1.3　接近开关

接近开关和PLC并无本质联系，但后续章节经常用到，所以以下将对此内容进行介绍。对此熟悉的读者可以跳过。

接近式位置开关是与（机器的）运动部件无机械接触而能操作的位置开关。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点（触头）的位置开关，是一种开关型的传感器，简称接近开关（Proximity Sensors），又称接近传感器，外形如图1-15所示。接近式开关有行程开关、微动开关的特性，又有传感性能，而且动作可靠，性能稳定，频率响应快，使用寿命长，抗干扰能力强等。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1-15所示，其图形符号如图1-16（a）所示，图1-16（b）所示为接近开关文字符号，表明接近开关为电容式接近开关，在画图时更加适用。

1.3.1　接近开关的功能

当运动部件与接近开关的感应头接近时，就使其输出一个电信号。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。

1.3.2　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、光电式和磁感式等形式。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，当带磁性的物体靠近霍尔开关时，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性接近开关。

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。光纤接近开关的问题是价格相对较高。

1.3.3　接近开关的选型

常用的电感式接近开关（Inductive Sensor）型号有LJ系列，电容式接近开关（Capacitive Sensor）型号有CJ系列，磁感式接近开关有HJ系列，光电型接近开关有OJ系列。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1-17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。检测金属时优先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（Sensing Range）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1-3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检测钢和铸铁。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。满足以下一个条件时，检测距离不受影响。

a.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.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，接近开关的有效检测距离将按照表1-4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，而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解决。接近开关的信号输出能力见表1-5。

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”转换的次数。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。

【例1-2】　有人说：“电感式接近开关，只能检测钢铁，不能检测其他材料。”请问这句话对吗？

【解】　电感式接近开关，不但能检测钢铁，而且能检测其他金属，只是对铝和铜的检测灵敏度不如钢铁。

1.3.4　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1-6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1-18和图1-19所示分别为二线式NPN型接近开关接线图和二线式PNP型接近开关接线图。

表1-6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，棕色的导线与一端负载，同时与电源正极相连；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，如图1-20和图1-21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1-22和图1-23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1-3】　在图1-24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1-25所示（理想状况）。

【例1-4】　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，所以不能选用感应接近开关，但可选用电容式接近开关。报警灯的额定电流为：IN===0.5A，查表1-5可知，直流接近开关承受的最大电流为0.2A，所以采用图1-21的方案不可行，信号必须进行转换，原理图如图1-26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，中间继电器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型或NPN型接近开关以及二线式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）接近开关的并联

直流型接近开关允许并联接法，但一般不推荐将交流型接近开关进行并联。接近开关并联接线图如图1-27所示。二极管的作用是为了防止过载。当剩余电流足够小时，可以最多并联30个接近开关。

（4）接近开关的串联

接近开关串联接线图如图1-28所示，接近开关的数量取决于串联的接近开关的电压降低数，并与负载的要求电压密切相关。注意，当接近开关不适合或者不允许采用并联或者串联方式时，可以采用其他的电路实现同样的功能。

【例1-5】　同一接近开关是否只能为NPN型或者PNP型？

【解】

①不是。无极性的接近开关可以接成NPN型或者PNP型，这需要根据实际负载需要确定；一般无极性的接近开关用在三菱PLC上接成NPN型，用在西门子PLC上接成PNP型。

②有的接近开关，有NPN和PNP接线端子，可据实际负载需要选取。

③有的接近开关，默认状态为PNP或者NPN，但上面有一根线如接上+24V，则默认是NPN型变成PNP型，默认是PNP型变成NPN型。

【例1-6】　接近开关的触头能否在常开和常闭之间转换？

【解】　常见的接近开关没有这个功能，但有的接近开关可以在常开和常闭之间转换。这种接近开关上有转换开关，即可以通过转换开关，将常开触头变成常闭触头，将常闭触头变成常开触头。