课程设计金属探测器正文Word文档下载推荐.docx
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2.1.1高频振荡器探测金属
调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。
当探测线圈L靠近金属物体时，由于电磁感应现象，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。
如果能检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。
2.1.2场强识别探测金属
场强识别：
利用金属物体对信号产生谐波的场强变化而使振幅之变化来识别金属物体。
利用探头线圈产生交变电磁场在被测金属物中感应出涡流，涡流产生反作用于探头，使探头线圈阻抗发生变化，从而使探测器的振荡器振幅也发生变化。
该振幅变化量作为探测信号，经放大、变换后转换成音频信号，驱动音响电路发声，音频信号随被测金属大小及距离的变化而变化。
2.1.3六反相器数字集成电路探测金属
应用一块CMOS六反相器数字集成电路，作为放大电路的金属探测器，金属探测器的原理电路图如下：
图2.1.3六反相器数字集成电路
金属探测器的探头是一只高Q值的电感L。
它与反相器IC—l及电容器C2、C3、C4构成了一个电容三点式振荡器，其振荡频率约为27kHz。
调节电位器RP可使电路处在刚刚起振的状态下。
微弱的振荡信号通过由反相器IC-2和电阻R1组成的放大电路进行放大，再由二极管VDI进行整流，整流后的信号由反相器IC-3和IC-4进行放大。
最后通过二极管VD2去控制由1C-5和IC-6构成的音频振荡器的工作状态。
作为探头的电感L在没有接近金属物体时，电路正常起振。
振荡信号控制音频振荡器停止工作，扬声器不发声。
当有金属物体接近电感时（电感线圈的轴向方向），电感L的Q值下降，电路停振，没有信号去抑制音频振荡器，所以音频振荡器工作，驱动扬声器发声。
使用时，接通电源后，仔细调整电位器RP使扬声器刚刚不响．这时灵敏度较高，探测距离可达5mm——20mm。
2.2方案选择
方案一用到了高频振荡器，价格比较高，虽然探测的效果比较好，但是制作起来比较麻烦，不适合作为课程设计的选择。
方案三设计思路明确，结构合理，方案易于实现，但探测的距离过小，不能满足课题要求。
方案二只用到了简单的元件并且设计合理，既具备了方案一的优点又解决了方案三的不足。
因此选用方案二作为本课题的原理方案。
3电路总原理及基本框图
3.1金属探测器的原理框图
3.2金属探测器的组成及基本原理
一共分为：
电压-电流变换电路；
电流-频率变换电路；
利用电磁感应原理，利用有交流通电的线圈，产生迅速变化的磁场这个磁场能在金属物体内部产生涡流，涡流又会产生磁场，倒过来影响原来的磁场而产生涡流。
将谐振信号变成电信号，经过放大、整流滤波，来产生磁场变化从而引发探测器发出鸣声。
采用高、低通有源滤波电路来实现振荡对探测器的控制。
3.3金属探测器原理仿真电路图及工作原理
3.3.1.金属探测器仿真电路图：
如附录图1所示；
元件参数如附录表1。
3.3.2金属探测器工作原理：
（1）高频振荡器工作原理：
由三极管VT1和高频变压器L等组成，是一种变压器反馈型LC振荡器。
L的初级线圈L1和电容器C1组成LC并联振荡回路，其振荡频率约200kHz，由L1的电感量和C1的电容量决定。
L的次级线圈L2作为振荡器的反馈线圈，其“C”端接振荡管VT1的基极，“D”端接VD2。
由于VD2处于正向导通状态，对高频信号来说，“D”端可视为接地。
在高频变压器L中，如果“A”和“D”端分别为初、次级线圈绕线方向的首端，则从“C”端输入到振荡管VT1基极的反馈信号，能够使电路形成正反馈而产生自激高频振荡。
振荡器反馈电压的大小与线圈L1、L2的匝数比有关，匝数比过小，由于反馈太弱，不容易起振，过大引起振荡波形失真，还会使金属探测器灵敏度大为降低。
振荡管VT1的偏置电路由R2和二极管VD2组成，R2为VD2的限流电阻。
由于二极管正向阈值电压恒定（约0.7V），通过次级线圈L2加到VT1的基极，以得到稳定的偏置电压。
显然，这种稳压式的偏置电路能够大大增强VT1高频振荡器的稳定性。
为了进一步提高金属探测器的可靠性和灵敏度，高频振荡器通过稳压电路供电，其电路由稳压二极管VD1、限流电阻器R6和去耦电容器C5组成。
