模電課設-金屬探測器要點

1、遼寧工業(yè)大學模擬電子技術 課程設計（論文）題目：金屬探測器院（系）：電氣工程學院專業(yè)班級：學 號：學生姓名：指導教師：起止時間：2013.07.01 2013.07.14I 挈遼寧工業(yè)大學課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院教研室：電子信息工程學號110303084學生姓名習興佳專業(yè)班級電氣113課程設計題目金屬探測器課 程 設 計（ 論 文 ） 任 務設計任務：1 .現(xiàn)設計法制作能高精度金屬探測器。2 .設計電路所需的直流穩(wěn)壓電源。3 .工作溫度范圍：-40 一 +50C。4 .連續(xù)工作時間40小時設計要求：1 .分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、

2、性能、指標及應用 環(huán)境等，廣開思路，構思出各種總體方案，繪制結構框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結構的繁簡、 成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，笄考慮器件的來源，敲定可行 力不。3 .設計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個 設計。4 .組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進 右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。進度計劃1、布置任務，查閱資料，理解金屬探測器的原理和基本使用方法。（2天）2、金屬探測器總電路繪制、參數(shù)設定及公式列寫計算。（1天）3、金屬探測器單元電路圖繪制、基本原理及參數(shù)設定。（

3、2天）4、利用EWB仿真軟件模擬總電路。（1天）5、對結果進行分析總結。（1天）6、撰寫、打印設計說明書（1天）指導教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20%以百分制計算摘要金屬探測器是專門用來探測金屬的儀器，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、安檢、娛樂、 考試等領域。隨著電子和計算機技術的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬探測系統(tǒng)也向著新 的方向快速更新和發(fā)展。金屬探測器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛，從最 初應用在探雷和探測地下金屬開始發(fā)展到現(xiàn)在的旅游安檢、食品、反恐、冶金等 方面的保護性檢測與安全質(zhì)量檢測。在科學技術不斷進步及金屬探

4、測器在現(xiàn)代社 會生活和工業(yè)生產(chǎn)中的作用不斷凸現(xiàn)之下，怎么提升和完善金屬探測器的性能， 已經(jīng)成為本領域待解決的問題。本文主要介紹的金屬探測器的基本原理、金屬探 測器的組成、每個組成部分的原理框圖及介紹以及金屬探測器的基本特點。金屬探測器是利用電磁感應原理，利用有交流通電的線圈，產(chǎn)生迅速變化的 磁場這個磁場能在金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流又會產(chǎn)生磁場，倒過來影響原來 的磁場而產(chǎn)生渦流，經(jīng)過振蕩電路、放大電路將產(chǎn)生較小的渦流經(jīng)放大處理之后 傳到報警器已到達探測金屬的目的。本設計方案具有設計簡單，精確性高，可靠 性好的特點。金屬探測器總體共分為五個部分電路組成：直流電源及振蕩、檢波電路；前 置放大電路；

5、電壓一電流變換電路；電流一頻率變換電路；直流電源欠壓報警電 路。金屬探測器經(jīng)此五種單元電路將由電磁感應產(chǎn)生的渦流經(jīng)過放大處理從而引 發(fā)探測器發(fā)出鳴聲。關鍵詞：金屬探測器；電磁感應；振蕩；放大電路；渦流;#I 挈遼寧工業(yè)大學課程設計（論文）目錄第1章緒論 11.1 金屬探測器的歷史發(fā)展與現(xiàn)狀 11.2 本文主要內(nèi)容 1第2章金屬探測器的總體方案設計與選擇 22.1 高頻振蕩器探測金屬 22.2 場強識別探測金屬 2第3章電路總原理及基本框圖 33.1 金屬探測器的原理框圖 33.2 金屬探測器的組成及基本原理 33.3 金屬探測器原理仿真電路圖及工作原理 33.4 金屬探測器電路參數(shù)計算 5第4

6、章單元電路的設計及參數(shù)計算 64.1 直流電源及振蕩、檢波電路 64.2 前置放大電路 74.3 電壓一電流變換電路 84.4 電流一頻率變換電路 94.5 直流電源欠壓報警電路 10第5章課程設計總結 12附錄 13參考文獻 18iiiI 5上挈遼寧工業(yè)大學課程設計（論文）第1章緒論1.1 金屬探測器的歷史發(fā)展與現(xiàn)狀全球第一臺金屬探測器誕生于1960年，步入工業(yè)時代最初的金屬探測器也只 應用于工礦業(yè)，是檢查礦業(yè)純度、提高效益的得力助手。隨著社會的發(fā)展，犯罪 案件的上升，1970年，金屬探測器被引入新的應用領域一一安全檢查，也就是我 們今天所用的金屬探測門的雛形，它的出現(xiàn)意味著人類對安全的認知

