電感式接近感測器通常用於檢測工業控制系統中金屬的存在與否。顧名思義，該感測器將交流訊號施加到位於設備頭部的電感器上。感測器附近的金屬會改變電感器的磁性。感測器內部的電路會偵測到這種變化並觸發輸出。圖 1 顯示了典型的接近感測器。電感器位於朝前的黑色頭部內部，而振盪器和感測電路則位於感測器主體內部。
本工程簡介介紹了 Omron 的 E2B-M12LN08-M1-B1 和 E2B-M30LN30-M1-B1 感測器的功能。借助這些感測器，我們可以探索電路結構，並觀察感測器對不同類型金屬的反應。
圖 1 一對 Omron EB2 接近感測器安裝在 3D 列印底座上
請注意，此演示設定違反了規格書中規定的感測器間最小距離。但是，未觀察到任何明顯問題。
技術提示：Omron E2B 等感測器提供多種不同的連接方式，包括直式和直角式 M12 連接器或不同長度的飛線。圖 1 所示的設備隨附一個 4 針 M12 連接器。請務必購買合適的線纜。本例中，我們購買了規格書建議的 XS2F-M12PVC4S2M 型號。
接近感測器描述
E2B-M12LN08-M1-B1 和 E2B-M30LN30-M1-B1 屬於 Omron E2B 系列。規格書對這些裝置的描述如下：
- EB2：Omron 系列名稱
- M：圓柱形，公制螺紋，黃銅材質
- 12 或 30：表示殼體尺寸（單位：mm）
- L：長殼體
*N：非屏蔽 - 08 或 30：表示感應距離（單位：mm）
- M1：配備 M12 連接器
- B：PNP 型
- 1：NO（常開）
Omron E2B 系列產品種類繁多，每種產品都有獨特的實體配置。截至本文撰寫時，DigiKey 提供超過 370 種 E2B 系列產品。實際上，DigiKey 的「工業接近感測器」類別中有超過 14,000 種產品，可見接近感測器是一種非常普及的設備。
電氣連接
圖 2 展示了本實驗中使用的完整系統，其組件安裝在 Phase Dock 0710 底座上。圖 3 顯示了對應的接線圖。
圖 2 左邊是兩個 Omron 接近感測器。右側是 DIN 導軌、接線端子和用作感測器負載的 Phoenix Contact 繼電器。
圖 2：Omron EB2 接近感測器與一對 Phoenix Contact RIFLINE 繼電器一起安裝在 Phase Dock 0710 底座上
圖 3：接近感測器連接線圖。使用繼電器線圈代替負載。
技術提示：圖 3 所示的Omron感測器採用 PNP 輸出電晶體。 「源極」一詞與 PNP 同義。我們可以看到，PNP 電晶體為負載提供源極電流（請考慮傳統電流，而非電子流）。 PNP（源極）和 NPN（汲極）這兩個術語可能會造成混淆。請參閱另一文章以了解更多資訊。
電氣上電流限制
感測器的 PNP 輸出電晶體最大可提供 200mA 電流。此容量遠大於繼電器線圈的 18mA，因此提供了優異的安全裕度。
務必注意防範繼電器的返馳電壓。請記住，繼電器線圈磁場中儲存的電感能量會在設備關閉時引起電壓尖波。在本例中，Phoenix Contact 配備了一個插入式模組，該模組具有指示燈、反極性保護和返馳保護二極體的三重功能。
Omron EB2 感測器似乎透過齊納二極體內建了一些保護功能，如圖 3 所示。雖然我沒有具體的數據，但Omron感測器很可能能夠承受 200mA 繼電器線圈的返馳能量。但是，我不建議採用這種設計。相反，可以使用內建二極體的繼電器，並將Omron保護裝置作為備用。另外，在進行故障排除時，請考慮這種關係。感測器故障完全可能是繼電器反激二極體故障的徵兆。請參閱此故障排除指南及並仔細閱讀故障分析部分。您會發現，如果不考慮故障原因就更換感應器，可能會導致您日後凌晨 3 點打來的維修電話。
感測器工作原理
圖 4 顯示了每個感測器的工作原理。這張合成影像顯示了感測器剛好能夠偵測到鎚頭的位置。當感應器的黃色高亮 LED 亮起時，我們就知道感應器已啟動。
根據這張圖，我們可以得到一個經驗法則，即感應距離大約等於感測器頭部的直徑。例如，圖 4 左圖顯示的是直徑 30mm 的感測器。它到鎚頭的距離約為 30mm。
圖 5 中的規格書圖表展示了典型的感測器響應。根據圖表，鎚頭直徑為 40mm的錘子應該在大約 26mm 的距離處被檢測到。
圖4：合成影像顯示每個感測器對鎚頭的反應
黃色突出顯示的部分顯示了感測器 LED 的位置，當感測器啟動時，LED 會亮起。
圖 5：E2B 規格書顯示了每種感測器的典型感應距離，並繪製了鐵、黃銅和鋁等材料的曲線。
對不同材料的響應
