课程设计-金属探测器-正文.docx

1前言1.1认识金属探测器金属探测器作为一种最重要的安全检查设备，己被广泛地应用于社会生活和工业牛产 的诸多领域比如在机场、大型运动会（如奥运会）、展览会等都用金属探测器来对过往人员 进行安全检测，以排查行李、包裹及人体夹带的刀具、枪支、弹药等伤害性违禁金属物品; 工业部门（包括手表、眼镜、金银首饰、电子等牛产含有金属产品的工厂）也使用金属探测器 对出入人员进行检测，以防止贵重金属材料的丢失;目前，就连考试也开始启用金属探测器 来防止考牛利用等工具进行作弊由此可见，金属探测器对工业生产及人身安全起着重要的作用而为了能够准确判定 金属物品藏匿的位置，就需要金属探测器具有较高的灵敏度国外虽然己有较为完 善的系列产品，但价格及其昂贵；国内传统的金属探测器则是利用模拟电路进行检测和控 制的，其电路复杂，探测灵敏度低，且整个系统易受外界干扰1.2本文主要内容本文主要是利用电磁感应产生的涡流通过振荡、检波、变频、放大等电路自行设计高 精度金属探测器Z后用EWB仿真软件制作出仿真模拟图，进行验证分析根据其设计 要求，该金属探测器的设计电路需要直流稳压电源，要求所工作的温度范圉在・4（rc—+50C Z间。

其工作时间是连续工作40小时金属探测器可分为高频振荡器探测金属和场强识别探测金属两大类由五部分单元电 路组成：直流电源及振荡、检波电路；前置放大电路；电压一电流变换电路；电流一频率 变换电路；直流电源欠压报警电路本文详细介绍了这五部分单元电路的组成，基本原理、 原理电路图以及在金属探测器中是怎样工作的综合考虑金展探测器的各个方案，根据电路的先进新、结构的繁简、成本的高低、制 作的难易程度以及器件的来源等多方面综合考虑，最后确定可行的制作方案2总体方案2.1方案设计2.1.1高频振荡器探测金属调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振 荡器起振当探测线圈L靠近金属物体吋，由于电磁感应现象，会在金属导体中产生涡电 流，使振荡冋路中的能量损耗增人，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，其至无 法维持振荡所需的最低能量而停振如果能检测出这种变化，并转换成声咅信号，根据声 咅有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了振荡检功率放 大器!冋 J/K荡器 >J/K 丫刃测器 >荡器 > >/\A‘ A电源图2.1.1高频振荡器探测金属原理图2.1.2场强识别探测金属场强识别：利用金属物体对信号产生谐波的场强变化而使振幅Z变化来识别金属物体。

利用探头线圈产牛交变电磁场在被测金属物中感应出涡流，涡流产牛反作用于探头， 使探头线圈阻抗发牛变化，从而使探测器的振荡器振幅也发牛变化该振幅变化量作为探 测信号，经放大、变换后转换成音频信号，驱动音响电路发声，音频信号随被测金属大小 及距离的变化而变化2.1.3六反相器数字集成电路探测金属应用一块CMOS六反相器数字集成屯路，作为放大电路的金属探测器，金属探测器的原 理电路图如下：图2. 1.3 A反相器数字集成电路金属探测器的探头是一只高Q值的电感L它与反相器IC—1及电容器C2、C3、C4构 成了一个电容三点式振荡器，其振荡频率约为27kHzo调节电位器RP可使电路处在刚刚起 振的状态下微弱的振荡信号通过由反相器氏-2和电阻R1组成的放大电路进行放大，再 由二极管VDI进行整流，整流后的信号由反相器IC-3和IC-4进行放大最后通过二极管 VD2去控制由1C-5和IC-6构成的音频振荡器的工作状态作为探头的电感L在没有接近 金属物体时，电路正常起振振荡信号控制音频振荡器停止工作，扬声器不发声当有金 属物体接近电感时（电感线圈的轴向方向），电感L的Q值下降，电路停振，没有信号去抑 制音频振荡器，所以音频振荡器工作，驱动扬声器发声。

