资源描述
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《感测技术》课程设计
题目： 金属探测器的制作
学号姓名： 刘长军 刘倩倩 刘嘉威 刘校
罗林 李鑫 林祥祥 林晗
老师： 袁新娣
时间： 2013年11月
引言
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生产的诸多领域。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、电子等生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生利用手机等工具进行作弊。
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。目前。国外虽然已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。
一、设计目的
1、进一步了解和运用涡流效应的原理。
2、了解电容三点式振荡电路原理。
二：任务和要求
1、任务：设计一种可准确探测小范围内是否存在金属物体的电子。
2、探测器性能要求：
（1）工作温度范围：-40℃——+50℃。
（2）连续工作时间：一组5号干电池可连续工作40h（小时）。
（3）要求当有金属靠近传感器时相应的电路会发出警报。
（4）探测距离在20mm以内。
三、总方案设计
1、元器件的准备
电路中的NPN型三极管型号为9014,三极管VT1的放大倍数不要太大，这样可以提高电路的灵敏度。VD1-VD2为1N4148。电阻均为1/8W。
金属探测器的探头是一个关键元件，它是一个带磁心的电感线圈。磁心可选Φ10的收音机天线磁棒，截取15mm，再用绝缘板或厚纸板做两个直径为20mm的挡板，中间各挖一个Φ10mm的孔，然后套在磁心两端，如图1所示。最后Φ0.31的漆包线在磁心上绕。如果不能自制，也可以买一只6.8mH的成品电感器，但必须是那种绕在“工”字形磁心上的立式电感器，而且电感器的电阻值越小越好。
2、电路的制作与调试
图2是金属探测器电原理图图，组装前将所用元器件的管脚引线处理干净并镀上锡。对照三个图，依次将电阻器、二极管、电容器、三极管、发光二极管、微调电阻器焊到电路板上，再将电感探头连接到电路板上。电路装好，检查无误就可以通电调试。接通电源，将微调电阻器R8的阻值由大到小慢慢调整，直到发光二极管亮为止。然后用一金属物体接近电感探头的磁心端面，这时发光二极管会熄灭。调整微调电阻器R8可以改变金属探测器的灵敏度，微调电阻器R8的阻值过大或过小电路均不能工作。如果调整得好，电路的探测距离可达20mm。但要注意金属探测器的电感探头不要离元器件太近，在装盒时不要使用金属外壳。
图2 金属探测器总原理图
3、电路工作原理
涡流效应
图3涡流传感器结构图
根据电磁理论，我们知道，当金属物体被置于变化的磁场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。据此，将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流过线圈的电流会在周围产生交变磁场，当将金属靠近线圈时，金属产生的涡流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大，交变电流的频率越大，则涡电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。
通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。对于非铁磁性的金属[包括抗磁体(如:金、银、铜、铅、锌等)和顺磁体(如锰、铬、钦等) ，较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属（如：铁、钴、镍）很大，也较大，可认为是既可导电又导磁的物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。
金属探测器电路中的主要部分是一个处于临界状态的振荡器，当有金属物品接近电感L（即探测器的探头）时，线圈中产生的电磁场将在金属物品中感应出涡流，这个能量损失来源于振荡电路本身，相当于电路中增加了损耗电阻。如果金属物品与线圈L较近，电路中的损耗加大，线圈值降低，使本来就处于振荡临界状态的振荡器停止工作。从而控制后边发光二极管的亮灭。
在这个电路中三极管VT1与外围的电感器和电容器构成了一个电容三点式振荡器用如图4所示。
VT1的静态工作点：
取R6=6.8K（电位器）,R2=3.3K,VBQ=0.5VCC。
当图2中三极管基极有一正信号时，由于三极管的反向作用使它的集电极信号为负。两个电容器两端的信号极性通过电容器的反馈，三极管基极上的信号与原来同相，由于这是正反馈，所以电路可以产生振荡，R8和R1的存在，消弱了电路中的正反馈信号，使电路处于刚刚起振的状态下。
图4 电容三点式振荡电路
理论计算振荡器的频率为：
（C是C1，C2的串联）
金属探测器的振荡频率约为40KHz，主要由电感L、电容器C1、C2决定。调节电位器R8减小反馈信号，使电路处在刚刚起振的状态。电阻器R6是三极管VT1的基极偏置电阻。微弱的振荡信号通过电容器C4、电阻器送到由三极管VT2、电阻器R3、R9及电容器C5等组成的电压放大器进行放大。然后由二极管VD1和VD2进行半波整流，电容器C7进行滤波。整流滤波后的直流电压使三极管VT3导通，它的集电极为低电平，发光二极管VD3亮。
在金属探测器的电感探头L接近金属物体时，振荡电路停振，没有信号通过电容器C4，三极管VT3的基极得不到正电压，所以三极管VT3截止，发光二极管熄灭。
图5 发光二极管检测电路
4、 原件清单
NPN9014 3个
0.01uF无极性电容 3个
0.1uF电容 2个
202uF电容 1个
自制电感线圈 1个
二极管1N4004 2个
发光二极管 1个
6.8K电阻 1个
6.8K变阻器 1个
3.3K电阻 2个
100欧姆电阻 1个
2M电阻 1个
5.1K变阻器 1个
9K电阻 1个
五、本次课程设计的心得体会
课程设计是一个重要的教学环节，也是对学生综合素质的一次考核，所要完成的任务对每个同学来说都是一次挑战。通过这次课程设计不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。
这次课程设计金属探测器的电路图虽然比较简单，但真正要实现预期的功能还是有一定的困难，因此最后的结果不是很理想。此次课成设计的完成是我们团队合作的成果，一起设计电路，选择元器件，购买元器件，直到电子文档的完成，团队精神是我们最大的收获！
当然在此期间也向我们的授课老师袁老师请教了许多的问题，在此表示感谢！
五、参考文献
【1】陈有卿 《实用电子制作精选[M]》北京：机械工业出版社，1994.11
【2】张凤言 《电子电路基础[M]》北京：高等教育出版社，1995
【3】电子电路百科全书编辑组《电子电路百科全书[M]》北京：科学出版社，1988
【4】彭介华 《电子技术课程设计指导[M]》高等教育出版社，1997
【5】李哲英等 《实用电子电路设计[M]》北京：电子工业出版社,1997
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