非接触式电容传感器的原理、安装调试及防扰措施

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。

1.2NE556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2NE556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4Cx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。

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