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1、德州学院 2013届 电子信息工程专业 毕业设计 提供全套毕业论文，各专业都有 金属探测器的研究与设计 陈亮 (德州学院物电学院，山东德州253023)摘 要 金属探测器是专门用来探测金属的仪器，广泛应用于工业生产、安检、娱乐等领域， 本文设计的金属探测是根据电磁感应原理制成的，将一金属置于变化的磁场当中时，根据电磁感应原理就会在金属内部产生涡流，涡流产生的磁场反过来又影响原磁场，这种变化可以转换为频率和幅值的变化，供相关电路进行检测。由正弦波振荡电路产生正弦波，流过探头线圈产生交变电磁场，在被测金属物体中感应出涡流，涡流产生反作用于探头，使探头线圈阻抗发生变化，从而使探测器的振幅也发生变化。
2、该振幅变化量作为探测信号，经二极管检波电路，前置电路放大，将电压转换成电流，后把电流转换成频率，最后将这个变化量转换成音频信号，驱动扬声器，使扬声器所发的声音发生改变，音频信号随被测金属物体的大小及距离变化而变化。关键词 金属探测； 电磁感应原理； 振荡电路； 放大电路； 电压电流转换电路1 绪论 金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器，探测有金属外壳或金属部件的地雷，还可以用来探测隐蔽在墙壁内部的电线、埋在地下的水管电缆，甚至能够地下探宝考古，发现埋藏在地下的金属物体。目前还广泛用于各种大型会议中心、体育场管公检法、监狱系统及娱乐场所的安全检查和工厂企业1的防偷检查，甚至用于对高考作弊检查。
3、早在20世纪40年代二战期间，出于战争的需要，军队就使用了差拍式金属探测器来排查地雷。作为探雷器由于军事的保密需要，随后的20年金属探测器没有得到大的技术发展和应用领域的拓展。20世纪70年代随着航空工业的迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空和机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中，金属探测门被用来充当排查违禁物品的重要角色。同时，由于金属探测门在机场安检中崭露头角，大型运动会、展览会及政府安全保卫工作中开始启用金属探测门。20世纪80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重，在依靠警员对囚犯加强管理的同时，金属探测门再次成为了美国、英国
4、、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备；与此同时西方兴起的“探宝热”，也使金属探测器取得了长足的发展。进入20世纪90年代，迅速升温的电子制造业2成了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品的流失、结束员工与公司之间的尴尬局面，陆续采用了金属探测门和手持金属探测器，作为管理员工行为、减少产品流失的利刃，于是金属探测器又有了它的新作用产品防盗。2 金属探测理论依据2.1电磁感应原理金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的，对于如图2-1所示的半径为R的单匝圆形电感线圈，当其中通过交变电流时，线圈周围空间会产生交变磁场D根据毕奥-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：
5、 （2-1）其中，为介质的磁导率，为相对磁导率，为真空磁导率。图2-1 环形载流导线的磁场由公式（2-1）可知，当线圈有效探测范围3内无金属物时，（非金属的相对磁导率），线圈中心磁感应强度B保持不变。当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时，由于铁磁性金属的相对磁导率，所以，磁感应强度B也会随的增大而增大。当线圈有效探测范围内出现非铁磁性金属物时，由于非铁磁性金属的相对磁导率，所以，磁感应强度B也会随的减小而减小。由此可见，金属的出现会使介质的磁导率发生变化，从而引起线圈周围的磁感应强度变化。另一方面，置于该交变磁场中的金属导体内会产生自行闭合的涡电流，涡流要产生附加的磁场与外磁场方向相反会削弱
6、线圈磁场的变化。金属的电导率越大，线圈中通过的交变电流的频率越大，则涡电流强度就越大，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。本设计正是基于上述理论，寻找一种适合的传感器来感应金属的出现而引起的线圈磁场变化并把磁场信号的变化转变成电信号的变化，从而实现单片机的控制。2.2 传感器原理根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在
