1、传感器技术课程设计 成绩评定： 传感器技术课程设计 题 目 金属探测器设计 传感器技术课程设计摘要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
2、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。关键词：涡流效应 震荡电路 功率放大目 录传感器技术课程设计一 、设计目的 -1二、设计任务与要求 -12.1 设计任务 -12.2 设计要求 -1三、设计步骤及原理分析 -13.1 设计方法 -13.2 设计步骤 -23.3 设计原理分析 -9四、课程设计小结与体会 -10五、参考文献 -11传感器技术课程设计0一、设计目的1、进一步了解和运用涡流效应的原理。 2、了解电
3、容三点式振荡电路原理。二、设计任务与要求2.1 设计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。2.2 设计要求设计一种可探测金属的电子装置金属探测器，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 号电池可连续工作 40h。 3.探测距离大于 20cm（金属物体愈大，测距也愈大，对 1 角硬币的探测距离为 20cm） 。 4.具有自动回零功能，并可抑制土壤效应。三、设计步骤及原理分析3.1 设计方法常见的金属探测器大都是利用金属物体对电磁信号产生涡流效应的原理。探测方法一般有三种。(1)频移识别：利用金属物体使电路电信号频率改变来识别金属物体。(2)场
4、强识别：利用金属对信号产生谐波的场强变化而使振幅随之变化来识别金属物体。(3)相移识别：利用金属对信号产生谐波的相位变化来识别金属物体。 本探测器利用第二种识别方法进行设计。利用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，从而使探测器的振荡器振幅也发生变化。该振幅变化量作为探测信号，经过放大变换后转换成传感器技术课程设计1音频信号，驱动音响电路发声，音频信号随着被测金属物的大小及距离的变化而变化。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
5、图其设计的总理框图如图所示：探测振荡器由晶体管 V1,V2 和探测线圈 L1，电容器 C1 等组成。基频振荡器由晶体管 V1，V3 和电容器 L2，电容器 C3 等组成，音频放大器由音频功率放大集成电路 IC，音量电位器 RP 和电容器 C6-C8 等组成。在 L1 未检测到金属物体时，探测振荡器的工作频率与基频振荡器的工作频率相同（320KHZ 左右） ，V3 的发射极无音频信号输出，扬声器 BL 中无声音，当 L1 探测到地下埋藏有金属物体后探测振荡器的工作频率将变高 V3 的发射极将输出一个音频信号，该信号经 IC 放后，驱动扬声器 BL。发出音频叫声，提示使用者已探测到金属物体了。3.
6、2 设计步骤3.2.1 直流电源及振荡、检波电路设计直流电源及振荡、检波电路：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 VD3和电容 C5，组成检波电路，原理图如图 3-2-1 所示传感器技术课程设计2图 3-2-1 直流电源及振荡图中，L1、L2、L3 和 L4 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 L1:L2=1:5） 。R3、C4 为射集偏置电路，L5、L6 构成探头谐振回路，为提高探测器的灵
7、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，取 L1:L2=1:150。当无金属物体时，振荡器的振荡频率6521CLf（取 L5=3.5mH，C6=0.01F，则 f=26.9kHz） 。当金属物体接近探头时，L5 的等效电感发生变化，谐振回路 L5C6 失谐，从而使负载能力很弱的变压器次级 L3 两端的电压发生明显变化，经取样电感 L4及检波电路将此信号转换成直流探测信号输出。3.2.2 前置放大电路的设计前置放大电路：前置放大电路用差动输入放大器组成，如图3-2-2传感器技术课程设计3图 3-2-2 前置放大电路图中 R1、C1、R2 及 C2 构成差动积分电路，即自动回零
8、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信号进行 100 倍放大，从而在一定程度上抑制了 土壤效应。当 u1 为缓变直流信号时，由于积分电路时间常数较小（r1=R1C1=100ms，r2=R2C2=220ms），C1、C2 可视作开路，由于参数对称，则 u0=0。当 ui=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 ui）。R1C1、R2C2 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 )(10)45102360 ttieuvRu（可求得 t=32.5s 时，输出达最大 u0=92.5mV。随时间延长，u0逐渐减小，t=1s 时，u00V。
9、可见前置放大器可抑制大于 1s 的慢变干扰信号。3.2.3 电压-电流变换电路的设计传感器技术课程设计4电压电流变化电路：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 3-2-3 所示图 3-2-3 电压电流变换电路由前置放大器输出的直流脉动信号经本级放大后得到稳定的恒流输出，以驱动后级电流频率变换器。图中 RP 为系统工作状态调节电位器。静态时，调节 RP 使三极管工作于临界截止状态，二极管接近于导通。一旦 ui 输入脉动放大信号，三极管进入放大（2.2M）使得三极管 T 集电极电流稍有变化，就会使二极管 VD 迅速导通3.2.4 电流-频率变换电路设计电流频率变换电路：电
