引言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)物體的位置進(jìn)行檢測(cè)與控制，如自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上的各種位置控制、行車(chē)的位置控制等，均離不開(kāi)位置的檢測(cè)。人們希望位置檢測(cè)是非接觸的，當(dāng)被測(cè)物體是導(dǎo)體時(shí)，用電容檢測(cè)位置是一種較好的非接觸式檢測(cè)方法。

1、NE556構(gòu)成的非接觸式電容傳感器的原理

1.1傳感器的整體組成方框圖

傳感器的組成如圖1所示。其中Cx為工作電容器，是由兩塊金屬板電極構(gòu)成的平行板檢測(cè)電容，將它安裝在金屬導(dǎo)體要通過(guò)的線(xiàn)路的某一位置上，由它感受接近它的金屬導(dǎo)電物體，當(dāng)有金屬導(dǎo)體靠近它時(shí)，其電容量將會(huì)增大。CREF為一參考電容器，它的結(jié)構(gòu)完全與Cx相同，但它不感受金屬導(dǎo)體。

圖1電容傳感器方框圖

本傳感器的檢測(cè)是將工作電容器Cx與參考電容器CREF的電容量分別轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，再由計(jì)數(shù)器、比較器對(duì)兩電容器的電容量差值進(jìn)行比較來(lái)完成的。首先由NE556內(nèi)部的兩個(gè)555多諧振蕩器將Cx和CREF的電容值轉(zhuǎn)換成兩路計(jì)數(shù)脈沖輸出，然后這兩路計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)各自的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，由比較器比較兩個(gè)計(jì)數(shù)值的大小。當(dāng)工作電容器Cx中有金屬物體通過(guò)時(shí)，工作電容器的電容量增大，輸出到計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)脈沖頻率降低，計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值較計(jì)數(shù)器2的小，使比較器輸出為“1”的信號(hào)，推動(dòng)相關(guān)電路動(dòng)作，從而完成檢測(cè)。

1.2NE556構(gòu)成的檢測(cè)探頭

1.2.1電路圖及工作過(guò)程N(yùn)E556的內(nèi)部有兩個(gè)555時(shí)基電路，由于它們封裝在一個(gè)芯片內(nèi)，能獲得較好的一致性。另NE556為雙極型電路，其輸出驅(qū)動(dòng)能力大，輸出電流可達(dá)到200mA，工作頻率范圍可達(dá)01001Hz～500kHz。如圖2所示，NE556內(nèi)部的兩個(gè)555電路接成了間接反饋式無(wú)穩(wěn)態(tài)自激多諧振蕩器形式，兩個(gè)振蕩電路是對(duì)稱(chēng)的，即R11=R21，R12=R22，C11=C21，Cx=CREF，Cx從其2、6腳接入第一個(gè)555電路，使其輸出Vo1的方波頻率隨Cx的變化而變化。CREF從NE556的8、12腳接入第二個(gè)555電路，使其也輸出Vo2的方波信號(hào)。當(dāng)無(wú)導(dǎo)體接近Cx，Cx=CREF，Vo1與Vo2輸出的方波頻率相等。經(jīng)后面的計(jì)數(shù)器、比較器后，使檢測(cè)輸出信號(hào)為低電平“0”。當(dāng)有導(dǎo)體接近Cx時(shí)，Cx》CREF，Vo1上輸出的方波頻率將低于Vo2輸出的方波頻率，經(jīng)計(jì)數(shù)器、比較器后，使檢測(cè)輸出信號(hào)為高電平“1”，從而獲得位置檢測(cè)信號(hào)，供位置控制電路進(jìn)行位置控制之用。

圖2NE556構(gòu)成的檢測(cè)探頭電路

1.2.2電路工作波形圖

圖3所示為檢測(cè)電路的工作波形圖，在圖中畫(huà)出了有無(wú)金屬導(dǎo)體接近Cx的兩種情況下的波形圖。圖中所述的計(jì)時(shí)周期是指控制比較器進(jìn)行比較的時(shí)間周期，一般可根據(jù)555電路輸出的方波頻率、所用計(jì)數(shù)器的位數(shù)以及干擾的性質(zhì)選擇合適的計(jì)時(shí)周期，以克服現(xiàn)場(chǎng)干擾和保證計(jì)數(shù)器不產(chǎn)生溢出，一般可選為20ms（其目的是為了使工頻干擾引起的計(jì)數(shù)值只能是“1”，可以通過(guò)去掉計(jì)數(shù)值的最低位來(lái)消除其干擾）。

圖3探頭輸出波形圖

檢測(cè)探頭工作時(shí)應(yīng)保證Vo1、Vo2的初始相位一致，如圖3所示。在電路中可以通過(guò)按下開(kāi)關(guān)K來(lái)達(dá)到這一目的，K是控制NE556內(nèi)兩個(gè)555電路的強(qiáng)制復(fù)位端，當(dāng)其按下時(shí)，兩個(gè)555電路輸出一定為低電平“0”。

2、傳感器的安裝、調(diào)試及防擾措施

因?yàn)閭鞲衅魇褂玫碾娙菔瞧叫薪饘侔澹诂F(xiàn)場(chǎng)會(huì)引入工頻干擾信號(hào)，因此安裝時(shí)應(yīng)盡量安裝在工頻干擾較低的地方。經(jīng)試驗(yàn)可以將Cx的兩塊金屬板電極平行安裝，同時(shí)在兩金屬板的外面用一個(gè)開(kāi)口的金屬盒接地屏蔽起來(lái)，只要留出能讓金屬物體從兩金屬板中間通過(guò)的距離，如圖4所示。

圖4Cx的結(jié)構(gòu)圖

安裝時(shí)Cx的兩個(gè)極板應(yīng)與NE556的連線(xiàn)長(zhǎng)度盡量短，且它們之間的連接導(dǎo)線(xiàn)要采用屏蔽措施。調(diào)試時(shí)，應(yīng)調(diào)整每個(gè)555電路的外接電阻，使它們的輸出方波波形的頻率和占空比一致。傳感器中的主要抗干擾措施：

①通過(guò)設(shè)定比較器在比較計(jì)數(shù)器的輸出數(shù)值時(shí)，舍掉低位部分，只進(jìn)行計(jì)數(shù)值的高位比較，通過(guò)這種措施也能夠調(diào)整傳感器的靈敏度;

②采用了CREF參考電容，可以由它們將干擾同時(shí)引入，相互抵消;

③采用了NE556雙時(shí)基電路，使內(nèi)部的兩個(gè)555電路一致性好;

④由于NE556的驅(qū)動(dòng)能力很大，而且其輸出的信號(hào)是頻率信號(hào)，故在信號(hào)傳送這一部分電路本身的抗干擾能力很強(qiáng)。

3、電路的特點(diǎn)

相對(duì)其它接近開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，由于該傳感器使用了參考電容器與工作電容器，其結(jié)構(gòu)相似，并且需將它們安裝于相近位置，工作于相同的環(huán)境，所以傳感器具有不怕灰塵、潮濕、高溫等環(huán)境，一經(jīng)調(diào)試好后不須維護(hù)，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，成本較低等特點(diǎn)。適合于礦山、冶金行業(yè)的位置控制使用。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的傳感器利用平行板電容檢測(cè)元件，作為接近開(kāi)關(guān)適合在環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合使用，其將電容的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化使得其抗干擾能力大大提高，從其工作原理上看，對(duì)電路適當(dāng)改動(dòng)，它也可以作為精確測(cè)量電容的儀器使用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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