第3章 常用传感器及其应用

传感器在电气控制系统中很常用，使用时有一定的难度。本章主要讲解传感器的接线和应用。

3.1 开关式传感器

接近开关（proximity switch）是与运动部件无机械接触而能动作的位置开关，是一种当运动的物体靠近开关到一定位置时，开关发出信号，达到行程控制及计数自动控制的开关。也就是说，它是一种非接触式无触头的位置开关，是一种开关型的传感器，简称接近开关，又称接近传感器（proximity sensor）。接近开关既有行程开关、微动开关的特性，又有传感性能，而且具有动作可靠、性能稳定、频率响应快、使用寿命长、抗干扰能力强等特点。它由感应头、高频振荡器、放大器和外壳组成。常见的接近开关有LJ、CJ和SJ等系列产品。接近开关的外形如图3-1所示，其图形符号如图3-2（a）所示，图3-2（b）所示为接近开关文字符号，表明为电容式接近开关，在画图时更加适用。

（1）接近开关的功能

当运动部件与接近开关的感应头接近时，接近开关输出一个电信号。接近开关在电路中的作用与行程开关相同，都是位置开关，起限位作用，但两者是有区别的：行程开关有触头，是接触式的位置开关；而接近开关是无触头的，是非接触式的位置
开关。

（2）接近开关的分类和工作原理

按照工作原理区分，接近开关分为电感式、电容式、光电式和磁感式等。另外，根据应用电路电流的类型分为交流型和直流型。

① 电感式接近开关的感应头是一个具有铁氧体磁芯的电感线圈，只能用于检测金属体，在工业中应用非常广泛。振荡器在感应头表面产生一个交变磁场，当金属快接近感应头时，金属中产生的涡流吸收了振荡的能量，使振荡减弱以至停振，因而产生振荡和停振两种信号，经整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”“关”的控制作用。通常把接近开关刚好动作时感应头与检测物体之间的距离称为动作距离。

② 电容式接近开关的感应头是一个圆形平板电极，与振荡电路的地线形成一个分布电容，当有导体或其他介质接近感应头时，电容量增大而使振荡器停振，经整形放大器输出电信号。电容式接近开关既能检测金属，又能检测非金属及液体。电容式传感器体积较大，而且价格要贵一些。

③ 磁感式接近开关主要指霍尔接近开关，霍尔接近开关的工作原理是霍尔效应，当磁性物体靠近霍尔接近开关时，霍尔接近开关的状态翻转（如由“ON”变为“OFF”）。有的资料上将干簧继电器也归类为磁感应接近开关。

④ 光电式传感器是根据投光器发出的光在检测体上发生光量增减，用光电变换元件组成的受光器检测物体有无、大小的非接触式控制器件。光电式传感器的种类很多，按照其输出信号的形式，可以分为模拟式、数字式、开关量输出式。

利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。光电式传感器的种类很多，其中输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

光电式接近开关主要由光发射器和光接收器组成。光发射器用于发射红外光或可见光。光接收器用于接收发射器发射的光，并将光信号转换成电信号，以开关量形式输出。

按照接收器接收光的方式不同，光电式接近开关可以分为对射式、反射式和漫射式3种。光发射器和光接收器有一体式和分体式两种形式。

⑤ 此外，还有特殊种类的接近开关，如光纤接近开关和气动接近开关。特别是光纤接近开关在工业上使用越来越多，它非常适合在狭小的空间、恶劣的工作环境（高温、潮湿和干扰大）、易爆环境、精度要求高等条件下使用。光纤接近开关的缺点是价格相对
较高。

（3）接近开关的选型

常用的电感式接近开关有LJ系列产品，电容式接近开关有CJ系列产品，磁感式接近开关有HJ系列产品，光电式接近开关有OJ系列产品。当然，还有很多厂家都有自己的产品系列，一般接近开关型号的含义如图3-3所示。

接近开关的选择要遵循以下原则。

① 接近开关类型的选择。检测金属时选用感应式接近开关，检测非金属时选用电容式接近开关，检测磁信号时选用磁感式接近开关。

② 外观的选择。根据实际情况选用，但圆柱螺纹形状的最为常见。

③ 检测距离的选择。根据需要选用，但注意同一接近开关检测距离并非恒定，接近开关的检测距离与被检测物体的材料、尺寸以及物体的移动方向有关。表3-1列出了目标物体材料对于检测距离的影响。不难发现，感应式接近开关对于有色金属的检测明显不如对钢和铸铁的检测。常用的金属材料不影响电容式接近开关的检测距离。

目标的尺寸同样对检测距离有影响。满足以下任意一个条件时，检测距离不受影响。

a.当检测距离的3倍大于接近开关感应头的直径，而且目标物体的尺寸大于或等于3倍的检测距离×3倍的检测距离（长×宽）。

b.当检测距离的3倍小于接近开关感应头的直径，而且目标物体的尺寸大于或等于检测距离×检测距离（长×宽）。

如果目标物体的面积达不到推荐数值时，接近开关的有效检测距离将按照表3-2推荐的数值减少。

④ 信号的输出选择。交流接近开关输出交流信号，直流接近开关输出直流信号。注意，负载的电流一定要小于接近开关的输出电流，否则应添加转换电路。接近开关的信号输出能力见表3-3。

