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傳感器知識(shí)大講堂之電渦流傳感器

發(fā)布時(shí)間:2017-03-17 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電渦流傳感器能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí),金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,且呈閉合回路,類(lèi)似于水渦流形狀,故稱(chēng)之為電渦流也叫做電渦流效應(yīng),其實(shí)是電磁感應(yīng)原理的延伸。它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具。
 
傳感器知識(shí)大講堂之電渦流傳感器
 
傳感器探頭里有小型線圈,由控制器控制產(chǎn)生震蕩電磁場(chǎng),當(dāng)接近被測(cè)體時(shí),被測(cè)體表面會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,而產(chǎn)生反向的電磁場(chǎng)。這時(shí)電渦流傳感器根據(jù)反向電磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)判斷與被測(cè)體之間的距離。注意:電渦流傳感器要求被測(cè)體必須是導(dǎo)體。
 
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電渦流傳感器的工作原理
 
傳感器知識(shí)大講堂之電渦流傳感器
 
當(dāng)接通傳感器系統(tǒng)電源時(shí),在前置器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào),該信號(hào)通過(guò)電纜送到探頭的頭部,在頭部周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1。
  
如果在磁場(chǎng)H1的范圍沒(méi)有金屬導(dǎo)體接近,則發(fā)射到這一范圍內(nèi)的能量都會(huì)被釋放;反之,如果有金屬導(dǎo)體接近探頭頭部,則交變磁場(chǎng)H1將在導(dǎo)體的表面產(chǎn)生電渦流場(chǎng),該電渦流場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向與H1相反的交變磁場(chǎng)H2。
  
由于H2的反作用,就會(huì)改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位,即改變了線圈的有效阻抗。這種變化與電渦流效應(yīng)有關(guān),也與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)(與金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈幾何參數(shù)、激勵(lì)電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離參數(shù)有關(guān))。
 
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假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的,其性能是線形和各向同性的,則線圈——金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的磁導(dǎo)率u、電導(dǎo)率σ、尺寸因子r、線圈與金屬導(dǎo)體距離δ線圈激勵(lì)電流I和頻率ω等參數(shù)來(lái)描述。因此線圈的阻抗可用函數(shù)Z=F(u,σ,r,δ,I,ω)來(lái)表示。
  
如果控制u,σ,r,I,ω恒定不變,那么阻抗Z就成為距離的單值函數(shù),由麥克斯韋爾公式,可以求得此函數(shù)為一非線形函數(shù),其曲線為“S”型曲線,在一定范圍內(nèi)可以近似為一線形函數(shù)。
  
通過(guò)前置器電子線路的處理,將線圈阻抗Z的變化,即頭部體線圈與金屬導(dǎo)體的距離δ的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。輸出信號(hào)的大小隨探頭到被測(cè)體表面之間的間距而變化,電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。
 
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一般來(lái)說(shuō),傳感器線圈的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)的變化與導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)電率和磁導(dǎo)率有關(guān)。也與線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間距有關(guān)。
  
如果控制上述參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)改變,其余的不變,那么就可以構(gòu)成測(cè)位移、測(cè)溫度、測(cè)硬度等的各種傳感器。
  
電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)
 
傳感器知識(shí)大講堂之電渦流傳感器
 
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傳感器知識(shí)大講堂之電渦流傳感器
 
傳感器知識(shí)大講堂之電渦流傳感器
 
電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,主要由一個(gè)安置在探頭殼體的扁平圓形線圈構(gòu)成。
  
電渦流傳感器的特點(diǎn)
  
電渦流傳感器通過(guò)電渦流效應(yīng)原理,準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體與探頭端面的相對(duì)位置,其特點(diǎn)是長(zhǎng)期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響,常被用于對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以分析出設(shè)備的工作狀況和故障原因,有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)及預(yù)維修。
 
1、電渦流位移傳感器能測(cè)量被測(cè)體(必須是金屬導(dǎo)體)與探頭端面的相對(duì)位置。
  
2、電渦流位移傳感器長(zhǎng)期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響,常被用于對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以分析出設(shè)備的工作狀況和故障原因,有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)及進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修。
  
3、從轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、軸承學(xué)的理論上分析,大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)主要取決于其核心——轉(zhuǎn)軸,而電渦流位移傳感器能直接測(cè)量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài),測(cè)量結(jié)果可靠、可信。
  
電渦流傳感器的分類(lèi)
  
按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況,此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類(lèi),但從基本工作原理上來(lái)說(shuō)仍是相似的。
  
