NE556雙時基電路構(gòu)成的非接觸式電容傳感器
出處：王新輝 發(fā)布于：2007-09-25 10:40:05
摘要:通過介紹NE556雙時基集成電路構(gòu)成的非接觸式電容傳感器電路的工作原理、安裝方法、調(diào)試和防干擾措施及工作特點,使此技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中的物體位置的檢測和控制。由于該傳感器使用了參考電容與工作電容,它們的結(jié)構(gòu)相似,并且安裝在相似位置,處于相同的工作環(huán)境,所以該傳感器具有不怕灰塵、潮濕、高溫等特點。調(diào)試后,不
需維護,具有工作可靠、抗干擾能力強、成本較低等特點,適合于工況較差的礦山、冶金等行業(yè)中。
關(guān)鍵詞:電容;傳感器;時基電路
0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(dǎo)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(dǎo)體要通過的線路的某一位置上,由它感受接近它的金屬導(dǎo)電物體,當有金屬導(dǎo)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(dǎo)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。
1.2 NE556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(dǎo)體接近Cx,Cx=CREF,Vo1與Vo2輸出的方波頻率相等。經(jīng)后面的計數(shù)器、比較器后,使檢測輸出信號為低電平“0”。當有導(dǎo)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2 NE556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(dǎo)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(fù)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4 Cx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(dǎo)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,它也可以作為測量電容的儀器使用,具有較好的推廣應(yīng)用價值。
需維護,具有工作可靠、抗干擾能力強、成本較低等特點,適合于工況較差的礦山、冶金等行業(yè)中。
關(guān)鍵詞:電容;傳感器;時基電路
0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(dǎo)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(dǎo)體要通過的線路的某一位置上,由它感受接近它的金屬導(dǎo)電物體,當有金屬導(dǎo)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(dǎo)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。
1.2 NE556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(dǎo)體接近Cx,Cx=CREF,Vo1與Vo2輸出的方波頻率相等。經(jīng)后面的計數(shù)器、比較器后,使檢測輸出信號為低電平“0”。當有導(dǎo)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2 NE556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(dǎo)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(fù)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4 Cx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(dǎo)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,它也可以作為測量電容的儀器使用,具有較好的推廣應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：NE556雙時基電路構(gòu)成的非接觸式電容傳感器NE556200MA
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