第一部分 巴鲁夫感应式接近开关

一、感应式接近开关概述

1.功能描述和定义

（1）原理

接近开关主要是利用金属导体和交变电磁场的互感原理，它能使磁场衰减的金属材料产生涡流，从而使磁场能量衰减，同时减小振幅。在感应式接近开关中，这样的变化会使相应的输出电平翻转。

（2）功能模块

感应式接近开关的功能方框图如下图所示。

（3）感应表面

感应式接近开关为高频电磁波通过其进入气隙，如右图所示，这是外壳端部的主要部分，与外壳头部表面也有连接。

（4）标准感应靶标

标准感应靶标材料为铁360°的方形区域（ISO 630：1980），用来定义感应区域。根据EN60947-5-2。其厚度d=1mm，如右图所示。外形尺寸是取感应面直径为边长的正方形，或者为直径是3 倍 Sn的圆。

（5）校正系数

感应物体不是铁360°时感应距离的衰减系数如下表所示。

（6）开关频率f

开关频率是指每秒开关动作的最大次数。

使用EN60947-5-2标准的接近开关，是一个使用旋转的绝缘材料制成的圆盘，其铁和绝缘材料的表面积之比必须为1∶2。

开关频率的测量值：开启信号t1=50μs，输出信号t2=50μs，如下图所示。

2.感应距离

（1）感应距离S

S是为信号翻转时标准感应靶标和感应表面之间的距离，如左图所示。对于常开就是从断开到接通；常闭就是从接通到断开。

（2）额定感应距离Sn

Sn是一个理论值，这个值没有考虑到公差、操作温度和供电电压等因素。

（3）有效感应距离Sr

Sr为单个接近开关在特定的安装环境、温度、电压下测得的感应距离，即

0.9Sn≤Sr≤1.1Sn（Ia=+23℃±5℃）

（4）实际应用的感应距离Su

Su是指在特定温度和电压条件下，单个接近开关的感应距离，即

0.81Sn≤Su≤1.21Sn

（5）可靠的感应距离Sa

Sa是指在能保证正常操作的条件（温度、电压）下，接近开关能动作的任何感应距离，即

0≤Sa≤0.81Sn

（6）开关距离检测

安装提示：

感应式接近开关中带开关距离标准“■■”的接近开关在金属基体上安装。“■■”称为“2倍感应距离型”安装形式，这种感应式接近开关的感应工作距离Sn为一般同样大小直径的齐平安装式接近开关的Sn的1.5～2倍之间。因此这种传感器在装入非金属材料基体中没有任何影响，而装入在金属材料特别是铁磁材料基体中，其感应工作距离Sn会缩小。因此，使用这种接近开关时，必须按照上表要求进行安装。

同时在3倍的Sn距离内不应有金属物质，以免引起误动作。二个相邻并列安装的感应式接近开关，其中心距离尺寸应大于2倍接近开关的直径。

（7）重复定位精度R

R在额定测量电压Ue下，工作距离为Sr，并满足如下条件时的重复定位。

· 精度：温度T=+23℃±5℃；

· 相对温度：≤90%RH；

· 测试时间：t=8h；

· 根据EN60947-5-2，R≤0.1Sr。

（8）滞后H（当标准感应靶标退回时开关动作位置的滞后）

H 是有效感应距离Sr的一个百分数，这是在环境温度为+23℃±5℃以及工作在额定电压下测得的数据，该值必须小于有效感应距离（Sr）的20%，即H≤0.2Sr。如左图所示。

3.延迟时间

（1）启动延迟时间tv

tv是接近开关接通电源的瞬间到其准备完毕且输出正常信号的时间间隔。

（2）响应时间

响应时间指接近开关进入或离开动作区时的响应时间。

4.温度的影响和限制

（1）环境温度范围Ta

Ta是指能保证接近开关正常的温度范围。

（2）温度漂移

温度漂移是在温度范围-25℃≤Ta≤70℃内，有效感应距离的偏移，根据EN60947-5-2，漂移值为：ΔSr/Sr≤10%。

5.磁场屏蔽

感应式接近式开关能否正常工作取决于焊接电流的大小和接近开关与供电导线之间的距离。

线路上的设计保证了防磁接近开关不受磁场的干扰，如下图所示。

6.安装

（1）齐平安装式接近开关

齐平安装式接近开关在安装时，感应表面可以和金属表面齐平。接近开关的感应表面到其对面的金属物体的距离要≥3Sn，邻近的两个接近开关间的距离必须≥d，如下图（左）所示。