高頻反射式電渦流傳感器
 
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高頻(>lMHz)激勵(lì)電流,產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面,由于集膚效應(yīng),在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí),該渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)又反作用于線圈,引起線圈自感L或阻抗ZL的變化,其變化與距離、金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵(lì)電流i,及角頻率ω等有關(guān),若只改變距離δ而保持其他系數(shù)不變,則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化,通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測(cè)量。
  
低頻透射式電渦流傳感器
 
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低頻透射式渦流傳感器多用于測(cè)定材料厚度。發(fā)射線圈W1和接收線圈W2分別放在被測(cè)材料G的上下,低頻電壓e1加到線圈W1的兩端后,在周?chē)臻g產(chǎn)生一交變磁場(chǎng),并在被測(cè)材料G中產(chǎn)生渦流i,此渦流損耗了部分能量,使貫穿W2的磁力線減少,從而使W2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān),實(shí)驗(yàn)證明,e2隨材料厚度h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。因而按e2的變化便可測(cè)得材料的厚度。
  
電渦流式傳感器的測(cè)量電路
  
利用電渦流式變換元件進(jìn)行測(cè)量時(shí),為了得到較強(qiáng)的電渦流效應(yīng),通常激磁線圈工作在較高頻率下,所以信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要有調(diào)幅電路和調(diào)頻電路兩種。
  
調(diào)幅式(AM)電路
 
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調(diào)頻式(FM)電路
 
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當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x改變時(shí),電渦流線圈的電感量L也隨之改變,引起LC振蕩器的輸出頻率變化,此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測(cè)量。
  
電渦流傳感器在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用
 
傳感器知識(shí)大講堂之電渦流傳感器 
 
電渦流傳感器系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)和一些科研單位。對(duì)汽輪機(jī)、水輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、空分機(jī)、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的徑向振動(dòng)、軸向位移、鍵相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等進(jìn)行在線測(cè)量和保護(hù)。
 
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一、軸向位移測(cè)量
  
對(duì)于許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械,包括蒸汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、水輪機(jī)、離心式和軸流式壓縮機(jī)、離心泵等,軸向位移是一個(gè)十分重要的信號(hào),過(guò)大的軸向位移將會(huì)引起過(guò)大的機(jī)構(gòu)損壞。軸向位移的測(cè)量,可以指示旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的軸向間隙或相對(duì)瞬時(shí)的位移變化,用以防止機(jī)器的破壞。
  
軸向位移是指機(jī)器內(nèi)部轉(zhuǎn)子沿軸心方向,相對(duì)于止推軸承二者之間的間隙而言。有些機(jī)械故障,也可通過(guò)軸向位移的探測(cè),進(jìn)行判別:1、止推軸承的磨損與失效;2、平衡活塞的磨損與失效;3、止推法蘭的松動(dòng);4、 聯(lián)軸節(jié)的鎖住等。
  
軸向位移(軸向間隙)的測(cè)量,經(jīng)常與軸向振動(dòng)弄混。軸向振動(dòng)是指?jìng)鞲衅魈筋^表面與被測(cè)體,沿軸向之間距離的快速變動(dòng),這是一種軸的振動(dòng),用峰峰值表示。它與平均間隙無(wú)關(guān)。有些故障可以導(dǎo)致軸向振動(dòng)。例如壓縮機(jī)的踹振和不對(duì)中即是。
  
二、振動(dòng)測(cè)量
  
測(cè)量徑向振動(dòng),可以由它看到軸承的工作狀態(tài),還可以看到轉(zhuǎn)子的不平衡,不對(duì)中等機(jī)械故障??梢蕴峁?duì)于下列關(guān)鍵或基礎(chǔ)機(jī)械進(jìn)行機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)所需要的信息:1、工業(yè)透平,蒸汽/燃汽;2、壓縮機(jī),空氣/特殊用途氣體,徑向/軸向;3、膨脹機(jī);4、動(dòng)力發(fā)電透平,蒸汽/燃汽/水利;5、電動(dòng)馬達(dá)、發(fā)電機(jī) ;6、勵(lì)磁機(jī);7、齒輪箱;8、泵;9、風(fēng)扇、風(fēng)機(jī);10、往復(fù)式機(jī)械。
  
振動(dòng)測(cè)量同樣可以用于對(duì)一般性的小型機(jī)械進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)??蔀槿缦赂鞣N機(jī)械故障的早期判別提供了重要信息:
  
