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TM88型金屬探測(cè)器工作原理分析
TM88型金屬探測(cè)器工作原理分析
[日期：2011-12-07] 來(lái)源： 作者：廣西 潘云忠 [字體：大 中 小] 工作原理
TM88型金屬探測(cè)器主要由探測(cè)頭（亦稱(chēng)探頭）、振蕩分頻電路、探測(cè)發(fā)射電路、選頻放大電路、相位分割電路、相位同步選通放大電路、采樣保持電路（又稱(chēng)記憶保持電路）、調(diào)諧限幅放大電路、音頻電路、電壓變換電路等組成。它是利用電磁感應(yīng)原理，即交流電通過(guò)的線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)能在金屬物體內(nèi)部感生渦電流．渦電流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，反過(guò)來(lái)影響原來(lái)的磁場(chǎng)，經(jīng)探測(cè)器相關(guān)電路檢測(cè)放大等處理后控制相關(guān)電路發(fā)出報(bào)警聲。TM88型金屬探測(cè)器的電路原理如附圖所示。其工作原理如下：
1．探頭（密封在一個(gè)圓型的塑料盒內(nèi)）。它由接收線圈L5、發(fā)射線圈L3、反饋線圈LA以及諧振電容C51等組成。其中反饋線圈LA與發(fā)射線圈L3反向串聯(lián)和C51-起形成LC諧振電路，把發(fā)射電路送來(lái)的交流信號(hào)選頻后向空中發(fā)射。
反饋線圈阻L4與接收線圈L5繞在同一線圈上．發(fā)射電磁信號(hào)在未檢測(cè)到金屬信號(hào)時(shí)，發(fā)射線圈參數(shù)與接收線圈參數(shù)處于一個(gè)平衡穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)探頭發(fā)射線圈13產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)接觸到金屬物體時(shí)，其磁場(chǎng)發(fā)生變化，印發(fā)射線圈固有參數(shù)會(huì)隨著金屬物體性質(zhì)（如鐵質(zhì)與非鐵質(zhì)金屬）的不同或接近金屬的距離不同而發(fā)生變化。反饋線圈lA將這些變化信號(hào)感應(yīng)至接收線圈L5．接收線圈L5將這些變化信號(hào)選頻后送入后級(jí)選頻放大電路進(jìn)一步處理。
2．振蕩分頻電路。它由U9(CD4060)與外圍元件組成。
其中U9的(10)、(11)、(12)腳與外圍晶振x等元件構(gòu)成3.9MHz主振頻率，經(jīng)內(nèi)部分頻后由(13)腳與(14)腳輸出約6.99kHz和13.98kHz的方波信號(hào)至發(fā)射電路。
(6)腳輸出約27kHz方波信號(hào)至電壓變換電路。
(1)腳與(2)腳輸出約874Hz和437Hz的方波信號(hào)至音頻電路。
3．探測(cè)發(fā)射電路。由QlO~QL14、B3,L2C45、C46、D23-D26等組成。010為發(fā)射前置倒相電路，Qll、Q12與Q13、Q14等組成復(fù)合式推挽功率放大電路，經(jīng)放大的高頻信號(hào)由B3次級(jí)輸出。B3次級(jí)線圈與C45組成LC并聯(lián)諧振；L2與C46組成LC串聯(lián)諧振。經(jīng)選頻后得到的高頻交流信號(hào)通過(guò)電纜線送入探頭內(nèi)的發(fā)射線圈向空間輻射。二極管D23~D26等構(gòu)成與門(mén)電路，使U9內(nèi)部分頻器輸出至發(fā)射管的方波占空比降低，發(fā)射管導(dǎo)通時(shí)間縮短，以降低發(fā)射管的功耗。
4．U1(NEC5534)與外圍元件等構(gòu)成放大倍數(shù)約80dB的前置低噪聲選頻放大器。它對(duì)被測(cè)信號(hào)頻率的放大增益最高，非被測(cè)信號(hào)頻率放大倍數(shù)較低。經(jīng)Ul放大的信號(hào)送人后級(jí)相位分割電路進(jìn)行放大處理。
5．相位分割電路。它由雙運(yùn)放U2(LM412)與外圍元件構(gòu)成。其中U2A將前級(jí)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行反相放大，放大后送至下一級(jí)電路進(jìn)行相位調(diào)節(jié)、選通和放大（該路用作金屬性質(zhì)的識(shí)別）。U2B將前級(jí)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行同相放大，放大后送至下一級(jí)電路進(jìn)行相位調(diào)節(jié)、選通和放大（該路用作全金屬探測(cè)，稱(chēng)地平衡）。