7、已經(jīng)步入新 紀元。40多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾代探測技術的變革，從最初的信號模擬 技術到連續(xù)波技術直到今天所使用的數(shù)字脈沖技術，金屬探測器簡單的磁場切割 原理被引入許多科學技術成果。70年代，隨著航空事業(yè)的迅速發(fā)展，劫機和各種危險事件的發(fā)生使航空及機 場安全逐步受到重視，于是在機場的眾多設備中金屬探測器扮演著排查違禁物品 的重要角色。進入90年代，迅速升溫的電子制造業(yè)成為了這個時代的寵兒，金屬探測器作為管理員工行為、減少產(chǎn)品流失的利刃。于是金屬探測器又有了它的新角色一產(chǎn) 品防盜。1.2 本文主要內(nèi)容本文主要是利用電磁感應產(chǎn)生的渦流通過振蕩、檢波、變頻、放大等電路自 行設計高精度金屬探測器

8、。之后用 EW昉真軟件制作出仿真模擬圖，進行驗證分 析。根據(jù)其設計要求，該金屬探測器的設計電路需要直流穩(wěn)壓電源，要求所工作 的溫度范圍在-40 一 +50c之間。其工作時間是連續(xù)工作 40小時。金屬探測器可分為高頻振蕩器探測金屬和場強識別探測金屬兩大類。由五部 分單元電路組成：直流電源及振蕩、檢波電路；前置放大電路；電壓一電流變換 電路；電流一頻率變換電路；直流電源欠壓報警電路。本文詳細介紹了這五部分 單元電路的組成，基本原理、原理電路圖以及在金屬探測器中是怎樣工作的。綜合考慮金屬探測器的各個方案，根據(jù)電路的先進新、結構的繁簡、成本的 高低、制作的難易程度以及器件的來源等多方面綜合考慮，最后確

9、定可行的制作 方°第2章 金屬探測器的總體方案設計與選擇2.1 高頻振蕩器探測金屬調(diào)節(jié)高頻振蕩器的增益電位器，恰好使振蕩器處于臨界振蕩狀態(tài)，也就是說 剛好使振蕩器起振。當探測線圈 L靠近金屬物體時，由于電磁感應現(xiàn)象，會在金 屬導體中產(chǎn)生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處于臨界態(tài) 的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩所需的最低能量而停振。如果能檢測出這 種變化，并轉換成聲音信號，根據(jù)聲音有無，就可以判定探測線圈下面是否有金 屬物體了。探2.2 場強識別探測金屬場強識別：利用金屬物體對信號產(chǎn)生諧波的場強變化而使振幅之變化來識別 金屬物體。利用探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場在被測金屬

10、物中感應出渦流，渦流產(chǎn)生反作用 于探頭，使探頭線圈阻抗發(fā)生變化，從而使探測器的振蕩器振幅也發(fā)生變化。該 振幅變化量作為探測信號，經(jīng)放大、變換后轉換成音頻信號，驅動音響電路發(fā)聲, 音頻信號隨被測金屬大小及距離的變化而變化。#I 挈遼寧工業(yè)大學課程設計（論文）第3章 電路總原理及基本框圖3.1 金屬探測器的原理框圖探圖2金屬探測器原理框圖3.2 金屬探測器的組成及基本原理一共分為：直流電源及振蕩、檢波電路；前置放大電路；電壓-電流變換電路；電流-頻率變換電路；直流電源欠壓報警電路。利用電磁感應原理，利用有交流通電的線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場這個磁 場能在金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流又會產(chǎn)生磁場，倒過來

11、影響原來的 磁場而產(chǎn)生渦流。將諧振信號變成電信號，經(jīng)過放大、整流濾波，來產(chǎn)生磁場變化從而引發(fā) 探測器發(fā)出鳴聲。采用高、低通有源濾波電路來實現(xiàn)振蕩對探測器的控制。3.3 金屬探測器原理仿真電路圖及工作原理金屬探測器仿真電路圖：如附錄圖1所示；元件參數(shù)如附錄表1。2.金屬探測器工作原理：1）高頻振蕩器工作原理：由三極管VTi和高頻變壓器L等組成，是一種變壓器反饋型 LC振蕩器。L 的初級線圈Li和電容器Ci組成LC并聯(lián)振蕩回路，其振蕩頻率約 200kHz,由Li 的電感量和Ci的電容量決定。L的次級線圈L2作為振蕩器的反饋線圈，其“ C” 端接振蕩管VTi的基極，“ D”端接VD2。由于VD2處于