  1. 軸的同步振動(dòng),油膜失穩(wěn);
  2. 轉(zhuǎn)子摩擦,部件松動(dòng);
  3. 軸承套筒松動(dòng),壓縮機(jī)踹振;
  4. 滾動(dòng)部件軸承失效,徑向預(yù)載,內(nèi)部/外部包括不對(duì)中;
  5. 軸承巴氏合金磨損,軸承間隙過(guò)大,徑向/軸向;
  6. 平衡(阻氣)活塞磨損/失效 ,聯(lián)軸器“鎖死”;
  7. 軸彎曲,軸裂紋;
  8. 電動(dòng)馬達(dá)空氣間隙不勻,齒輪咬合問(wèn)題;
  9. 透平葉片通道共振,葉輪通過(guò)現(xiàn)象。
  
三、偏心測(cè)量
  
偏心是在低轉(zhuǎn)速的情況下,電渦流傳感器系統(tǒng)可以對(duì)軸彎曲程度的測(cè)量,這種彎曲可由下列情況引起:
  
1、原有的機(jī)械彎曲 ·臨時(shí)溫升導(dǎo)致的彎曲 ·在靜止?fàn)顟B(tài)下,必然有些向下彎曲,有時(shí)也叫重力彎曲,外力造成的彎曲。
  
2、偏心的測(cè)量,對(duì)于評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)機(jī)械全面的機(jī)械狀態(tài),是非常重要的。特別是對(duì)于裝有透平監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)(TSI)的汽輪機(jī),在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中,偏心測(cè)量已成為不可少的測(cè)量項(xiàng)目。它使你能看到由于受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。轉(zhuǎn)子的偏心位置,也叫軸的徑向位置,它經(jīng)常用來(lái)指示軸承的磨損,以及加載荷的大小。如由不對(duì)中導(dǎo)致的那種情況,它同時(shí)也用來(lái)決定軸的方位角,方位角可以說(shuō)明轉(zhuǎn)子是否穩(wěn)定。
  
四、脹差測(cè)量
  
對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō),在其啟動(dòng)和停機(jī)時(shí),由于金屬材料的不同,熱膨脹系數(shù)的不同,以及散熱的不同,軸的熱膨脹可能超過(guò)殼體膨脹;有可能導(dǎo)致透平機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件(如機(jī)殼、噴嘴、臺(tái)座等)的相互接觸,導(dǎo)致機(jī)器的破壞。因此脹差的測(cè)量是非常重要的。
  
五、轉(zhuǎn)速測(cè)量
  
對(duì)于所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械而言,都需要監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速是衡量機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要指標(biāo)。而電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的優(yōu)越性是其它任何傳感器測(cè)量沒(méi)法比的,它既能響應(yīng)零轉(zhuǎn)速,也能響應(yīng)高轉(zhuǎn)速,抗干擾性能也非常強(qiáng)。
  
旋轉(zhuǎn)測(cè)量通常有以下幾種傳感器可選:電渦流轉(zhuǎn)速傳感器、無(wú)源磁電轉(zhuǎn)速傳感器、有源磁電轉(zhuǎn)速傳感器等。具有需要選擇那類(lèi)傳感器,則要根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求轉(zhuǎn)速等,(轉(zhuǎn)速發(fā)生裝置有以下幾種:用標(biāo)準(zhǔn)的漸開(kāi)的線齒數(shù)(M1~M5)作轉(zhuǎn)速發(fā)生信號(hào),在轉(zhuǎn)軸上開(kāi)一鍵槽、在轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)軸上開(kāi)孔眼、在軸轉(zhuǎn)上凸鍵等轉(zhuǎn)速發(fā)生信號(hào)裝置。
  
六、滾動(dòng)軸承、電機(jī)換向器整流片動(dòng)態(tài)監(jiān)控
  
對(duì)使用滾動(dòng)軸承的機(jī)器預(yù)測(cè)性維修很重要。探頭安裝在軸承外殼中,以便觀察軸承外環(huán)。由于滾動(dòng)元件在軸承旋轉(zhuǎn)時(shí),滾動(dòng)元件與軸承有缺陷的地方相碰撞時(shí),外環(huán)會(huì)產(chǎn)生微小變形。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到這種變形信號(hào),當(dāng)信號(hào)變形時(shí)意味著發(fā)生了故障,如滾動(dòng)元件的裂紋缺陷或者軸承環(huán)的缺陷等,還可以測(cè)量軸承內(nèi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài),經(jīng)過(guò)運(yùn)算可以測(cè)量軸承打滑度。
  
電渦流傳感器在硬幣識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用
  
隨著自動(dòng)投幣機(jī)的廣泛使用,社會(huì)上一些不法分子該意地研究現(xiàn)有硬幣的形態(tài)、材質(zhì),并依此制造出能以假亂真的偽幣,這些偽幣流入市場(chǎng)后導(dǎo)致了自動(dòng)投幣機(jī)不能正常工作,給相關(guān)部門(mén)造成經(jīng)濟(jì)損失。
 