7、导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛4。一、电涡流式传感器的工作原理 图2-2由传感器线圈和被测导体组成线圈导体系统。根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流，又产生新的交变磁场。根据愣次定律，的作用将反抗原磁场，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而
8、电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关，还与线圈与导体间的距离x有关。因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：Z=F（，r，f，x）式中:r线圈与被测体的尺寸因子。如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数5，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。 图2-2 传感器的原理图二、 基本特性 电涡流传感器简化模型如图2-3所示。模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h由以下公式求得： （2-2
9、）式中：f线圈激磁电流的频率。根据简化模型，可画出如图2-4所示等效电路图。图中为电涡流短路环等效电阻，其表达式为： （2-3） 图2-3 电涡流传感器简化模型 图2-4 电涡流传感器等效电路根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：式中：线圈激磁电流角频率；、线圈电阻和电感；短路环等效电感；短路环等效电阻。等效阻抗Z的表达式为： （2-4）线圈受电涡流影响后的等效电阻；线圈受电涡流影响后的等效电感。线圈的等效品质因数Q值为Q=综上所述，根据电涡流式传感器的简化模型和等效6电路，运用电路分析的基本方法得到的方程式，即为电涡流基本特性。三、电涡流形成范围1）电涡流的径向形成范围线圈导体系统产生的电涡
10、流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图2-5所示。由图可知金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度。电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。电涡流密度在短路环半径r=0处为零。 图2-5 电涡流密度J与半径r的关系曲线电涡流的最大值在r=附近的一个狭窄区域内。可以用一个平均半径为的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。2）电涡流强度与距离的关系理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化
11、。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度中:线圈激励电流；金属导体中等效电流；x线圈到金属导体表面距离；线圈外径。分析表明:电涡强度与距离x呈非线性关系，且随着x/的增加而迅速减小。当利用电涡流式传感器7测量位移时，只有在x/(一般取0.050.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。3 设计思路与总体方案3.1设计思路利用金属物体对电磁信号产生涡流效应的原理：电涡流效应：由法拉第电磁感应原理可知：一个块金属导体置于变化的磁场中或在磁场中切割磁力线运动时，导体内部会产生闭合的电流，这种电流像水中的旋涡，故称为电涡流，这种现象叫做电涡流效应。设计思路：利用控头线圈产生
12、交变电磁场在被测金属物体中感应出涡流，涡流产生反作用于探头，使探头线圈阻抗发生变化，从而使探测器的振幅也发生变化。该振幅变化量作为探测信号，经放大，变换后换成间音频信号，驱动音响电路发声，音频信号随被测金属物体的大小及距离变化而变化。3.2总体方案方框图检 波器前置放大器电压电流变换器电流频率变换器稳压电 源欠压报 警1探头振荡器 图3-1 金属探测器原理框图 4 单元电路的设计4.1振荡器 一、RC文氏电桥振荡电路原理RC文氏电桥振荡器的电路如图4-1所示，RC串并联网络是正反馈网络，由运算放大器、R3和R4负反馈网络构成放大电路。 图4-1 RC文氏电桥振荡器C1R1和C2R2支路是正反馈
13、网络，R3R4支路是负反馈网络。C1R1、C2R2、R3、R4正好构成一个桥路，称为文氏桥。 RC串并联选频网络的选频特性RC串并联网络的电路如图4-2所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。 图4-2 RC串并联网络 RC串并联网络的传递函数为 （4-1） 当输入端的电压和电流同相时，电路产生谐振，也就是公式4-1是实数，虚部为0。令公式4-1的虚部为0，即可求出谐振频率。 (1)谐振频率 （4-2）对于文氏RC振荡电路，一般都取R=R1 = R2，C=C1 = C2时，于是谐振角频率: （2）频率特性 幅频特性 （4-3）（3）相频特性 （4-4）文氏RC振荡电路正反
