非接觸式電容傳感器的原理、安裝調(diào)試及防擾措施

引言

在工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)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(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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(nèi)部的兩個555多諧振蕩器將Cx和CREF的電容值轉(zhuǎn)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(guān)電路動作，從而完成檢測。

1.2NE556構(gòu)成的檢測探頭

1.2.1電路圖及工作過程NE556的內(nèi)部有兩個555時基電路，由于它們封裝在一個芯片內(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(nèi)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(gòu)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(zhì)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(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(yīng)保證Vo1、Vo2的初始相位一致，如圖3所示。在電路中可以通過按下開關(guān)K來達到這一目的，K是控制NE556內(nèi)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(diào)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(yīng)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(jié)構(gòu)圖

安裝時Cx的兩個極板應(yīng)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(diào)試時，應(yīng)調(diào)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(shè)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(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引入，相互抵消;

③采用了NE556雙時基電路，使內(nèi)部的兩個555電路一致性好;

④由于NE556的驅(qū)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(guān)來說，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，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(jié)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(guān)適合在環(huán)境較惡劣的場合使用，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(yīng)用價值。

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