如圖 5 所示，電感式接近感測器對不同金屬的反應並不相同。我們發現，感測器對鐵的響應最靈敏，而對鋁的靈敏度不到一半。圖 6 也支持了這個觀察結果。在本例中，我們有一塊 50mm寬的長鋁板。我們可以看到，閾值從大約 30mm降低到大約 14mm。
圖 6：接近感測器對鋁的敏感度較低。圖中，50mm鋁板的感應距離約為 14mm。
結論
電感式接近感測器是工業控制系統中常用的部件。如本文所示，其電氣連接相對簡單，因為它能夠直接驅動小型繼電器。或許最大的挑戰是如何透過零件編號找到適合您特定應用的特定設備。
請回答本文末尾的問題和批判性思考問題，以測試您對本文的理解程度。
問題
以下問題將有助於鞏固文章內容。
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電感式接近感測器可以偵測哪些材質？
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描述電感式接近感測器的工作原理。要獲得滿分，請將您的答案與圖5中顯示對各種金屬的靈敏度的曲線連結起來。
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PNP和NPN輸出配置有什麼不同？要獲得滿分，請在您的答案中加入術語「汲電流」和「源電流」。提示：使用常規電流來幫助定義這些術語。另請參閱 xkcd：567 緊急任務。
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識別E2B每條連接線的功能和顏色。
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描述接近感測器測量距離能力的經驗法則是什麼？
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使用 Omron 規格書和 DigiKey 搜尋工具尋找以下產品並進行定價：
A) 帶引線的非屏蔽 E2B NPN 感測器
B) 具有 PNP 輸出和 M12 連接器的屏蔽 E2B 雙距離感測器
C) 一條 5m長的 4 線直角 M12 電纜，帶有飛線，與先前的感測器相符 -
使用圖 5 中的數據，估算 E2B-M30LN30 檢測直徑 20 毫米黃銅棒圓形末端的閾值。
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根據規格書，屏蔽和非屏蔽 E2B 感測器的性能差異是什麼？
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圖 1 的標題指出並聯感測器之間的距離太近。根據規格書，一對 M30 感測器的建議最小距離是多少？
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用梯形邏輯繪製 PNP 和 NPN 感測器的示意圖。使用面板燈作為負載。為了獲得滿分，請註明電線顏色。
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什麼是感應衝擊？它與具有半導體輸出的接近感測器有何關係？
批判性思考問題
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這些批判性思考問題可以擴展文章內容，幫助你全面理解文章內容及其與相關主題的關係。這些問題通常是開放式的，需要研究，最好以論文形式回答。
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假設你的應用所需的距離感測超出了接近感測器的偵測範圍。請至少提出三種替代方案。對於每種方案，請至少說明感測器的一個優點和一個三角形連接。
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Weidmüller 的 1992240000 或 1992220000 等感測器/致動器接線端子如何簡化控制面板的設計？
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解釋 PNP 和源型等術語如何適用於可程式邏輯控制器（PLC）的輸入和輸出。為了獲得滿分，請解釋將焦點從 PLC 輸出轉移到感測器輸出時產生的混淆。
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與帶引線連接器相比，M12 連接器有哪些優缺點？為了獲得滿分，請務必對使用 M12 集線器的 AS-I 或 MODBUS 介面等網路實體層進行評論。