12、正向導通狀態(tài)，對高頻 信號來說，“ D”端可視為接地。在高頻變壓器 L中，如果" A”和“D”端分別 為初、次級線圈繞線方向的首端，則從“ C”端輸入到振蕩管VTi基極的反饋信 號，能夠使電路形成正反饋而產(chǎn)生自激高頻振蕩。振蕩器反饋電壓的大小與線圈 Li、L2的匝數(shù)比有關，匝數(shù)比過小，由于反饋太弱，不容易起振，過大引起振蕩 波形失真，還會使金屬探測器靈敏度大為降低。振蕩管VTi的偏置電路由R2和二極管VD2組成，R2為VD2的限流電阻。由于二極管正向閾值電壓恒定（約0.7V）, 通過次級線圈L2加到VTi的基極，以得到穩(wěn)定的偏置電壓。顯然，這種穩(wěn)壓式的 偏置電路能夠大大增強VTi高頻

13、振蕩器的穩(wěn)定性。為了進一步提高金屬探測器的 可靠性和靈敏度，高頻振蕩器通過穩(wěn)壓電路供電，其電路由穩(wěn)壓二極管VDi、限流電阻器R6和去耦電容器C5組成。振蕩管VTi發(fā)射極與地之間接有兩個串聯(lián)的 電位器，具有發(fā)射極電流負反饋作用，其電阻值越大，負反饋作用越強，VTi的放大能力也就越低,甚至于使電路停振。Rpi為振蕩器增益的粗調(diào)電位器,Rp2為細調(diào)電位器。2）振蕩檢測器工作原理：振蕩檢測器由三極管開關電路和濾波電路組成。開關電路由三極管VT2、二極管VD2等組成，濾波電路由濾波電阻器 R3,濾波電容器C2、C3和C4組成。在 開關電路中，VT2的基極與次級線圈L2的“C端相連，當高頻振蕩器工作時，經(jīng)

14、 高頻變壓器L耦合過來的振蕩信號，正半周使 VT2導通，VT2集電極輸出負脈沖 信號，經(jīng)過冗型RC濾波器，在負載電阻器R2上輸出低電平信號。當高頻振蕩器 停振蕩時，“C端無振蕩信號，又由于二極管VD2接在VT2發(fā)射極與地之間，VT2 基極被反向偏置，VT2處于可靠的截止狀態(tài)，VT2集電極為高電平，經(jīng)過濾波器， 在R4上得到高電平信號。由此可見，當高頻振蕩器正常工作時，在R4上得到低電平信號，停振時，為高電平，由此完成了對振蕩器工作狀態(tài)的檢測。3）音頻振蕩器工作原理：音頻振蕩器采用互補型多諧振蕩器，由三極管 VT3、VT4,電阻器R5、R7、 R8和電容器C6組成。（如下圖3）互補型多諧振蕩器采

15、用兩只不同類型的三極管， 其中VT3為NPN型三極管，VT4為PNP型三極管，連接成互補的、能夠強化正 反饋的電路。在電路工作時，它們能夠交替地進入導通和截止狀態(tài)，產(chǎn)生音頻振#I鳥/承上挈遼寧工業(yè)大學課程設計(論文)蕩。R7既是VT3負載電阻器，又是 VT3導通時VT4基極限流電阻器。R8是VT4 集電極負載電阻器，振蕩脈沖信號由 VT4集電極輸出。R5和C6等是反饋電阻器 和電容器，其數(shù)值大小影響振蕩頻率的高低。R710 kOhmRi1 kOtimC60 01 uFR027 k Ohm圖3音頻振蕩器組成電路圖4）功率放大器工作原理：功率放大器由三極管 VT5、揚聲器BL等組成。從多諧振蕩器輸

16、出的正脈沖 音頻信號經(jīng)限流電阻器 R9輸入到VT5的基極，使其導通，在BL產(chǎn)生瞬時較強的 電流，驅動揚聲器發(fā)聲。由于 VT5處于開關工作狀態(tài)，而導通時間又非常短，因 此功率放大器非常省電，可以利用 9V積層電池供電。3.4金屬探測器電路參數(shù)計算金屬探測器是采用線圈的電磁感應原理來探測金屬的。當通過交變電流I =ImCOS幽時，線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場，根據(jù)畢奧薩伐爾定律可計算出 線圈中心軸線上一點的磁感應強度 B為：2R -I RB= dBx = dBsn =r dlx0 4 r2 rHR2IR2JrR21m2r32(x2 R2)3/22(x2R2)3/2其中，R5為介質(zhì)的磁導率，R為相對磁