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我國(guó)硬幣的種類(lèi)繁多,這給硬幣的防偽、識(shí)別帶來(lái)相當(dāng)大的難度,硬幣識(shí)別的主要技術(shù)問(wèn)題是硬幣的檢測(cè)方法,核心是檢測(cè)傳感器性能的優(yōu)劣。
 
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硬幣識(shí)別系統(tǒng)的原理框圖如圖所示,其基本工作過(guò)程為:當(dāng)硬幣通過(guò)電渦流傳感器時(shí)會(huì)在其中產(chǎn)生相應(yīng)的電渦流,信號(hào)調(diào)理與檢測(cè)電路通過(guò)適當(dāng)變換,將電渦流信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量供單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。單片機(jī)的處理結(jié)果用于控制硬幣計(jì)數(shù)控制電路及聲光報(bào)警電路的工作,完成對(duì)硬幣的識(shí)別任務(wù)。
 
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由電渦流傳感器為檢測(cè)元件構(gòu)成的硬幣識(shí)別系統(tǒng),是針對(duì)我國(guó)目前發(fā)行的1元硬幣的金屬原材料專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。
  
當(dāng)硬幣通過(guò)投幣入口進(jìn)入投幣機(jī)的路徑時(shí),電渦流傳感器是利用磁路中磁阻變化,并在置于其中的導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流,這種電流的流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)是閉合的(所以叫做渦流,或稱(chēng)電渦流)。
  
此電流還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)來(lái)阻礙外磁場(chǎng)的變化。從其能量角度來(lái)看,因?yàn)樵诒粶y(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在電渦流損耗也會(huì)產(chǎn)生電磁效應(yīng),因此它既會(huì)產(chǎn)生焦耳熱,又要產(chǎn)生磁滯損耗,造成交變磁場(chǎng)能量的損失。這些能量的損耗會(huì)使傳感器的等效電抗、等效電感和品質(zhì)因數(shù)值發(fā)生變化。
  
假如使得傳感器與被測(cè)導(dǎo)體間的距離保持不變,則傳感器的輸出參數(shù)將與被測(cè)導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率成函數(shù)關(guān)系。當(dāng)線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離固定,傳感器輸出信號(hào)的頻率只與磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體材料的固有性質(zhì)有關(guān),即信號(hào)頻率受線圈電感的影響。
  
當(dāng)硬幣靠近線圈時(shí),電感將發(fā)生變化,則正弦波頻率也必將發(fā)生相應(yīng)的變化。因此信號(hào)頻率的變化反映了硬幣的材質(zhì)特征,所以可以通過(guò)測(cè)量傳感器信號(hào)的頻率來(lái)獲得分辨真假、幣值的依據(jù)。利用這個(gè)關(guān)系可以用來(lái)測(cè)量金屬材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等參數(shù)。
  
這些參數(shù)與導(dǎo)體的材質(zhì)、幾何形狀等因數(shù)有著一定的關(guān)系。找出不同金屬材質(zhì)和體積對(duì)系統(tǒng)磁場(chǎng)信息的影響大小而產(chǎn)生的微弱差異,經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路將這些信號(hào)進(jìn)行處理,之后通過(guò)單片微型計(jì)算機(jī)對(duì)所采集數(shù)據(jù)的智能分析,就能完成對(duì)金屬硬幣的識(shí)別。
  
電渦流傳感器在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用
  
電磁爐
 
傳感器知識(shí)大講堂之電渦流傳感器  
 
電磁爐是我們?nèi)粘I钪斜貍涞募矣秒娖髦?,渦流傳感器是其核心器件之一,高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線圈,產(chǎn)生交變磁場(chǎng);在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的電渦流,使鍋底自行發(fā)熱,燒開(kāi)鍋內(nèi)的食物。
  
電渦流探雷器
 
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電渦流式接近開(kāi)關(guān)
  
接近開(kāi)關(guān)又稱(chēng)無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)。它能在一定的距離(幾毫米至幾十毫米)內(nèi)檢測(cè)有無(wú)物體靠近。
 
傳感器知識(shí)大講堂之電渦流傳感器
 
當(dāng)物體接近到設(shè)定距離時(shí),就可發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)。接近開(kāi)關(guān)的核心部分是“感辨頭”,它對(duì)正在接近的物體有很高的感辨能力。這種接近開(kāi)關(guān)只能檢測(cè)金屬。
 
本文來(lái)源于傳感器技術(shù)。
 
 
 
 
 
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