6．相位同步選通放大電路。它由四運(yùn)放Ul0（TL084）、比較器Ull(LM393)、雙運(yùn)放U3(LM412)、電子開(kāi)關(guān)U13(CD4053)、場(chǎng)效應(yīng)管Q15、Q16(K246)等組成。其中UlOA、UlOB、UllA、015、U3B與U13等構(gòu)成地平衡電路的相位調(diào)節(jié)與選通放大；R11、R12、C13等組成地平衡系統(tǒng)直流信號(hào)濾波器；W2為地平衡電路的相位調(diào)節(jié)電位器。ULOC、UlOD、UllB、U3A、Q16與U13等構(gòu)成金屬識(shí)別探測(cè)的相位調(diào)節(jié)與選通放大；R13、R14、C14等組成識(shí)別系統(tǒng)直流信號(hào)濾波器；WI為金屬識(shí)別電路系統(tǒng)的相位調(diào)節(jié)電位器�！暗仄胶狻焙汀弊R(shí)別”通過(guò)操作方式開(kāi)關(guān)Kl-2切換；撥至“地平衡”擋時(shí)，“地平衡”相位調(diào)節(jié)電路UIOA、UlOB、Ull工作．C21耦合送來(lái)的發(fā)射信號(hào)進(jìn)入相位同步選通電路進(jìn)行相位調(diào)節(jié)后，由Ull控制U13同步選通探頭所檢測(cè)到的同相位純金屬信號(hào)通過(guò)（與此通過(guò)的假信號(hào)被濾波電路濾掉），得到純金屬直流信號(hào)通過(guò)送人下一級(jí)電路進(jìn)一步處理。在全金屬探測(cè)過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)節(jié)W2微調(diào)相位來(lái)排除地下土壤層的“礦化反應(yīng)”�！暗V化反應(yīng)”是由構(gòu)成土壤的各種礦物質(zhì)對(duì)探頭發(fā)出的電磁波造成的影響，使儀器發(fā)出假信號(hào)，迷惑操作人員。
操作人員可通過(guò)調(diào)節(jié)W2．利用假信號(hào)與純金屬信號(hào)存在相位差的關(guān)系，同步選通將它們區(qū)別分開(kāi)，使真正金屬信號(hào)通過(guò)，達(dá)到排除地面“礦化反應(yīng)”的影響，使探測(cè)頭從空間靠近地面時(shí)不會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，只有在遇到金屬時(shí)才會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而提高探測(cè)深度和精度。當(dāng)K1-2撥在“識(shí)別”擋時(shí)，“識(shí)別”相位調(diào)節(jié)電路UlOC.UlOD、Ull、Q16工作，由C23耦合送來(lái)的發(fā)射信號(hào)送入相位同步電路進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，與前級(jí)送來(lái)的接收信號(hào)進(jìn)行相位比較等處理后，同步選通同相位純金屬信號(hào)通過(guò)，經(jīng)濾波器濾波后得到純直流金屬信號(hào)送至下一級(jí)電路進(jìn)一步處理。調(diào)節(jié)W2可以選擇鐵質(zhì)金屬和非鐵質(zhì)金屬（又稱(chēng)有色金屬）信號(hào)通過(guò)。之所以能識(shí)別金屬性質(zhì)，是因?yàn)楫?dāng)產(chǎn)生交變電流的線圈靠近金屬物體時(shí)，由于線圈周?chē)慕蛔兇艌?chǎng)存在，在金屬物體上便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流常稱(chēng)為渦電流，其數(shù)值大小除與交變電流的頻率有關(guān)外，還跟金屬物體的導(dǎo)電率有關(guān)。有色金屬導(dǎo)電性較好，導(dǎo)電率較大。鐵質(zhì)金屬導(dǎo)電性差，導(dǎo)電率較小。導(dǎo)電率越小，渦電流越大，所引起的能量損耗也越大。渦電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)又反作用于原磁場(chǎng)，使探頭線圈的原有參數(shù)發(fā)生變化。
有色金屬使原線圈的LC諧振回路諧振頻率升高，鐵質(zhì)金屬使LC回路的諧振頻率降低。這樣調(diào)節(jié)識(shí)別電位器W2，可以改變選通電路的相位，讓不同性質(zhì)的金屬相位信號(hào)通過(guò)。