使用时，接通电源后，仔细调整 电位器RP使扬声器刚刚不响.这时灵敏度较高，探测距离可达5mni——20伽2.2方案选择方案一用到了高频振荡器，价格比较高，虽然探测的效果比较好，但是制作起来比较 麻烦，不适合作为课程设计的选择方案三设计思路明确，结构合理，方案易于实现，但 探测的距离过小，不能满足课题要求方案二只用到了简单的元件并且设计合理，既具备 了方案一的优点又解决了方案三的不足因此选用方案二作为本课题的原理方案3电路总原理及基本框图3.1金属探测器的原理框图图3. 1金属探测器原理框图3.2金属探测器的组成及基本原理一共分为：直流电源及振荡、检波电路；前置放大电路；电压■电流变换电路；电流・ 频率变换电路；直流电源欠压报警电路利用电磁感应原理，利用有交流通电的线圈，产生迅速变化的磁场这个磁场能在金属 物体内部产生涡流，涡流又会产生磁场，倒过来影响原来的磁场而产生涡流将谐振信号变成电信号，经过放大、整流滤波，来产生磁场变化从而引发探测器发出 鸣声采用高、低通有源滤波电路来实现振荡对探测器的控制3.3金属探测器原理仿真电路图及工作原理3. 3.1 •金属探测器仿真电路图：如附录图1所示；元件参数如附录表1。

3. 3.2金属探测器工作原理：(1) 高频振荡器工作原理：由三极管VT1和高频变压器L等组成，是一种变压器反馈型LC振荡器L的初级线 圈L1和电容器C1组成LC并联振荡回路，其振荡频率约200kHz,由L1的电感量和C1 的电容量决定L的次级线圈L2作为振荡器的反馈线圈，其“C”端接振荡管VT1的基极,“D”端接VD2由于VD2处于正向导通状态，对高频信号来说，“D”端可视为接地在 高频变压器L中，如果“A”和“D”端分别为初、次级线圈绕线方向的首端，则从“C” 端输入到振荡管VT1基极的反馈信号，能够使电路形成正反馈而产生自激高频振荡振荡 器反馈屯压的大小与线圈LI、L2的匝数比有关，匝数比过小，由于反馈太弱，不容易起 振，过大引起振荡波形失真，还会使金属探测器灵敏度大为降低振荡管VT1的偏置电 路由R2和二极管VD2组成，R2为VD2的限流电阻由于二极管正向阈值电压恒定(约 0.7V),通过次级线圈L2加到VT1的基极，以得到稳定的偏置电压显然，这种稳压式的 偏置电路能够人大增强VT1高频振荡器的稳定性为了进一步提高金属探测器的可靠性和 灵敏度，高频振荡器通过稳压电路供电，其电路由稳压二极管VD1、限流电阻器R6和去 耦电容器C5组成。

振荡管VT1发射极与地之间接有两个串联的电位器，具有发射极电流 负反馈作用，其电阻值越大，负反馈作用越强，VT1的放大能力也就越低，其至于使电路 停振RP1为振荡器增益的粗调电位器，RP2为细调电位器2) 振荡检测器工作原理：振荡检测器由三极管开关电路和滤波电路组成开关电路由三极管VT2、二极管VD2 等组成，滤波电路由滤波电阻器R3,滤波电容器C2、C3和C4组成在开关电路中，VT2 的基极与次级线圈L2的“C”端相连，当高频振荡器工作吋，经高频变压器L耦合过来的 振荡信号，正半周使VT2导通，VT2集电极输出负脉冲信号，经过兀型RC滤波器，在负 载电阻器R2上输出低电平信号当高频振荡器停振荡吋，“C”端无振荡信号，又由于二 极管VD2接在VT2发射极与地之间，VT2基极被反向偏置，VT2处于可靠的截止状态， VT2集电极为高电平，经过滤波器，在R4上得到高电平信号由此可见，当高频振荡器 正常工作时，在R4上得到低电平信号，停振I］寸，为高电平，由此完成了对振荡器工作状态 的检测3) 咅频振荡器工作原理：咅频振荡器采用互补型多谐振荡器，由三极管VT3、VT4,电阻器R5、R7、R8和电 容器C6组成。