14、馈网络传递函数的幅度频率特性曲线和相位频率特性曲线如图4-3所示。 (a) 幅频特性曲线 (b) 相频特性曲线 图4-3 RC串并联网络的频率响应特性曲线 （4）反馈系数当满足R=R1 = R2，C=C1 = C2条件，且当f=f0时的反馈系数 （4-5）此时反馈系数 与频率f0的大小无关，此时的相角jF=0。文氏RC振荡电路可以通过双连电位器或双连电容器来调节振荡电路的频率8，即保证R=R1 = R2，C=C1 = C2始终同步跟踪变化，于是改变文氏桥RC振荡电路的频率时，不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。 根据振荡条件丨AF丨1，在谐振时，放大电路
15、的电压增益应该Au=3。RC串并联网络的反馈信号加在运算放大器的同相输入端，运算放大器的电压增益由R3和R4确定，是电压串联负反馈，于是应有 （4-6）振荡的建立和幅度的稳定（5）振荡的建立所谓振荡的建立，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡输出。由于电路中存在噪声，噪声的频谱分布很广，其中也包括f0及其附近一些频率成分。由于噪声的随机性，有时正有时负，有时大一些有时小一些。为了保证这种微弱的信号，经过放大通过正反馈的选频网络，使输出幅度愈来愈大，振荡电路在起振时应有比振荡稳定时更大一些的电压增益，即丨AF丨1，所以Au f3，丨AF丨1称为起振条件。 （6）通过热敏元件稳定输出幅度 加入R3
16、、R4支路，电路是串联电压负反馈，其放大倍数。若Au f始终大于3，振荡电路的输出会不断加大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度不再增加，但振荡电路的输出会产生失真。所以应该在起振时使Au f3，而当振起来以后，应使Au f=3。解决这个问题必须要自动地改变运算放大器的增益，起振时，增益大于3，起振后增益稳定在3。决定运算放大器增益的是R3和R4，例如我们通过图4-4电路中的R4来调节增益。R4是具有正温度系数的热敏电阻，起振前其阻值较小，使Au f3。当起振后，流过R4的电流加大，R4的温度升高阻值加大，负反馈增强以控制输出幅度，达到振荡稳定状态时,。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R
17、3的位置。 图4-4 用热敏电阻保证电路起振二、RC振荡器电路及参数计算，nF振荡频率为：f=1/(2)21.2kHz 图4-5 RC振荡器电路 图4-6 RC振荡器电路仿真结果三、漆包线自绕线圈如图4-7的探头和C，组成LC选频网络，其频率与RC振荡电路的频率相同，都为21.KHz。振荡电路的输出波形经电阻分压后输出；当未探测到金属时，输出5v左右的正弦波,当探测到金属时，电感量发生变化,致使LC选频网络失谐,其阻抗减小，从而输出波形幅度减小，产生一个电压差。逐级传送到后级电路，从而使后级电路产生一个变化。这种变化发生时，我们就认为，探测到金属了。其中探头的制做：我们选取用直经为0.45mm
18、铜芯漆包线，绕成直线10cm 的圆形线圈30匝左右。其LC谐振频率为21k左右漆包线自绕电感探头 图4-7 LC选频网络 4.2二极管包络检波电路（1）原理电路及工作原理图4-8是二极管峰值包络检波器的原理电路。它是由输入回路、二极管VD和RC低通滤波器组成。在该电路中一般要求输入信号的幅度在0.5V以上，所以二极管处于大信号工作状态，又称为大信号检波电路。 (4-7)式中，c为输入信号的载频，在超外差接收机中则为中频I为调制频率。在理想情况下,RC网络的阻抗Z应为 (4-8) 图4-8 二极管峰值包络检波器 (a) 原理电路 (b)二极管导通 (c)二极管截止（2）输入电阻 检波器的输入阻抗
19、包括输入电阻及输入电容，如图4-9所示。输入电阻是输入载波电压的振幅与检波器电流的基频分量振幅之比值，即 (4-9)输入电阻是前级的负载，它直接并入输入回路，影响着回路的有效Q值及回路阻抗。由式(4-9)，有 (4-10)当50时，很小，sin-3/6，cos1-2/2，代入上式，可得 (4-11) 图4-9 检波器的输入阻抗（3）检波器的失真 1)惰性失真在二极管截止期间，电容C两端电压下降的速度取决于RC的时常数。了避免产生惰性失真，必须在任何一个高频周期内，使电容C通过R放电的速度大于或等于包络的下降速度，即如果输入信号为单音调制的AM波，在时刻其包络的变化速度为 （4-12） 二极管停
20、止导通的瞬间，电容两端电压近似为输入电压包络值，即。从时刻开始通过R放电的速度为 （4-13）将上2个式代入可得 （4-14）实际上，不同的，和的下降速度不同，为避免产生惰性失真，必须保证A值最大时，仍有1。故令=0，得代入式中，得出不失真条件如下: （4-15）4.3前置放大的电路前置放大电路用差动输入放大器组成，其作用是对变化缓慢的直流信号10进行抑制，而对变化较快的金属探测信号进行放大，从而在一定程度上抑制了土壤效益。 图4-10 前置放大电路4.4电压电流变换电路 图4-11 实用的电压-电流转换电路上图4-11所示为实用的电压-电流转换电路。由于电路引入了负反馈，构成同相求和运算电路