振荡管VT1发射极与地之间接有两个串联的电位器，具有发射极电流负反馈作用，其电阻值越大，负反馈作用越强，VT1的放大能力也就越低，甚至于使电路停振。
RP1为振荡器增益的粗调电位器，RP2为细调电位器。
（2）振荡检测器工作原理：
振荡检测器由三极管开关电路和滤波电路组成。
开关电路由三极管VT2、二极管VD2等组成，滤波电路由滤波电阻器R3，滤波电容器C2、C3和C4组成。
在开关电路中，VT2的基极与次级线圈L2的“C”端相连，当高频振荡器工作时，经高频变压器L耦合过来的振荡信号，正半周使VT2导通，VT2集电极输出负脉冲信号，经过π型RC滤波器，在负载电阻器R2上输出低电平信号。
当高频振荡器停振荡时，“C”端无振荡信号，又由于二极管VD2接在VT2发射极与地之间，VT2基极被反向偏置，VT2处于可靠的截止状态，VT2集电极为高电平，经过滤波器，在R4上得到高电平信号。
由此可见，当高频振荡器正常工作时，在R4上得到低电平信号，停振时，为高电平，由此完成了对振荡器工作状态的检测。
（3）音频振荡器工作原理：
音频振荡器采用互补型多谐振荡器，由三极管VT3、VT4，电阻器R5、R7、R8和电容器C6组成。
（如下图3）互补型多谐振荡器采用两只不同类型的三极管，其中VT3为NPN型三极管，VT4为PNP型三极管，连接成互补的、能够强化正反馈的电路。
在电路工作时，它们能够交替地进入导通和截止状态，产生音频振荡。
R7既是VT3负载电阻器，又是VT3导通时VT4基极限流电阻器。
R8是VT4集电极负载电阻器，振荡脉冲信号由VT4集电极输出。
R5和C6等是反馈电阻器和电容器，其数值大小影响振荡频率的高低。
（4）功率放大器工作原理：
功率放大器由三极管VT5、扬声器BL等组成。
从多谐振荡器输出的正脉冲音频信号经限流电阻器R9输入到VT5的基极，使其导通，在BL产生瞬时较强的电流，驱动扬声器发声。
由于VT5处于开关工作状态，而导通时间又非常短，因此功率放大器非常省电，可以利用9V积层电池供电。
3.4金属探测器电路参数计算
金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。
当通过交变电流
时，线圈周围空间会产生交变磁场，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：
其中，
为介质的磁导率，
为相对磁导率，
为真空磁导率。
4单元模块设计
4.1直流电源及振荡、检波电路设计方案
系统稳压电源采用集成三端稳压器CW79L05组成，其输入端接电池（-12V），输出稳压值为-5V。
采用变压器耦合正弦波振荡器、二极管和电容组成检波电路，原理如4.1示。
图中，
、
和
为绕在同一磁罐内的四组线圈。
当电源接通后，电路产生振荡，其输出电压幅度指数上升至三极管饱和。
为防止产生振荡阻塞，须选择合适的匝数比可取。
为射极偏置电路，
构成探头谐振回路。
为提高探测器的灵敏度，要求探头电感线圈有较高的电压，可利用变压器升压来实现。
当无金属物体时振荡器的振荡频率
当金属物体接近探头时，
的等效电感发生变化，谐振回路
失谐从而使负载能力很弱的变压器次级
两端的电压发生明显变化，经取样电感
及检波电路将此信号转换成直流探测信号输出。
部分元件参数选择：
取
=1：
5，
=1：
150，
=3.5mH，
=0.01µ
F，则
=26.9kHz。
4.2前置放大电路设计方案
前置放大电路用差动输入放大器组成，如图4.2示。
其静态工作点如下：
图中
及
构成差动积分电路，即自动回零电路，其作用是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进行100倍放大，从而在一定程度上抑制了土壤效应。
当
为缓变直流信号时，由于积分电路时间常数较小，
ms,
ms，
可视作开路，由于参数对称，则
。
为脉动信号时（即在原检波输出电压基础上叠加脉动变化量
）。
组成差动积分电路（积分器负载电阻较大，其影响可忽略）由经典法得
可求得
s时，输出达最大值
mV。
随时间延长，
逐渐减小，
s时，
V。
可见前置放大器可抑制大于1s的慢变干扰信号。
部分元件的选择：
放大器选择DG747型号，电容C3选择0.047μF，电阻R6取100kΩ,R1、R2取10kΩ,R3、R4取1kΩ。
4.3电压-电流变换电路
电压-电流变换电路用运算放大器和三极管等组成电流负反馈电路，如图4.3所示。
对晶体管进行动态分析有：
