摘要:通过介绍NE556双时基集成电路构成的非接触式电容传感器电路的工作原理、安装方法、调试和防干扰措施及工作特点,使此技术应用到工业生产中的物体位置的检测和控制。由于该传感器使用了参考电容与工作电容,它们的结构相似,并且安装在相似位置,处于相同的工作环境,所以该传感器具有不怕灰尘、潮湿、高温等特点。调试后,不需维护,具有工作可靠、抗干扰能力强、成本较低等特点,适合于工况较差的矿山、冶金等行业中。
关键词:电容;传感器;时基电路
1引言
在工业生产过程中,经常需要对物体的位置进行检测与控制,如自动生产线上的各种位置控制、行车的位置控制等,均离不开位置的检测。人们希望位置检测是非接触的,当被测物体是导体时,用电容检测位置是一种较好的非接触式检测方法。
1 NE556构成的非接触式电容传感器的原理
1.1 传感器的整体组成方框图
传感器的组成如图1所示。其中Cx为工作电容器,是由两块金属板电极构成的平行板检测电容,将它安装在金属导体要通过的线路的某一位置上,由它感受接近它的金属导电物体,当有金属导体靠近它时,其电容量将会增大。CREF为一参考电容器,它的结构完全与Cx相同,但它不感受金属导体。
图1 电容传感器方框图
本传感器的检测是将工作电容器Cx与参考电容器CREF的电容量分别转换为频率信号,再由计数器、比较器对两电容器的电容量差值进行比较来完成的。首先由NE556内部的两个555多谐振荡器将Cx和CREF的电容值转换成两路计数脉冲输出,然后这两路计数脉冲通过各自的计数器进行计数,由比较器比较两个计数值的大小。当工作电容器Cx中有金属物体通过时,工作电容器的电容量增大,输出到计数器1的计数脉冲频率降低,计数器1的计数值较计数器2的小,使比较器输出为“1”的信号,推动相关电路动作,从而完成检测。
1.2 NE556构成的检测探头
1.2.1 电路图及工作过程NE556的内部有两个555时基电路,由于它们封装在一个芯片内,能获得较好的一致性。另NE556为双极型电路,其输出驱动能力大,输出电流可达到200mA,工作频率范围可达01001Hz～500kHz。如图2所示,NE556内部的两个555电路接成了间接反馈式无稳态自激多谐振荡器形式,两个振荡电路是对称的,即R11=R21,R12=R22,C11=C21,Cx=CREF,Cx从其2、6脚接入第一个555电路,使其输出Vo1的方波频率随Cx的变化而变化。CREF从NE556的8、12脚接入第二个555电路,使其也输出Vo2的方波信号。当无导体接近Cx,Cx=CREF,Vo1与Vo2输出的方波频率相等。经后面的计数器、比较器后,使检测输出信号为低电平“0”。当有导体接近Cx时,Cx>CREF,Vo1上输出的方波频率将低于Vo2输出的方波频率,经计数器、比较器后,使检测输出信号为高电平“1”,从而获得位置检测信号,供位置控制电路进行位置控制之用。
图2 NE556构成的检测探头电路
1.2.2 电路工作波形图
图3所示为检测电路的工作波形图,在图中画出了有无金属导体接近Cx的两种情况下的波形图。图中所述的计时周期是指控制比较器进行比较的时间周期,一般可根据555电路输出的方波频率、所用计数器的位数以及干扰的性质选择合适的计时周期,以克服现场干扰和保证计数器不产生溢出,一般可选为20ms(其目的是为了使工频干扰引起的计数值只能是“1”,可以通过去掉计数值的最低位来消除其干扰)。
图3 探头输出波形图
检测探头工作时应保证Vo1、Vo2的初始相位一致,如图3所示。在电路中可以通过按下开关K来达到这一目的,K是控制NE556内两个555电路的强制复位端,当其按下时,两个555电路输出一定为低电平“0”。
2 传感器的安装、调试及防扰措施
因为传感器使用的电容是平行金属板,在现场会引入工频干扰信号,因此安装时应尽量安装在工频干扰较低的地方。经试验可以将Cx的两块金属板电极平行安装,同时在两金属板的外面用一个开口的金属盒接地屏蔽起来,只要留出能让金属物体从两金属板中间通过的距离,如图4所示。
图4 Cx的结构图
安装时Cx的两个极板应与NE556的连线长度尽量短,且它们之间的连接导线要采用屏蔽措施。调试时,应调整每个555电路的外接电阻,使它们的输出方波波形的频率和占空比一致。传感器中的主要抗干扰措施:
①通过设定比较器在比较计数器的输出数值时,舍掉低位部分,只进行计数值的高位比较,通过这种措施也能够调整传感器的灵敏度;
②采用了CREF参考电容,可以由它们将干扰同时引入,相互抵消;
③采用了NE556双时基电路,使内部的两个555电路一致性好;
④由于NE556的驱动能力很大,而且其输出的信号是频率信号,故在信号传送这一部分电路本身的抗干扰能力很强。
3 电路的特点
相对其它接近开关来说,由于该传感器使用了参考电容器与工作电容器,其结构相似,并且需将它们安装于相近位置,工作于相同的环境,所以传感器具有不怕灰尘、潮湿、高温等环境,一经调试好后不须维护,工作可靠,抗干扰能力强,成本较低等特点。适合于矿山、冶金行业的位置控制使用。
4 结束语
本文介绍的传感器利用平行板电容检测元件,作为接近开关适合在环境较恶劣的场合使用,其将电容的变化转换为频率的变化使得其抗干扰能力大大提高,从其工作原理上看,对电路适当改动,它也可以作为精确测量电容的仪器使用,具有较好的推广应用价值。 |