17、導率，明為真空磁導率。第4章 單元電路的設計及參數(shù)計算4.1直流電源及振蕩、檢波電路系統(tǒng)穩(wěn)壓電源采用集成三端穩(wěn)壓器 CW79L05組成，其輸入端接電池(-12V), 輸出穩(wěn)壓值為-5V o采用變壓器耦合正弦波振蕩器、二極管 D3和電容C5組成檢波電路，原理如圖4示(仿真電路圖如附錄圖2所示)圖4直流電源及振蕩、檢波電路圖中，Li、L2、L3和L4為繞在同一磁罐內(nèi)的四組線圈。當電源接通后，電路 產(chǎn)生振蕩，其輸出電壓幅度指數(shù)上升至三極管飽和。為防止產(chǎn)生振蕩阻塞，須選 擇合適的匝數(shù)比可取。R3、C4為射極偏置電路，L5、C6構成探頭諧振回路。為提 高探測器的靈敏度，要求探頭電感線圈有較高的電壓，可利

18、用變壓器升壓來實現(xiàn)。 當無金屬物體時振蕩器的振蕩頻率：f = 1/( 2二 L5c 6 )當金屬物體接近探頭時，L5的等效電感發(fā)生變化，諧振回路L5、C6失諧從而 使負載能力很弱的變壓器次級 L3兩端的電壓發(fā)生明顯變化，經(jīng)取樣電感 L4及檢 波電路將此信號轉換成直流探測信號輸出。部分元件的參數(shù)值：如表4-1所示；#I 5上挈遼寧工業(yè)大學課程設計（論文）表4 1部分元件參數(shù)值Li：L21:5L2：L31:150L53.5mHC60.01 0f26.9kHz4.2前置放大電路前置放大電路用差動輸入放大器組成，如圖 5示（仿真電路圖如附錄圖3所示）0R6100kQORilOkQR2l0kQ-OCiV

19、o圖5前置放大電路7其靜態(tài)工作點如下:I CQ = - I BQVEE 一 U beq 胃1 EQIeQ =(1)BQ2ReU BEQ= Vcc U BEQ - I CQ RC圖中Ri、Ci、R2及C2構成差動積分電路，即自動回零電路，其作用是對變化緩慢的直流信號進行抑制，而對變化較快的金屬探測信號進行100倍放大，從而在一定程度上抑制了土壤效應。當VI為緩變直流信號時，由于積分電路時間常 數(shù)較小1 =R1c1 = 10ms, 2 =R2c2 = 220msCi、C2可視作開路，由于參數(shù)對稱，則 V0=0Vo當VI為脈動信號時（即在 原檢波輸出電壓基礎上疊加脈動變化量 AVI）。RiCi、R2

20、c2組成差動積分電路（積 分器負載電阻較大，其影響可忽略）由經(jīng)典法得R6 ,、Vo = “2 - Vi)R3100t/5t、= I00vI(e-e )可求得t=32.5s時，輸出達最大值|V0|=82.5mV。隨時間延長，|V0|逐漸減小,t=i s時，V0- V?？梢娗爸梅糯笃骺梢种拼笥趇s的慢變干擾信號部分元件的參數(shù)值：如表4-2所示；表42部分元件參數(shù)值放大器選擇DG747型號Ri = R2i0k QR3=R4ik QR5=R6i00k QCii 0C222 口C30.047 口RwI00 q4.3 電壓一電流變換電路電壓-電流變換電路用運算放大器和三極管等組成電流負反饋電路，如圖6所示

21、（仿真電路圖如附錄圖4所示）。I 挈遼寧工業(yè)大學課程設計（論文）Vo圖6電壓-電流變換電路對晶體管進行動態(tài)分析有:_Uo僅0一5 一 展 （1一二）R8Ri f （1：）RRo = R10由前置放大器輸出的直流脈動信號經(jīng)本級方大后得到穩(wěn)定的恒流輸出，以驅 動后級電流-頻率變換器。圖中Rw為系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)電位器。靜態(tài)時，調(diào)節(jié)Rw 使三極管工作臨界截止狀態(tài)，二極管接近于導通。一旦Vi輸入脈動放大信號，三極管進入放大狀態(tài)，二極管迅速導通，驅動下一級工作。電阻R9取值較大（2.2MQ）,使得三極管T集電極電流稍有變化，就會使二極管 D迅速導通。4.4 電流一頻率變換電路電流-頻率變換電路的作用是將前

