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0 引言 在工業(yè)生產過程中,經(jīng)常需要對物體的位置進行檢測與控制,如自動生產線上的各種位置控制、行車的位置控制等,均離不開位置的檢測。人們希望位置檢測是非接觸的,當被測物體是導體時,用電容檢測位置是一種較好的非接觸式檢測方法。 1 NE556構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成的平行板檢測電容,將它安裝在金屬導體要通過的線路的某一位置上,由它感受接近它的金屬導電物體,當有金屬導體靠近它時,其電容量將會增大。CREF為一參考電容器,它的結構完全與Cx相同,但它不感受金屬導體。 圖1電容傳感器方框圖 本傳感器的檢測是將工作電容器Cx與參考電容器CREF的電容量分別轉換為頻率信號,再由計數(shù)器、比較器對兩電容器的電容量差值進行比較來完成的。首先由NE556內部的兩個555多諧振蕩器將Cx和CREF的電容值轉換成兩路計數(shù)脈沖輸出,然后這兩路計數(shù)脈沖通過各自的計數(shù)器進行計數(shù),由比較器比較兩個計數(shù)值的大小。當工作電容器Cx中有金屬物體通過時,工作電容器的電容量增大,輸出到計數(shù)器1的計數(shù)脈沖頻率降低,計數(shù)器1的計數(shù)值較計數(shù)器2的小,使比較器輸出為“1”的信號,推動相關電路動作,從而完成檢測。 1.2NE556構成的檢測探頭 1.2.1電路圖及工作過程NE556的內部有兩個555時基電路,由于它們封裝在一個芯片內,能獲得較好的一致性。另NE556為雙極型電路,其輸出驅動能力大,輸出電流可達到200mA,工作頻率范圍可達01001Hz～500kHz。如圖2所示,NE556內部的兩個555電路接成了間接反饋式無穩(wěn)態(tài)自激多諧振蕩器形式,兩個振蕩電路是對稱的,即R11=R21,R12=R22,C11=C21,Cx=CREF,Cx從其2、6腳接入第一個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555電路,使其也輸出Vo2的方波信號。當無導體接近Cx,Cx=CREF,Vo1與Vo2輸出的方波頻率相等。經(jīng)后面的計數(shù)器、比較器后,使檢測輸出信號為低電平“0”。當有導體接近Cx時,Cx>CREF,Vo1上輸出的方波頻率將低于Vo2輸出的方波頻率,經(jīng)計數(shù)器、比較器后,使檢測輸出信號為高電平“1”,從而獲得位置檢測信號,供位置控制電路進行位置控制之用。 圖2NE556構成的檢測探頭電路 1.2.2電路工作波形圖 圖3所示為檢測電路的工作波形圖,在圖中畫出了有無金屬導體接近Cx的兩種情況下的波形圖。圖中所述的計時周期是指控制比較器進行比較的時間周期,一般可根據(jù)555電路輸出的方波頻率、所用計數(shù)器的位數(shù)以及干擾的性質選擇合適的計時周期,以克服現(xiàn)場干擾和保證計數(shù)器不產生溢出,一般可選為20ms(其目的是為了使工頻干擾引起的計數(shù)值只能是“1”,可以通過去掉計數(shù)值的最低位來消除其干擾)。 圖3探頭輸出波形圖 檢測探頭工作時應保證Vo1、Vo2的初始相位一致,如圖3所示。在電路中可以通過按下開關K來達到這一目的,K是控制NE556內兩個555電路的強制復位端,當其按下時,兩個555電路輸出一定為低電平“0”。 2傳感器的安裝、調試及防擾措施 因為傳感器使用的電容是平行金屬板,在現(xiàn)場會引入工頻干擾信號,因此安裝時應盡量安裝在工頻干擾較低的地方。經(jīng)試驗可以將Cx的兩塊金屬板電極平行安裝,同時在兩金屬板的外面用一個開口的金屬盒接地屏蔽起來,只要留出能讓金屬物體從兩金屬板中間通過的距離,如圖4所示。 圖4Cx的結構圖 安裝時Cx的兩個極板應與NE556的連線長度盡量短,且它們之間的連接導線要采用屏蔽措施。調試時,應調整每個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通過設定比較器在比較計數(shù)器的輸出數(shù)值時,舍掉低位部分,只進行計數(shù)值的高位比較,通過這種措施也能夠調整傳感器的靈敏度; ②采用了CREF參考電容,可以由它們將干擾同時引入,相互抵消; ③采用了NE556雙時基電路,使內部的兩個555電路一致性好; ④由于NE556的驅動能力很大,而且其輸出的信號是頻率信號,故在信號傳送這一部分電路本身的抗干擾能力很強。 3 電路的特點 相對其它接近開關來說,由于該傳感器使用了參考電容器與工作電容器,其結構相似,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)調試好后不須維護,工作可靠,抗干擾能力強,成本較低等特點。適合于礦山、冶金行業(yè)的位置控制使用。 4 結束語 本文介紹的傳感器利用平行板電容檢測元件,作為接近開關適合在環(huán)境較惡劣的場合使用,其將電容的變化轉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,對電路適當改動,它也可以作為精確測量電容的儀器使用,具有較好的推廣應用價值。 |
