金屬探測器的設計

時間：2023-04-30 05:16:03 資料我要投稿

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金屬探測器的設計

四川信息職業(yè)技術學院

畢業(yè)設計說明書

設計題目: 金屬探測器的設計專業(yè): 通信技術班級: 通技07-1 學號: 0710207035 姓名: 孫康龍指導教師: 劉雪亭

二00九年十二月十五日

目錄 ................................................................ I

摘要 ............................................................... 1

第1章緒論 ........................................................ 2

第2章設計要求與設計思路 ............................................ 3

2.1 設計要求 ............................................................................................................ 3

2.2 設計思路 ............................................................................................................ 3

第3章電路設計 ...................................................... 5

3.1直流電源及振蕩、檢波電路設計 .................................................................... 5

3.2前置放大電路的設計 ........................................................................................ 6

3.3電壓-電流變換電路的設計 .............................................................................. 7

3.4電流-頻率變換電路設計 .................................................................................. 7

3.5直流欠壓報警電路 ............................................................................................ 8

總結 .............................................................. 12

致謝 .............................................................. 13

參考文獻 ............................................................ 14

附錄整機電路圖 ..................................................... 15

摘要

隨著電子技術的進步，金屬探測器從電子管、晶體管乃至集成電路，有了更新?lián)Q代的發(fā)展，其應用范圍幾乎擴大到各個領域，對工業(yè)生產(chǎn)及人身安全起重要的作用。目前，金屬探測器大致分為兩種類型：

1.安裝在冶金、燒結、水泥、玻璃、造紙、化工、卷煙等工廠和礦山生產(chǎn)線的自動傳送皮帶上，用以檢測礦石、煙草等原料中混入的廢金屬，保護破碎機不受損壞，此類稱為“工業(yè)型金屬探測器”；

2.隨著交通、旅游、金融和娛樂事業(yè)的發(fā)展，在機場、銀行、珠寶店和珠寶制造廠、貴金屬礦、貴金屬加工廠等，需要對過往人員進行檢測，以使貴重物品不丟失及排除危險品槍支等，此類被稱為“安全型金屬探測器”，它們應用廣泛，效益可觀，幾千元一臺的金屬探測器就可以保護價值數(shù)拾萬元的礦石破碎機；幾萬至幾十萬元買一套安全門式金屬探測器，可以保護價值上千萬元乃至上億元的飛機及人身安全。因此對金屬探測器的研究和生產(chǎn)引起國內(nèi)外專家的高度重視，我國在冶金、食品等行業(yè)中、先后引進日本、澳大利亞等過研制的金屬探測器用于生產(chǎn)，在北京、青島等地開發(fā)出多種型號的金屬探測器，并廣泛應用。根據(jù)生產(chǎn)需要、金屬探測器將不斷改進并有新的發(fā)展。

本設計主要從金屬探測器的電路組成入手，介紹了各部分電路的工作原理，及其整機電路的工作原理，層次結構清晰，在內(nèi)容上適度介紹基本理論，講清概念，重點突出實用。

關鍵詞冶金；金屬；探測器

第1章緒論

金屬探測器在國防、公安、地址等部門有著廣泛的應用。常見的金屬探測器大都是利用金屬物體對電磁信號產(chǎn)生渦流效應的原理。探測方法一般有三種。

1.頻移識別：利用金屬物體使電路電信號頻率改變來識別金屬物體的存在。

2.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隨之變化來識別金屬物體。

3.相移識別：利用金屬對信號產(chǎn)生諧波的相位變化來識別金屬物體。本探測器利用第2種識別方法進行設計。利用探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場在被測金屬物體中感應出渦流，渦流產(chǎn)生發(fā)作用，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物的大小及距離的變化而變化。

第2章設計要求與設計思路

2.1 設計要求

設計一種可探測金屬的電子裝置——金屬探測器，探測器性能要求：

1.工作溫度范圍：-40℃~+50℃

2.連續(xù)工作時間：一組5號電池可連續(xù)工作40h。

3.探測距離大于20cm（金屬物體愈大，測距也愈大，對1腳硬幣的探測距離為20cm）。

4.具有自動回零功能，并可抑制土壤效應。

課題驗收標準：

1.完成該課題的直流電源及振蕩、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、直流欠壓報警電路的設計；