21、，构成电压跟随器。图中，因此经分析推导可得 （4-16）由于电路引入了负反馈，构成同相求和运算电路，构成电压跟随器。因此 （4-17）构成同相求和运算电路，因此，代入上式得，上的电压所以 (4-18)实现电压-电流转换 图4-12 电压-电流转换电路4.5电流-频率变换电路本设计的电流频率转换电路以555为核心组成，用于实现电流和频率的变换。本电路中的555采用CMOS型的，输入阻抗高，对电容的充电电流分流小，因而具有很高的灵敏度。当输入电流对充电，冲到2/3VDD阀值电平时，则555复位，输出低电平11。同时通过IC内部的放电管以极快的速度放电，当放电低于1/3VDD，又重新使555置位。周
22、而复始，使输入电流变换为振荡频率，电流越大则频率越高。RP用于作零点补偿，使无电流时，不振荡，输出端呈高电平。 图4-13 以555为核心组成的电流频率转换电路4.6直流电源欠电压报警当电源电压正常工作时，所以LM358的7脚输出低电平，NPN三极管不通，蜂鸣器不工作；当输入电压变小的12时候，也相应的变小，当 的时候LM358的7 脚输出高电平，NPN 三极管导通，蜂鸣器发出报警声。这个门限电压可以调整电位器来实现变化。 图4-14 直流电源欠电压报警 4.7三端稳压电源电路一、三端集成稳压器原理三端集成稳压器是一种串联调整式稳压器13，内部设有过热、过流和过压保护电路。它只有三个外引出端(
23、输入端、输出端和公共地端)，将整流滤波后的不稳定的直流电压接到集成三端稳压器输入端，经三端稳压器后在输出端得到某一值的稳定的直流电压。三端集成稳压器由调整管、放大电路、基准电路、采样电路、启动电路、保护电路组成。 图4-15 三端稳压器的内部等效电路固定三端稳压器常见应用电路如图4-16所示 （a）正固定电压输出 （b）负固定电压输出 图4-16 固定三端稳压器常见应用电路为了保证稳压性能，使用三端稳压器时，输入电压与输出电压相差至少2V以上，但也不能太大，太大则会增大器件14本身的功耗以至于损坏器件。在输入与公共端之间、输出端与公共端之间分别接了0.1F左右的电容，可以防止自激振荡。二、W7
24、800基本应用电路 图4-17 W7800基本应用电路如上图4-17所示，电路中的作用是消除输入连线较长时其电感效应引起的自激振荡，减小纹波电压。在输出端接电容是用于消除电路15高频噪声。一般选用0.33F，选用0.1F。电容的耐压应高于电源的输入电压和输出电压。若容量较大，一旦输入端断开，将从稳压器输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏。因此，可在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，起保护作用。4.8总电路图如4-18所示，本此设计有分为稳压电源、振荡器、探头、检波器、前置放大器、电压电流交换器、电流频率变换器、欠压报警装置八部分构成具体作用如下：稳压电源：将不稳定的直流电源转换成稳定的直
25、流电压。振荡器：将直流电转换成具有一定频率交流电信号输出。探头：当探测到金属是，电感量发生变化，只是LC选频网络失谐，其阻抗减少，从而输出波形幅度减少，产生电压差。检波器：将电压变化的信号转化成直流探测信号。前置放大器：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放大，从而在一定程度上形成抑制土壤。电压电流变换器：就是将前置放大的直流信号转换成恒流输出，来驱动后面的电流频率变换器运行。电流电压变换器：就是将前置放大的直流信号转换成音频信号，驱动喇叭鸣响。欠压报警：当电池电压过低时，及时发出信号提醒用户更换电池。 图4-18 总电路图5 结论通过这次毕业设计，我深刻体会到了自己知识的
26、匮乏。我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。真正的能将自己的所学知识转化为实际所用才是最大的收获，也就是说真正的能够做到学为所用才是更主要的。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。本次课程设计所设计的金属探测器基本符合设计要求，可以探测出20cm范围内的金属物体的存在，而且对于体积较大的金属物体，探测的范围会相应的增大，考虑到该装置使用电池供电，还设计了电源欠压提示功能，提醒用户及时更换电池。设计电路时，要考虑到它的前因后果，用什么样的电路实现什么样的功能。另外，还要考虑到电路
27、的可行性，实用性等。总之，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。参考文献1 anV.Oppenheim Signals and Systems Academic Press ,2009:1-22 Donald A.Neamen. Electronic Circuits Analysis and Design.2nd ed.McGraw-Hill Companies,Inc,2009:1-23 高瑜翔.高频电子线路.北京：科学出版社，1999：3-44 谭博学.集成电路.徐州：电子工业出