22、級放大后的直流信號轉換成音頻信號，驅動耳機發(fā)出聲響。金屬物體越大或者探頭離金屬物體越近，其輸出的信號就越強， 頻率就越高。采用CMOS時基電路CH7555構成由輸入電壓控制的多諧振蕩器， 電路如圖7示（仿真電路圖如附錄圖5所示）。-12V oCi0.01C3R4R218kR1-1kQC20.3326R3CH755530.015 il1D立10R58.2k QR6耳機20k Q圖7電流-頻率變換電路圖中，輸入信號Vi控制電容器C2的充電時間，從而決定輸出音頻信號的頻 率，實現(xiàn)電流-頻率轉換。當Vi無信號輸入時（前級輸出端二極管截止，電流為 零），由R2、C1、D產(chǎn)生充放電信號，使變換器輸出一個間

23、隔約 3s的窄脈沖，耳 機中產(chǎn)生一間隔為3s的“搭-搭”聲，以示無探測信號。當探測到金屬物體時， 耳機中聲響的頻率增高，信號加大。部分元件的參數(shù)值：如表4-3所示表4 3部分元件參數(shù)值R11kQR218kQR58.2k QR620k QC10.33 0C20.015 口C30.01 04.5 直流電源欠壓報警電路換新電池，故采用一檢測報警電路告之用戶。報警電路如圖8所示（仿真電路圖如附錄圖6所示）。#I i上挈遼寧工業(yè)大學課程設計（論文）圖8直流電源欠壓報警電路用CMOS時基電路CH7555和阻容元件組成多諧振蕩器，采用-5V穩(wěn)壓電源 供電。當Vt下降至-6.5V時，電路起振，發(fā)出電壓不足報警

24、信號。該振蕩器的振 蕩頻率f = 4.9kHz,比探測信號頻率高，且固定不變，因此不會與探測信號相混 淆。部分元件的參數(shù)值：如表44所示；表4 4部分元件的參數(shù)值Ri1k QR268k QR324k QR42.4k QC6800 p Ff4.9kHz11I 挈遼寧工業(yè)大學課程設計（論文）第5章課程設計總結本文設計的高精度金屬探測器可以用來近距離檢測金屬。本金屬探測器具有 較高的靈敏度，用它探測大塊金屬時，探頭距金屬物體20cm揚聲器就會發(fā)出聲音，小到曲別針，甚至一枚大頭針都能檢測到，只是探頭線圈必須緊靠細小的金 屬物體。用金屬探測器探測金屬時，只要探頭靠近任何金屬，揚聲器就會發(fā)出報 警聲音，遠

25、離一定位置叫聲自動停止。該金屬探測器包括硬件電路設計和軟件電路設計兩大部分。硬件電路設計主 要完成傳感器外圍電路的設計，硬件電路設計包括金屬探頭、直流穩(wěn)壓電源、欠 檢報警器和揚聲器。軟件電路設計由：振蕩、檢波電路；前置放大電路；電壓一 電流變換電路；電流一頻率變換電路四部分單元電路組成。其原理是線圈產(chǎn)生交 變磁場在被測金屬物體中感應出渦流，渦流產(chǎn)生反作用于探頭使探頭線圈阻抗發(fā) 生變化，從而使探測器的振蕩振幅也發(fā)生變化。該振幅變化量作為探測信號，經(jīng) 前置放大電路將本信號放大，輸出的是電壓信號，在通過電壓一電流變換電路使 該電壓信號變換成電流信號，將電流信號通過電流一頻率變換電路轉化為音頻信 號輸

26、送到揚聲器，驅動音響電路發(fā)生。音頻信號隨金屬物體的大小及距離的變化 而變化金屬探測器在靜態(tài)下，也就是揚聲器不發(fā)聲時，總電流為 10MA以上，探測 到金屬揚聲器發(fā)出聲音時，其電流上升到 20MA以上，由交流電220V經(jīng)過直流 穩(wěn)壓電源可放出0V20V直流電壓，可連續(xù)工作40小時以上。13錄附逕也- -卷二卜乙T口百 聲 揚看二蜜:一尸VIOL善音生E豆甲士三卜K T§目-L-LTST盲宜窗AW-至 Q§生小篇£0I汽g上士工云&LIA1附圖i金屬探測器仿真電路圖小1§七三I/笊/挈遼寧I業(yè)大學課程設計（論文）15-5V穩(wěn)壓器R22 4 kOhm-WA/_附圖2直流電源及振蕩、檢波電路仿真圖RWR/100 Ohm/50%R1WkOhm-VW-R31 k Ohm-AAArR6100