2.完成硬件的調(diào)試，實現(xiàn)預定功能；

3.通過驗收，提交畢業(yè)設計報告

2.2 設計思路

1.頻移識別：利用金屬物體使電路電信號頻率改變來識別金屬物體的存在。

2.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隨之變化來識別金屬物體。

3.相移識別：利用金屬對信號產(chǎn)生諧波的相位變化來識別金屬物體。

本探測器利用第2種識別方法進行設計。利用探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場在被測金屬物體中感應出渦流，渦流產(chǎn)生發(fā)作用，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物的大小及距離的變化而變化。

4.本設計電路的總原理框圖如圖2-1所示

圖2-1 設計電路的總原理框圖

第3章電路設計

3.1直流電源及振蕩、檢波電路設計

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。

采用變壓器耦合正弦波振蕩器，二極管VD3和電容C5，組成檢波電路，原理圖如圖3-1所示

圖3-1直流電源及振蕩

圖中，L1、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L1:L2=1:5）。R3、C4為射集偏置電路，L5、L6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，可利用變壓器升壓來實現(xiàn)，取L1:L2=1:150。當無金屬物體時，振蕩器的振蕩頻率

f?1

2πL5C6

（取L5=3.5mH，C6=0.01μF，則f=26.9kHz）。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L5C6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。

3.2前置放大電路的設計

前置放大電路：前置放大電路用差動輸入放大器組成，如圖3-2所示。

圖3-2前置放大電路

圖中R1、C1、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信號進行100倍放大，從而在一定程度上抑制了土壤效應。當u1為緩變直流信號時，由于積分電路時間常數(shù)較�。╮1=R1C1=100ms，r2=R2C2=220ms），C1、C2可視作開路，由于參數(shù)對稱，則u0=0。當ui=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Δui）。R1C1、R2C2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

u0?R6v2?v1)?100Δui(e?100t?e?45t) R3

可求得t=32.5s時，輸出達最大u0=92.5mV。隨時間延長，u0逐漸減小，t=1s時，u0≈0V�？梢娗爸梅糯笃骺梢种拼笥�1s的慢變干擾信號。

3.3電壓-電流變換電路的設計

電壓—電流變化電路：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3-3所示。

圖3-3電壓-電流變換電路

由前置放大器輸出的直流脈動信號經(jīng)本級放大后得到穩(wěn)定的恒流輸出，以驅動后級電流—頻率變換器。圖中RP為系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)電位器。靜態(tài)時，調(diào)節(jié)RP使三極管工作于臨界截止狀態(tài)，二極管接近于導通。一旦ui輸入脈動放大信號，三極管進入放大（2.2MΩ）使得三極管T集電極電流稍有變化，就會使二極管VD迅速導通。

3.4電流-頻率變換電路設計

電流—頻率變換電路：電流—頻率變換電路的作用是將前級放大后的直流信號轉換成音頻信號，驅動耳機發(fā)出音響。金屬物體越大或者探頭離金屬物體越近，其輸出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構成有輸入電壓控制的多諧振蕩器，電路如圖3-4所示。

圖3-4電流-頻率變換電路

圖中，輸入信號ui控制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ui無信號輸入時（前級輸出端二極管截止，電流為零），由R2、C1、VD產(chǎn)生沖放電信號，使變換器輸出一個間隔約3s的窄脈沖，耳機中產(chǎn)生一間隔為3s的“搭一搭”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。

3.5直流欠壓報警電路

直流電源欠壓報警電路：當電池電壓VT由-12V變至-6.5V時，使三端穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)壓值產(chǎn)生較大偏差，應更換新電池，故采用一個檢測報警電路告知用戶。報警電路如圖3-5所示。