28、版社，2000：5-65 胡翔骏.电路分析.北京：高等教育出版社，2005：5-66 庄俊华.Multisim9入门及应用.上海：机械出版社，2001：8-97 夏路易.电路原理图与电路板设计教程.北京：北京希望电子出版社，2003：9-108 华成英.模拟电子技术基础.徐州：高等教育出版社，2006：11-129 PCF8591 8-bit A/D and D/A converter. Copyright Philips Semiconductors, 1998:11-1211范丽珍.单片机控制的智能型金属探测器的设计.内蒙古：内蒙古大学，2005：11-1212陆英华.电子系统设计教程.北
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30、ctor is designed to detect metal instruments, widely used in industrial production, security, entertainment and other fields, in this paper, the design of metal detector is made according to the principle of electromagnetic induction, put a metal in changing magnetic field, according to the principl
31、e of electromagnetic induction in the eddy current is generated in metal eddy current generated magnetic field, in turn, affect the original magnetic field, the change can be converted into frequency and amplitude of the change, for the related circuit for testing. Sine wave generated by the sinusoi
32、dal oscillation circuit, through the probe coil produces alternating electromagnetic field, induced the eddy current in the metal objects being measured, eddy current effect in probe, the probe coil impedance changes, so that the amplitude of the probe is also changing. As detection signal, the ampl
33、itude of variation by the diode detection circuit, front end circuit amplifier, to convert the voltage to current, to convert the current to frequency, after finally transform the variation into audio signal, drive the speakers, make sound from the speaker is changed, the audio signal varies with th
34、e size of the metal objects to be measured and the distance change and change. Keywords Metal detection; Electromagnetic induction principle; Oscillation circuit; Amplifier circuit; Voltage current transform circuit 致谢非常感谢张老师在我大学的最后学习阶段毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，她给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，她放弃了自己的休息时间，她的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向她表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！25