如下图3)互补型多谐振荡器采用两只不同类型的三极管，其中VT3为 NPN型三极管，VT4为PNP型三极管，连接成互补的、能够强化正反馈的电路在电路工 作时，它们能够交替地进入导通和截止状态，产生咅频振荡R7既是VT3负载屯阻器， 又是VT3导通吋VT4基极限流电阻器R8是VT4集屯极负载屯阻器，振荡脉冲信号由 VT4集电极输出R5和C6等是反馈电阻器和电容器，其数值大小影响振荡频率的高低(4) 功率放大器工作原理：功率放大器由三极管VT5、扬声器BL等组成从多谐振荡器输出的正脉冲咅频信号 经限流电阻器R9输入到VT5的基极，使其导通，在BL产生瞬吋较强的电流，驱动扬声 器发声由于VT5处于开关工作状态，而导通时间又非常短，因此功率放大器非常省电， 可以利用9V积层电池供电3.4金属探测器电路参数计算金屈探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金屈的当通过交变电流I = Im coscot 时，线圈周围空间会产生交变磁场，根据毕奥一萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点 的磁感应强度B为：r r QttR Ilf RB= dB.= dBsmO=\ 上v—d/J • J Jo 4兀广 YMF _ “/F石一_2（兀2+7?2）3/22（/+疋）3/2COS曲其中，“二“od为介质的磁导率，“为相对磁导率，“0为真空磁导率。

4单元模块设计4.1直流电源及振荡、检波电路设计方案系统稳压电源采用集成三端稳压器CW79L05组成，其输入端接电池（-12V）,输击稳压 值为-5V采用变压器耦合正弦波振荡器、二极管和电容组成检波电路，原理如4.1示厶探头图中，厶、厶、厶和厶4为绕在同一磁罐内的四组线圈当电源接通后，电路产生振荡, 其输出电压幅度指数上升至三极管饱和为防止产生振荡阻塞，须选择合适的匝数比可取 R?、C4为射极偏置电路，厶、Ce构成探头谐振回路为提高探测器的灵皱度，要求探头电 感线圈有较高的电压，可利用变压器升压来实现当无金属物体时振荡器的振荡频率/ = i/（2nV^Q）当金展物体接近探头时，厶的等效电感发生变化，谐振回路厶C6失谐从而使负载能力 很弱的变压器次级厶两端的电压发生明显变化，经取样电感厶4及检波电路将此信号转换成 直流探测信号输出部分元件参数选择:取厶：2=1： 5, L2： L3=l： 150, L5=3.5mH, C6=0. OlgF,则 /=26. 9kHz o4.2前置放大电路设计方案前置放大屯路用差动输入放大器组成，如图4.2示RJ 00k Q其静态工作点如下:= ^BQ_ U BEQ2RUbeq ~ ^cc + Ubeq _【cqRc图中尺、g、鸟及C2构成差动积分电路，即自动冋零电路，其作用是对变化缓慢的直 流信号进行抑制，而对变化较快的金属探测信号进行100倍放大，从而在一定程度上抑制 了土壤效应。

当勺为缓变直流信号时，由于积分电路时间常数较小， =10ms,r2 =/?2C2 = 220ms, CP C?可视作开路，由于参数对称，则w=0o当巾 为脉动信号时（即在原检波输出电压基础上叠加脉动变化量△勺）RC、&C2组成差动积 分电路（积分器负载电阻较大，其影响可忽略）由经典法得= 10Q^vi(e^00t -e45t)可求得f = 32.5s吋，输出达最大值|vfJ =82.5mVo随吋间延长，逐渐减小，/ = ls吋， v.^OVo可见前置放大器可抑制大于Is的慢变干扰信号部分元件的选择:放大器选择DG747型号，电容C3选择0.047|iF,电阻R6取100k Q, &、R2取 10kQ,7?3、&取 lkQ4.3电压•电流变换电路屯压-屯流变换电路用运算放大器和三极管等组成电流负反馈电路，如图4。