10、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，驱动耳机发出音响。金属物体越大或者探头离金属物体越近，其输出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 构成有输入电压控制的多谐振荡器，电路如图 3-2-4 所示。传感器技术课程设计5图 3-2-4 电流-频率变换电路图中，输入信号 ui 控制 C2 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。当 ui 无信号输入时（前级输出端二极管截止，电流为零） ，由 R2、C1、VD 产生冲放电信号，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“搭一
11、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。3.2.5 直流欠压报警电路直流电源欠压报警电路：当电池电压 VT 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，故采用一个检测报警电路告知用户。报警电路如图 3-2-5 所示传感器技术课程设计6图 3-2-5 直流欠压报警电路用 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。当下降至-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 f=4.9kHz。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。在这次的整个设计中，
12、单元电路均以 555 定时器为中心来完成各自的功能。对于 555 定时器，我们并不陌生，它是一种多用途的单片中规模集成电路，具有定时精度高、温度漂移小、速度快、可直接与数字电路相连、结构简单、功能多、驱动电流较大等优点。它的内部一共集成了 21 个晶体管、4 个二级管和16 个电阻器，组成了两个起比较作用的电压比较器 和 、一个 RS 触发器、1V2一个由 3 只 5 的电阻组成的分压器和一个放电晶体管 T 及缓冲器 G。其 555 定时器的工作原理为：当 5 脚悬空时，比较器 和 的比较电压分12别为 2/3 和 1/3 。CVC1.当 6 脚的电压大于 2/3 ，2 脚的电压大于 1/3
13、时，比较器 输出CVCV1V低电平， 输出高电平，基本 RS 触发器被置 0，放电三极管 T 导通，输出端2OUT 为低电平；2.当 6 脚的电压小于 2/3 ，2 脚的电压小于 1/3 时，比较器 输出CC1高电平， 输出低电平，基本 RS 触发器被置 1，放电三极管 T 截至，输出端2VOUT 为高电平；传感器技术课程设计73.当 6 脚的电压小于 2/3 ，2 脚的电压大于 1/3 时，比较器 输出CVCV1V高电平， 也输出高电平，即基本触发器 R=1，S=1 ，触发器状态不变，电路亦2V保持原状态不变。由于阀值输入端（TH）为高电平（2/3 ）时，定时器输出低电平，因C此也将该端称为
14、高触发端；由于阀值输入端（ ）为低电平（1/3 ）时，定时器输出高电平，RTV因此也将该端称为低触发端。如果在电压控制端（5 脚）施加一个外加电压（其值在 0 之间） ，比CV较器的参考电压将发生变化，电路相应的阀值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。另外， 为复位输入端，当 为低电平时，不管其他RR端输入端的状态如何，输出 OUT 为低电平，即 的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。总上，列出 555 定时器的功能表为： 表 3-1 555 定时器的功能输入 输出TH RTROUT VT 0 0 导通2/3 CV 1/3 CV1 0 导通2/3 1/3 1 不变 不变
15、2/3 C 1/3 C1 1 截止从它的工作过程可以看出，它的输入可以不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。3.3 设计原理分析金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。金属探测器利用电磁感应的原理，利用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场。这个磁场能在金属物体内部能感生涡电流。涡电流又会产生磁场，倒过来影响原来的磁场，引发探测器发出鸣声。当有金属物靠近通电线圈平面附近时，将发生线圈介质条件的变化和涡流效传感器技术课程设计8应两个现象。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
16、铁磁性的金属 r1， 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 r 很大， 也较大，可认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。 本设计正是基于这样的理论，来寻找一种适合的传感器来感应线圈的磁场变化。四、课程设计小结与体会通过为期一周的课程设计，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，
17、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，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。传感器技术课程设计9参考文献1 马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社，20052 高吉祥.电子技术基础实验与课题设计.北京：电子工业出版社，20053 郑应光.模拟电子线路(一).南京：东南大学出版社，20054 邱寄帆、唐程山.数字电子技术.北京：人民邮电出版社，20055 郑应光.模拟电子线路(二).南京：东南大学出版社，2005