⑤ 触头数量的选择。接近开关有常开触头和常闭触头。可根据具体情况选用。

⑥ 开关频率的确定。开关频率是指接近开关每秒从“开”到“关”的转换次数。直流接近开关可达200Hz；而交流接近开关要小一些，只能达到25Hz。

⑦ 额定电压的选择。对于交流型的接近开关，优先选用220V AC和36V AC，而对于直流型的接近开关，优先选用12V DC和24V DC。

（4）应用接近开关的注意事项

① 单个NPN型和PNP型接近开关的接线 在直流电路中使用的接近开关有二线式（2根导线）、三线式（3根导线）和四线式（4根导线）等多种，二线、三线、四线式接近开关都有NPN型和PNP型两种，通常日本和美国多使用NPN型接近开关，欧洲多使用PNP型接近开关，而我国则二者都有应用。NPN型和PNP型接近开关的接线方法不同，正确使用接近开关的关键就是正确接线，这一点至关重要。

接近开关的导线有多种颜色，一般BN表示棕色的导线，BU表示蓝色的导线，BK表示黑色的导线，WH表示白色的导线。GR表示灰色的导线。根据国家标准，各颜色导线的作用按照表3-4定义。对于二线式NPN型接近开关，棕色线与负载相连，蓝色线与零电位点相连；对于二线式PNP型接近开关，棕色线与高电位相连，负载的一端与接近开关的蓝色线相连，而负载的另一端与零电位点相连。图3-4和图3-5所示分别为二线式NPN型接近开关的接线和二线式PNP型接近开关的接线。

表3-4中的“NO”表示常开、输出，而“NC”表示常闭、输出。

对于三线式NPN型接近开关，棕色的导线与负载的一端及电源正极相连；黑色的导线是信号线，与负载的另一端相连；蓝色的导线与电源负极相连。对于三线式PNP型接近开关，棕色的导线与电源正极相连；黑色的导线是信号线，与负载的一端相连；蓝色的导线与负载的另一端及电源负极相连。三线式NPN型接近开关接线图和三线式PNP型接近开关接线图分别如图3-6和图3-7所示。

四线式接近开关的接线方法与三线式接近开关类似，只不过四线式接近开关多了一对触头而已，其接线图如图3-8和图3-9所示。

② 单个NPN型和PNP型接近开关的接线常识 初学者经常不能正确区分NPN型和PNP型的接近开关，其实只要记住一点：PNP型接近开关是正极开关，也就是信号从接近开关流向负载；而NPN型接近开关是负极开关，也就是信号从负载流向接近开关。

【例3-1】 在图3-10中，有一只NPN型接近开关与指示灯相连，当一个铁块靠近接近开关时，回路中的电流会怎样变化？

【解】 指示灯就是负载，当铁块到达接近开关的感应区时，回路突然接通，指示灯由暗变亮，电流从很小变化到100%的幅度，电流曲线如图3-11所示（理想状况）。

【例3-2】 某设备用于检测PVC物块，当检测物块时，设备上的24V DC功率为12W的报警灯亮，请选用合适的接近开关，并画出原理图。

【解】 因为检测物体的材料是PVC，所以不能选用感应式接近开关，但可选用电容式接近开关。报警灯的额定电流为：，查表3-3可知，直流接近开关承受的最大电流为0.2A，所以采用图3-7的方案不可行，信号必须进行转换，原理图如图3-12所示，当物块靠近接近开关时，黑色的信号线上产生高电平，其负载继电器KA的线圈得电，继电器KA的常开触头闭合，所以报警灯EL亮。

由于没有特殊规定，所以PNP或NPN型接近开关以及二线或三线式接近开关都可以选用。本例选用三线式PNP型接近开关。

3.2 传感器和变送器

传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

（1）传感器的分类

传感器的分类方法较多，常见的分类如下。

① 按用途 压力和力传感器、位置传感器、液位传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器和热敏传感器等。

② 按原理 振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等。

③ 按输出信号 模拟传感器、数字传感器、开关传感器。

模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。

开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

（2）变送器简介

变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等。变送器常与传感器做成一体，也可独立于传感器单独作为商品出售，如压力变送器和温度变送器等。图3-13所示为一种变送器的外形。

（3）传感器和变送器的应用

变送器按照接线分有三种：两线式、三线式和四线式。

两线式的变送器，两根线既是电源线又是信号线；三线式的变送器，两根线是信号线（其中一根共地GND），一根线是电源线；四线式的变送器，两根线是电源线，两根线是信号线（其中一根共地GND）。

两线式的变送器具有不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降及温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线，可节省大量电缆线和安装费用等优点。三线式和四线式变送器均不具上述优点，即将被两线式变送器所取代。

① S7-1200 PLC的模拟量模块SM1231与四线式变送器接法 四线式电压/电流变送器接法相对容易，两根线为电源线，两根线为信号线，接线如图3-14所示。

② S7-1200 PLC的模拟量模块SM1231与三线式变送器接法 三线式电压/电流变送器，两根线为电源线，一根线为变送器线，其中变送器负和电源负在变送器内部短接，实际上为同一根线，接线如图3-15所示。

③ S7-1200 PLC的模拟量模块SM1231与二线式电流变送器接法 二线式电流变送器接线容易出错，其两根线既是电源线，同时也为信号线，接线图如图3-16所示，电源、变送器和模拟量模块串联连接。

图3-15 三线式电压/电流变送器接线

3.3 隔离器

隔离器是一种采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出的器件。输入、输出和工作电源三者相互隔离，特别适合与需要电隔离的设备以及仪表等配合使用。隔离器又名信号隔离器，是工业控制系统中重要组成部分。某品牌的隔离器如图3-17所示。

在PLC控制系统中，隔离器最常用于传感器与PLC的模拟量输入模块之间，以及执行器与PLC的模拟量输出模块之间，起抗干扰和保护模拟量模块的作用。隔离器的一个应用实例如图3-18所示。