7．采樣保持電路又稱(chēng)記憶保持電路。金屬探測(cè)器為高放大倍數(shù)直流放大器，它會(huì)受外界信號(hào)的干擾或愛(ài)溫度等因素的影響，使直流放大器產(chǎn)攔漂移而無(wú)法正常工作。為此TM88型金屬探測(cè)器在直流放大器輸出和輸入端之間加入了一個(gè)采樣保持電路。它實(shí)際為反饋伺服電路。
該電路由U4~U6、Q17(K246)、Q18(K246)等組成。其中U6(CA3140)為伺服反饋電路，它的正輸入端接地，負(fù)輸入端由R24、C17連接至輸出端，構(gòu)成一個(gè)反向積分放大器。直流放大器U4(OP07)的輸出漂移電壓始終由U6自動(dòng)控制反向調(diào)節(jié)。U6為手動(dòng)伺服電路，在探測(cè)前，按下記憶按鈕K3，Q18導(dǎo)通，則U4的輸出端通過(guò)R16、R20、Q18迅速加到U6的負(fù)輸入端，使U6反向調(diào)節(jié)U4而迅速回歸零（保證U4霉輸出）。
U5(LM393)與D29、D30等組成自動(dòng)跟蹤伺服電路，無(wú)論U4出現(xiàn)正或負(fù)漂移，U5始終自動(dòng)跟蹤U6的負(fù)輸入端，保證U4在無(wú)探測(cè)時(shí)為零輸出。
直流電表接在U4輸出端，作探測(cè)和直流工作狀態(tài)指示。
8，調(diào)諧限幅放大電路。它由U7(OP07)、U8(OP07)、W4、D3、D4等組成。其中U7為放大器，U8為限幅器。前級(jí)送來(lái)的直流信號(hào)經(jīng)W3（稱(chēng)靈敏度調(diào)節(jié)器）、R30、R31加到U7的負(fù)輸入端；W4稱(chēng)臨界聲調(diào)節(jié)器，即在使用時(shí)，調(diào)節(jié)W4使儀器剛好發(fā)出微弱的聲音（這種聲音稱(chēng)為臨界聲）。U7的輸出端通過(guò)R33加到U8的負(fù)輸入端．R37、R38分壓所得的基準(zhǔn)電壓加到U8的正輸入端。當(dāng)U7輸出電壓低于U8正輸入端的基準(zhǔn)電壓時(shí)，U8輸出端為正，D4載止，對(duì)U7正輸入端無(wú)影響，保證U7能正常放大。如U7輸出端輸出電壓高于U8正輸入端基準(zhǔn)電壓時(shí)．U8輸出為負(fù)，D4導(dǎo)通，使U7正輸出端的電位降低，則其輸出電壓也隨之降低，這樣達(dá)到了限幅作用．保證末級(jí)功放不會(huì)過(guò)載損壞。
9．音頻電路。它由Q4(BS170)、Q5(9014)、Q6(D882)等組成。U9內(nèi)部分頻信號(hào)分別由(1)、(2)腳輸出。經(jīng)D21、D22、R87構(gòu)成的與門(mén)電路得到占空比為1/4、頻率約440Hz的音頻方波信號(hào)加到場(chǎng)效應(yīng)管Q4的柵極，對(duì)限幅電路送至Q4漏極的直流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)Q5、Q6放大后，送人喇叭發(fā)出報(bào)警聲。
10．該機(jī)的供電由兩組電源組成。其中12V電源為音頻電路和發(fā)射電路供電，整個(gè)電路裝在一塊小電路板上（稱(chēng)為小板）；6V電源為信號(hào)處理電路供電，整個(gè)電路裝在一塊大電路板上（稱(chēng)為大板）。該機(jī)設(shè)置兩組電壓變換電路。一組由Q7(9014)、Q8(9014)、Q9(D882)、B2等組成，將12V電源變換為穩(wěn)定的13V電源供小板發(fā)射電路供電。另一組由Q1(9014)、Q2(9014)、Q3(D882)、Bl等組成，它將6V電源變換為穩(wěn)定的13V電壓，并經(jīng)U12(OP07)與R67、R68等構(gòu)成電壓跟隨器，轉(zhuǎn)換為正負(fù)6,5V電源供大板電路供電。
兩組電源變換器的啟動(dòng)脈沖由U9內(nèi)部將振蕩信號(hào)分頻后由(6)腳獲得，變換后的電壓分別由各自的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電阻W5、W6調(diào)整決定。
發(fā)光二極管Dll、D12分別為6V、12V電源電量指示，當(dāng)各自電壓低于一定值時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，表示電量不足，需更換電池。
K4為設(shè)定／常規(guī)選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)撥在設(shè)定時(shí)，Q17(K246)導(dǎo)通，采樣保持電路的反饋伺服電路反應(yīng)加快，促使它迅速反向調(diào)節(jié)U4快速歸零，達(dá)到快速檢測(cè)金屬位置。使用該擋后，探測(cè)深度會(huì)受到一定影響。
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