由前置放大器输出的直流脉动信号经本级方大后得到稳定的恒流输出，以驱动后级电流-频率变换器。
为系统工作状态调节电位器。
静态时，调节
使三极管工作临界截止状态，二极管接近于导通。
一旦
输入脉动放大信号，三极管进入放大状态，二极管迅速导通，驱动下一级工作。
电阻
取值较大（2.2MΩ），使得三极管T集电极电流稍有变化，就会使二极管D迅速导通。
4.4电流-频率变换电路
电流-频率变换电路的作用是将前级放大后的直流信号转换成音频信号，驱动耳机发出声响。
金属物体越大或者探头离金属物体越近，其输出的信号就越强，频率就越高。
采用CMOS时基电路CH7555构成由输入电压控制的多谐振荡器，电路如图4.4示。
图中，输入信号
控制电容器
的充电时间，从而决定输出音频信号的频率，实现电流-频率转换。
无信号输入时（前级输出端二极管截止，电流为零），由
产生充放电信号，使变换器输出一个间隔约3s的窄脉冲，耳机中产生一间隔为3s的“搭-搭”声，以示无探测信号。
当探测到金属物体时，耳机中声响的频率增高，信号加大。
部分元件的选择：
R5取8.2kΩ，R6取20kΩ，C3取0.01μF，C2取0.015μF，R1取1kΩ，R2取18kΩ。
4.5直流电源欠压报警电路
当电池电压
由-12V变至-6.5V时，使三端稳压器输出稳压值产生较大偏差，应更换新电池，故采用一检测报警电路告之用户。
报警电路如图4.5所示。
用CMOS时基电路CH7555和阻容元件组成多谐振荡器，采用-5V稳压电源供电。
下降至-6.5V时，电路起振，发出电压不足报警信号。
该振荡器的振荡频率
kHz，比探测信号频率高，且固定不变，因此不会与探测信号相混淆。
5单元电路的级联设计与调试
将直流电源、振荡器、检波器、前置放大电路、电压-电流变换器、电流-频率变换器依照图3所示的顺序，采用直接耦合的方式连接，就构成了完整的金属探测器的原理图，如附录图所示。
6设计总计
通过为期二周的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。
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什么样的功能。
另外，还要考虑到电路的可行性，实用性等。
本次课程设计要求多学科知识综合应用，锻炼了设计者的动手能力，加深了对各个学科的理解和掌握。
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。
7致谢
在为期二周的课程设计中，老师和同学帮助了我许多，尤其是王波老师，他总是不厌其烦的帮助我解决每个或大或小的问题，老师不仅在学术上的专业性和全面性征服了我，而且他那孜孜不倦的育人精神也感染了我，让我在学习期间明白了对于学习要努力，要不怕苦，争取在本专业学好的同时，还要尽可能多了解各方面知识，让我们明白人不是为了学习而学习，是为了充实自我完善自我而去获得知识，吸收知识。
王波老师在炎炎夏日不怕酷暑炎热，依旧一丝不苟的帮同学们解答问题，尽他所能帮助每一位同学在学习上的困难，他所散发的光芒也让我明白了平凡人的不平凡，以及对待工作要干一行爱一行。
在老师的教诲下我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力都有了明显提高，所以我十分感谢老师和同学，并且我会把老师的精神在未来的学习和生活中发扬下去。
这次课程设计，让我学习了很多，为未来的工作又打下了更坚实的基础。
8参考文献
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机械工业出版社.1994.11
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[6]彭介华.电子技术课程设计指导[M].高等教育出版社.1997.
[7]李哲英等．实用电子电路设计[M]．北京：
电子工业出版社.1997.
9附录
表1金属探测器总原理图元件参数
符号
规格
名称
数量
RP1
5.1KΩ
滑动变阻器
1
RP2
330Ω
VCC
12V
直流电源
R1
270KΩ
R2
2.7KΩ
R3
220KΩ
R4
56KΩ
R5
1KΩ
R6
390KΩ
R7
10KΩ
R8
27KΩ
R9
C1
3300pF
电容
C2
1μF
C3
0.03μF
C4
0.1μF
C5
47μF
C6
0.01μF
C7
K
开关
VD1
稳压管
VD2
VT1
三极管
VT2
VT3
VT4
VT5
升级会员 