爾電壓和磁場的通量密度成比例，而且需要經過磁化的目標。

Littelfuse Inc. 的 55100-3H-02-A 是一種凸緣安裝式霍爾效應感測器，其具有數位輸出或可編程的類比電壓輸出 (圖 4)。

圖 4：具有電壓輸出的 55100-3H-02-A 凸緣安裝式霍爾效應接近感測器的方塊圖和圖片。(圖片來源：Littelfuse Inc.)

55100-3H-02-A 尺寸為 25.5 x 11 x 3 mm，搭配三線電壓輸出或雙線電流輸出。兩種版本都提供中度 (130 高斯)、高度 (59 高斯) 或可編程式靈敏度。此元件十分靈敏，當使用指定的磁鐵時，啟用範圍為 18 mm (0.709 in)。下拉輸出能降至 24 V DC 和 20 mA。

此感測器最高可在 10 kHz 的切換率下運作，並能感測動態和靜態磁場。靜態磁場偵測能力是霍爾效應感測器的一大優勢，因為能用於感測關門動作或固定物件。

光學式接近感測器

光學式接近感測器使用紅外線或可見光來感測物件。優點是目標不必是磁性或金屬材料，只要能阻擋或反射光線即可。基本上，光學感測器會發光，並監測目標物件是否反射光線 (圖 5 左)。

圖 5：光學接近感測器會發射光束並偵測目標的反射，以定位目標。(圖片來源：Art Pini)

Omron Electronics Inc. 的 EE-SY1200 是光學接近感測器的好例子 (圖 5 右)。這是一種超小型光電感測器，安裝於小型印刷電路板 (PC 板) 上，紅外線工作波長為 850 nm。此元件包含 LED 發射器和光電電晶體對，採用 1.9 x 3.2 x 1.1 mm (0.0748 x 0.126 x 0.043 in) 表面黏著封裝，工作溫度範圍介於 -25 至 +85°C。建議的感測距離範圍介於 1.0 至 4.0 mm (0.039 至 0.157 in)。

元件採小型板載安裝，因此非常適合自動包覆機的金屬化麥拉材料校準等應用。

超音波接近感測器

藉助超音波型接近感測器，可以處理更大的感測距離要求，例如汽車駛入式窗口可用於偵測車輛。這些感測器最多能偵測距離數公尺 (m) 的各種物件。測量基礎是超音波脈衝從感測器發射器發出後，再從目標物件反射並被感測器接收器拾取，所歷經的飛行時間 (圖 6)。

圖 6：超音波式測距會測量從發射器發出超音波突波 (左)，到反射脈衝 (右) 抵達時，歷經了多長時間。此時間是感測器初始突波抵達目標物件所花時間的兩倍。(圖片來源：Art Pini)

從發射脈衝到接收反射所歷經的時間，代表從感測器到目標物件後再返回感測器的飛行時間。在得知傳播速率和飛行時間後，即可計算出距離。在所示範例中，飛行時間為 3.1 ms。若是空氣，在 70 °F 下，音速為每秒 1128 ft，因此到物件後再返回的總距離為 3.50 ft。感測器和物件之間的距離是飛行時間的一半，即 1.75 ft。

MatBotix Inc. 的 MB1634-000 是一種超音波接近感測器，測量範圍為 5 m (16.4 ft)。所需的電源電壓介於 2.5 至 5.5 V。此元件的工作頻率為 42 kHz，可將此範圍當作類比電壓、脈衝寬度，或電晶體-電晶體邏輯 (TTL) 串列資料流，輸出至目標。其能補償目標大小變化、工作電壓，以及內部溫度 (可選配外部溫度補償)，全部封裝在不到 1 立方英吋內—0.875 x 1.498 x 0.58 in (22.23 x 38.05 x 14.73 mm) (圖 7)。

圖 7：MB1634-000 是一種超音波測距儀組件，帶有傳輸與接收傳感器，測距範圍為 5 m。(圖片來源：MaxBotix Inc.)

電容式接近感測器

電容式接近感測器可偵測金屬與非金屬目標，無論是粉末、顆粒、液體還是固體形態。Carlo Gavazzi 的 CD50CNF06NO 就是不錯的例子 (圖 8)。這些感測器通常類似於電感式感測器，只是後者的感測線圈替換成電容式感測板。最常見用途是感測儲槽內的液位。

圖 8：在一般電容式接近感測器中 (左)，電容器感測板會和外部目標物件形成電容；電容值會決定振盪器的頻率。Carlo Gavazzi 的 CD50CNF06NO (右) 是一種電容式接近感測器，旨在用於監測液位。(圖片來源：Art Pini)

感測器中的感測板會和目標物件形成電容，電容量可隨著與物件間的距離而改變。感測-目標電容量決定振盪器的頻率，此頻率會受到監測，以在超過頻率閾值時切換輸出狀態。

CD50CNF06N0 可用於監測液位。此產品是一種三線感測器，搭配一個常開模式的開集極 NPN 電晶體。電源供應器要求為 10 至 30 V DC。封裝採用 50 x 30 x 7 mm (1.97 x 1.18 x 0.28 in)，感測範圍為 6 mm (0.24 in)。在正規的液位感測應用中，此產品是旋在或黏在非金屬式桶槽的外側。

結論

接近感測器採用多種技術，適合各式各樣的應用。根據感測器類型而定，它們可偵測金屬和非金屬目標，感測距離介於毫米至五公尺 (或以上)。接近感測器尺寸小巧，足以在狹窄的空間運作，而且許多還能在嚴酷環境中運作。這一系列技術為使用者提供許多選擇，能滿足各種接近偵測要求。