（2）准齐平安装式接近开关

准齐平安装式接近开关在安装时，感应表面到安装表面需要有一段没有导磁材料的距离。满足这个条件时，其开关距离就是有效的，而且不受限制。如下图（右）所示，尺寸“x”指感应表面到其下面的导磁材料的最小距离。

（3）准齐平安装式接近开关尺寸“x”

（4）安装介质

铁磁材料：铁、钢或其他导磁材料。

其他材料：黄铜、铝或其他非导磁材料。

（5）非齐平安装式接近开关

非齐平安装式接近开关在安装时，可以根据它们的头部来鉴别，非齐平安装式接近开关的感应表面周围的区域没有金属外壳。感应表面到金属安装介质的距离必须≥2Sn。

感应表面到对面的金属物体的距离必须≥3Sn，另外两个邻近的接近开关的距离必须≥2d，如下图所示。

（6）相对式安装

对于所有的接近开关，两个感应表面之间的最小距离必须≥3d，如下图所示。

（7）最大的紧固扭矩

·金属外壳的接近开关

· 塑料外壳的接近开关

7.电气参数

（1）供电电压UB

UB在保证接近开关功能正常的前提下，所允许的电压范围（包括纹波δ）。在每个产品的介绍章节里都有相应的说明。

（2）额定工作电压Ue

Ue是在不考虑公差的情况测试用的供电电压。如直流开关额定电压Ue=24VDC，交流开关额定电压Ue=110V（AC）。

（3）电压衰减Ud

Ud是指在接通负载电路后（负载电流为Ie时），开关两端的电压值。

（4）额定绝缘电压Ui

接近开关的Ui是用来参照绝缘测试电压及其爬电距离的。对于接近开关，通常可以把最高额定工作电压认为是额定绝缘电压。

（5）额定电源频率

交流系统的供电电源频率是50～60Hz。

（6）纹波系数δ（%）

δ是根据直流电压Ue得出的交流电压值（Ue峰 谷值）的百分比，为直流开关提供的直流电源最大纹波系数应不超过15%（符合DIN41755标准），其波形如下图所示。

（7）额定工作电流Ie

Ie是允许连续输出的电流，这个电流会流过负载RL。

（8）漏电电流Ir

Ir是接近开关没有接通时，在其负载中残留的电流。

（9）浪涌电流Ik

Ik是指在电流变化时，在一定的频率f和规定的打开时间tk内，短时间内允许流过的电流。其中：Ik单位为A；tk单位为ms；f单位为Hz。

（10）短路电流Id

根据EN60947-5-2，在短路测试规范中，必须能在短时间内通过至少100A的电流，用以测试接近开关的短路电阻特性，短路电流Id是由标准规定的。

（11）空载电流Io

空载电流是指在未接负载时，三线或四线接近开关的电流消耗。

（12）最小工作电流Imin

Im in是指能实现开关功能的最小负载电流。

（13）输出电阻Ra

Ra是输出的晶体管电路集电极部分的电阻值，输出电阻和外接负载电阻是并联的。

（14）负载电容

负载电容是接近开关的输出电路允许的总电容，包括线路电容。

8.输出电路（开关类型）

（1）DC三线开关

·PNP，源极（电流源极）

·NPN，漏极（电流漏极）

电路中：S为半导体开关；Ra为输出电阻；VDz为稳压二极管；VD1为极性接反保护二极管；VD2为极性接反保护二极管在负载电流回路（只用于短路保护）；LED为发光二极管。