圖3-5直流欠壓報警電路

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。當下降至-6.5V時，電路起振，發(fā)出電壓不足報警信號。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。在這次的整個設計中，單元電路均以555定時器為中心來完成各自的功能。對于555定時器，我們并不陌生，它是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路，具有定時精度高、溫度漂移小、速度快、可直接與數(shù)字電路相連、結構簡單、功能多、驅動電流較大等優(yōu)點。它的內(nèi)部一共集成了21個晶體管、4個二級管和16個電阻器，組成了兩個起比較作用的電壓比較器V1和V2、一個RS觸發(fā)器、一個由3只5??的電阻組成的分壓器和一個放電晶體管T及緩沖器G。電路的組成框圖和電路的引腳排列如圖3-6所示。

（a）電路組成框圖

（b）電路引腳排列

圖3-6 電路組成框圖和引腳排列

其555定時器的工作原理為：當5腳懸空時，比較器V1和V2的比較電壓分別為2/3VCC和1/3VCC。

1.當6腳的電壓大于2/3VCC，2腳的電壓大于1/3VCC時，比較器V1輸出低電平，V2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導通，輸出端OUT為低電平；

2.當6腳的電壓小于2/3VCC，2腳的電壓小于1/3VCC時，比較器V1輸出高電平，V2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管T截至，輸出端OUT為高電平；

3.當6腳的電壓小于2/3VCC，2腳的電壓大于1/3VCC時，比較器V1輸出高電平，V2也輸出高電平，即基本觸發(fā)器R=1，S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。

由于閥值輸入端（TH）為高電平（＞2/3VCC）時，定時器輸出低電平，因

此也將該端稱為高觸發(fā)端；

由于閥值輸入端（TR）為低電平（＜1/3VCC）時，定時器輸出高電平，因此也將該端稱為低觸發(fā)端。

如果在電壓控制端（5腳）施加一個外加電壓（其值在0～VCC之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應的閥值、觸發(fā)電平也將隨之變化，并進而影響電路的工作狀態(tài)。另外，R為復位輸入端，當R為低電平時，不管其他端輸入端的狀態(tài)如何，輸出OUT為低電平，即R的控制級別最高。正常工作時，一般應將其接高電平。

總上，列出555定時器的功能表為：

表3-1 555定時器的功能

從它的工作過程可以看出，它的輸入可以不一定是邏輯電平，可以是模擬電平，因此，該集成電路兼有模擬和數(shù)字電路的特色。

總結

這次設計的課題是“金屬探測器”。金屬探測器廣泛應用于冶金、冶礦和機場等地方。本次設計要求工作溫度范圍-40-+50℃、探測距離要大于20cm、電路具有自動調(diào)零等功能。

金屬探測器主要包括直流電源及振蕩、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、直流欠壓報警電路。主要考察了高頻、數(shù)電等方面的知識，目的是提高我們的動手能力、設計能力和分析問題、解決問題的能力。

通過這次設計，學到了很多，對以前所學專業(yè)知識不足之處有了更深的掌握，了解了如何應用直流電源、放大電路、報警電路，及其他一些器件組成金屬探測器，并讓我了解和掌握金屬探測器應用設計的基本方法、設計思路、設計步驟等全過程，達到理論聯(lián)系實際，學以致用的目的，為以后在工作中的工程設計奠定了良好的基礎。

致謝

本課題在選題及研究過程中得到劉老師的悉心指導。劉老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。劉老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖相處時間不長，卻給以終生受益無窮之道。對劉老師的感激之情是無法用言語表達的。

感謝劉老師等對我的教育培養(yǎng)。他們細心指導我的學習與研究，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。

感謝學院領導給我提供了這次學習的機會最后，感謝我的同學三年來對我學習、生活的關心和幫助。

參考文獻

[1] 馬建國.電子系統(tǒng)設計.北京：高等教育出版社，2005

[2] 高吉祥.電子技術基礎實驗與課題設計.北京：電子工業(yè)出版社，2005 [3] 鄭應光.模擬電子線路(一).南京：東南大學出版社，2005 [4] 邱寄帆、唐程山.數(shù)字電子技術.北京：人民郵電出版社，2005 [5] 鄭應光.模擬電子線路(二).南京：東南大學出版社，2005

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