感应式接近传感器是怎么工作的？看完这张动画我瞬间明白了

感应式接近传感器的工作原理。

在自动化生产线上，常见感应式接近传感器。

因为它具有易于安装，非接触式感应，耐污耐油气，无移动部件，使用寿命长等优点。

比如常用它来检测金属部件的出现，或者用来计数等。 

感应接近传感器：用于凸轮轴齿轮感应。

感应接近传感器：用于检测旋转臂的极限位置。

感应接近传感器：用于检测电梯的位置。

感应接近传感器：用于检测金属瓶盖是否已盖上。

感应接近传感器：用于检测传送带输送金属零件，并可以计数。

那么，感应接近传感器的工作原理是什么？

01

感应接近传感器的构造

感应式接近传感器由四个部分组成：线圈，振荡器，触发电路和输出电路。

感应式接近传感器的构造示意图。

线圈（Coil）

线圈埋在传感器端部，和振荡器相连，用来产生用于“感知”的交变磁场。

振荡器（Oscillator）

振荡器一般为LC（电感电容）振荡电路。它配合线圈产生交变的电磁场。

LC并联电路。

LC串联电路。

触发电路（Trigger）

触发电路感应振荡器振荡幅度的变化，并将信号提供给固态输出电路。

输出电路（Output）

输出电路有一个晶体管，接收到触发电路的信号后，导通并输出。

02

电感式接近传感器的工作原理

我们再来具体看一下它是怎么工作的。

首先，我们容易理解，线圈在通入交流电时，会产生交变磁场。

当有金属靠近该磁场时，根据电磁感应定律，将会在金属内部感应出涡流。

线圈通入交流电时，在其外部产生交边磁场，该磁场又在靠近它的导体内感应出涡流，涡流又产生涡流磁场，此磁场与线圈磁场相反。

涡流产生示意图。

涡流磁场与线圈磁场相互耦合示意图：涡流会产生与线圈磁场相反的磁场（称为次级磁场），从而有效地降低电感式传感器的电感（或称为阻抗），电感作为距离的函数而变化。

传感器主线圈与涡流磁场相互耦合，图示为耦合电路图，耦合电路的电感和电阻与距离相关，来自TI：Introduction to inductive sensing technology: Benefits of inductive sensing as a button replacement。

所以，传感器中的信号调节设备，会随着金属距离的变化，感应阻抗变化，并将其转换为可用的位移信号。

这是阻抗解释法，可能对于我们这种不是电子学专业的同学来说，理解起来不那么容易。

采用这一说法的有德州仪器（TI），卡曼（KAMAN），巴鲁夫（Balluff），和德国米铱（Micro-Epsilon）。

还有一种说法，是从能量角度来解释。

当金属物体靠近传感器时，在其内部感应的涡流会吸收振荡能量，使振荡减弱甚至停止。振荡与停振这两种状态，经检测电路转换成开关信号输出。

采用能量说法的有松下，西克，欧姆龙，基恩士，施耐德等。

感应接近传感器工作原理示意图，当金属元件靠近传感器时，感应涡流消耗能量，震荡磁场便会衰减，衰减到一定的程度时，触发内部电路输出信号，图中用导线变红表示，有些感应器会在结构上配备指示灯，方便观察状态。

检测物体出现时震荡消失，当检测物体离开时，振荡器又开始震荡。

线圈磁场随被测齿轮转动变化示意图。

03

感应原理的拓展及其应用

感应接近传感器的核心原理在“感应”二字。

其实感应还有很多应用。

比如下面这个感应式位移传感器，用于检测旋转轴的位置。

感应位置传感器用于检测旋转轴的位置，不同的是，此处的线圈平铺在PCB板上，通电时，产生交变的磁场，用来感应轴上的金属，图片来自IDT。

感应原理还可以用来制作感应式编码器，下图就是直线和旋转感应编码器。

旋转感应式编码器，体积小，可用于非常极限的空间，来自POSIC。

直线感应式编码器，体积小，非常省空间，来自POSIC。

这种编码器因为把感应线圈盘在PCB上，占用的空间非常小，这是一大特色，对于空间有限的应用，值得考虑。

它的具体原理今天就不讨论了，以后有机会我们再谈谈。

当然你也可以自己探究啦，毕竟我已给出了线索。

—END—

主要参考资料：

PROXIMITY SENSORS, Sick

INDUCTIVE PROXIMITY SENSORS, Panasonic

Technical Explanation for Proximity Sensors, OMRON

Precise non-contact displacement sensors, Micro-Epsilon

Introduction to inductive sensing technology: Benefits of inductive sensing as a button replacement, TI

INDUCTIVE TECHNOLOGY HANDBOOK, KAMAN

Inductive Sensors, IFM

Inductive Sensors, BALLUFF

Inductive Sensing Design Guide, www.cypress.com

Inductive proximity sensors, Schneider

Inductive position sensors, IDT

What is a sensor? KEYENCE

Inductive Proximity Sensor: Working Principle and its Application

https://engineershub.co.in/inductive-proximity-sensor-working-principle/

LC Circuit Analysis: Series And Parallel Circuits, Equations And Transfer Function

https://www.electrical4u.com/lc-circuit-analysis/