（2）DC二线开关

·无极性的

电路中：S为半导体开关；VDz为稳压二极管；C为电容；GI为桥式整流；LED为发光二极管；如下图（左）所示。

（3）AC二线和AC/DC开关

电路中：S为半导体开关；V Dz为稳压二极管；C为滤波电容；RC为高频尖峰抑制；GI为桥式整流；LED为发光二极管；VDR为尖峰电流限制，如下图（右）所示。

9.保护电路

（1）极性接反保护

极性接反保护在电路发生短路时，可进行短路保护。

（2）断线保护

三线开关故障保护。断线时，有一个二极管防止输出端A有电流流出。

（3）短路保护（最大电压600V的DC开关）

巴鲁夫感应式接近开关使用节拍式或热敏电阻式短路保护电路，输出电路因此有过载保护和短路保护。起始短路电流远远大于额定负载电流Ie。

开关时和电容的电流不会触发这个功能，主要是靠一个短暂的延时来实现的。

（4）短路/过载保护（通用型AC/DC开关）

AC或AC/DC开关通常带有继电器或接触器负载。

当AC开关装置（接触器/继电器）的线圈从第一次失电到得电会产生一个很高的负荷量（6～10倍额定电流值），负载的静态电流值要经过几毫秒才能达到正常。允许的最大额定操作电流Ie流过开关时，磁场还没有闭合。这意味着接近开关的短路保护的阈值必须明显高出Ie。例如，一个接触器如果由于电气或机械的原因没能完全闭合，将会导致接近开关过载，这时过载保护功能就会启动。保护功能是有延时的，其阈值略大于最大额定操作电流Ie。如关闭延时要根据过载负荷量大小来确定（超过20ms），这样就保证了继电器和接触器的正常开关动作，当被驱动装置出现故障时也不会损坏巴鲁夫感应式接近开关。短路和过载保护通常设计成双稳态，保护电路启动后必须关闭电源后，再次打开电源才能重启开关。

10.响应（标准接近）曲线

当标准目标沿开关轴的方向向开关轴芯接近时，开关点的位置只取决于感应目标到感应表面的距离S；当以径向方向向开关轴芯接近时，开关点位置还受到径向距离r（感应目标到系统轴的距离）的影响。

下图是开关点位置和S、r关系的响应曲线。该曲线是画在标准的图表上的，比如其坐标值参照一般有效名义值（额定开关距离Sn和感应表面的半径r）。这意味着各种开关距离和开关直径的相关曲线具有很大的度数补偿。

上图的主要用途是给出各种可能的侧向和轴向开关轴芯接近的比较参数。

在生产中允许的正常制造误差范围内，在任何情况和任何场合下，都应该保证有精确的开关点位置。实践区域是各自的关点位置（E）。虚线是关断点（A）。灰实线内是开关点的自由区域，黑实线是齐平安装式接近开关的区域。因为开关是可以从任意方向接近开关轴芯的，所以这个曲线是系统轴的镜像。

当传送线上的物体的前沿进入开关的触发区域内时，开关就会产生一个跳变信号。当物体的后沿在另一边进入关断区域时，开关信号会跳转回原来的状态。对于返回运动的物体（比如已到行程终点），信号在（进入时）同侧方向的关断区域时会发生跳转。

上图所示的竖轴表示开关点到感应表面的距离，这是参考额定感应距离Sn得到的。对于M18型开关，比如额定感应距离Sn是8mm，数字0.4对应开关距离，在0.4 ×8mm=3.2mm这个距离时，一个物体从侧面到达触发区域的边界线（实线）上的E点时，从关断区域边界线上的点A离开。

上图所示的横轴表示感应表面的半径。坐标0点就是开关感应表面的中点。在上图中，M18型开关半径是9mm，触发点和关断点（离系统轴）的标准距离分别约0.46mm和0.49mm。这些点的绝对值经计算分别为0.46×9mm=4.14mm和0.49 ×9mm=4.41mm。

11.串联和并联的应用示意图

（1）串联

·DC三线开关

·DC二线开关（AC/DC）

（2）并联

·DC三线开关（如右下图所示）

·DC二线开关

不推荐把二线制的接近开关并联使用，因为当开关内部起振时，准备延时阶段会产生错误的信号。

（3）使用类别与典型负载类型

12.材料

13.标准