金属探测器的设计
四川信息职业技术学院
毕业设计说明书
设计题目: 金属探测器的设计 专 业: 通 信 技 术 班 级: 通技07-1 学 号: 0710207035 姓 名: 孙康龙 指导教师: 刘雪亭
二00九 年 十二 月 十五 日
目 录
目 录 ................................................................ I
摘 要 ............................................................... 1
第1章 绪 论 ........................................................ 2
第2章 设计要求与设计思路 ............................................ 3
2.1 设计要求 ............................................................................................................ 3
2.2 设计思路 ............................................................................................................ 3
第3章 电路设计 ...................................................... 5
3.1直流电源及振荡、检波电路设计 .................................................................... 5
3.2前置放大电路的设计 ........................................................................................ 6
3.3电压-电流变换电路的设计 .............................................................................. 7
3.4电流-频率变换电路设计 .................................................................................. 7
3.5直流欠压报警电路 ............................................................................................ 8
总 结 .............................................................. 12
致 谢 .............................................................. 13
参考文献 ............................................................ 14
附录 整机电路图 ..................................................... 15
摘 要
随着电子技术的进步，金属探测器从电子管、晶体管乃至集成电路，有了更新换代的发展，其应用范围几乎扩大到各个领域，对工业生产及人身安全起重要的作用。目前，金属探测器大致分为两种类型：
1.安装在冶金、烧结、水泥、玻璃、造纸、化工、卷烟等工厂和矿山生产线的自动传送皮带上，用以检测矿石、烟草等原料中混入的废金属，保护破碎机不受损坏，此类称为“工业型金属探测器”；
2.随着交通、旅游、金融和娱乐事业的发展，在机场、银行、珠宝店和珠宝制造厂、贵金属矿、贵金属加工厂等，需要对过往人员进行检测，以使贵重物品不丢失及排除危险品枪支等，此类被称为“安全型金属探测器”，它们应用广泛，效益可观，几千元一台的金属探测器就可以保护价值数拾万元的矿石破碎机；几万至几十万元买一套安全门式金属探测器，可以保护价值上千万元乃至上亿元的飞机及人身安全。因此对金属探测器的研究和生产引起国内外专家的高度重视，我国在冶金、食品等行业中、先后引进日本、澳大利亚等过研制的金属探测器用于生产，在北京、青岛等地开发出多种型号的金属探测器，并广泛应用。根据生产需要、金属探测器将不断改进并有新的发展。
本设计主要从金属探测器的电路组成入手，介绍了各部分电路的工作原理，及其整机电路的工作原理，层次结构清晰，在内容上适度介绍基本理论，讲清概念，重点突出实用。
关键词 冶金；金属 ；探测器
第1章 绪 论
金属探测器在国防、公安、地址等部门有着广泛的应用。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的存在。
2.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2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，涡流产生发作用，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物的大小及距离的变化而变化。
第2章 设计要求与设计思路
2.1 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脚硬币的探测距离为20cm）。
4.具有自动回零功能，并可抑制土壤效应。
课题验收标准：
1.完成该课题的直流电源及振荡、检波电路、前置放大电路、电压-电流变换电路、电流-频率变换电路、直流欠压报警电路的设计；
2.完成硬件的调试，实现预定功能；
3.通过验收，提交毕业设计报告
2.2 设计思路
金属探测器在国防、公安、地址等部门有着广泛的应用。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的存在。
2.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2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，涡流产生发作用，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物的'大小及距离的变化而变化。
4.本设计电路的总原理框图如图2-1所示
图2-1 设计电路的总原理框图
第3章 电路设计
3.1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3-1所示
图3-1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
f?1
2πL5C6
（取L5=3.5mH，C6=0.01μF，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所示。
图3-2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Δui）。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
u0?R6v2?v1)?100Δui(e?100t?e?45t) R3
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，u0≈0V。可见前置放大器可抑制大于1s的慢变干扰信号。
3.3电压-电流变换电路的设计
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3-3所示。
图3-3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（2.2MΩ）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。
3.4电流-频率变换电路设计
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3-4所示。
图3-4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。
3.5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3-5所示。
图3-5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，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V1和V2、一个RS触发器、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。电路的组成框图和电路的引脚排列如图3-6所示。
（a）电路组成框图
（b）电路引脚排列
图3-6 电路组成框图和引脚排列
其555定时器的工作原理为：当5脚悬空时，比较器V1和V2的比较电压分别为2/3VCC和1/3VCC。
1.当6脚的电压大于2/3VCC，2脚的电压大于1/3VCC时，比较器V1输出低电平，V2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OUT为低电平；
2.当6脚的电压小于2/3VCC，2脚的电压小于1/3VCC时，比较器V1输出高电平，V2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OUT为高电平；
3.当6脚的电压小于2/3VCC，2脚的电压大于1/3VCC时，比较器V1输出高电平，V2也输出高电平，即基本触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
由于阀值输入端（TH）为高电平（＞2/3VCC）时，定时器输出低电平，因
此也将该端称为高触发端；
由于阀值输入端（TR）为低电平（＜1/3VCC）时，定时器输出高电平，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～VCC之间），比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，R为复位输入端，当R为低电平时，不管其他端输入端的状态如何，输出OUT为低电平，即R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
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。
总 结
这次设计的课题是“金属探测器”。金属探测器广泛应用于冶金、冶矿和机场等地方。本次设计要求工作温度范围-40-+50℃、探测距离要大于20cm、电路具有自动调零等功能。
金属探测器主要包括直流电源及振荡、检波电路、前置放大电路、电压-电流变换电路、电流-频率变换电路、直流欠压报警电路。主要考察了高频、数电等方面的知识，目的是提高我们的动手能力、设计能力和分析问题、解决问题的能力。
通过这次设计，学到了很多，对以前所学专业知识不足之处有了更深的掌握，了解了如何应用直流电源、放大电路、报警电路，及其他一些器件组成金属探测器，并让我了解和掌握金属探测器应用设计的基本方法、设计思路、设计步骤等全过程，达到理论联系实际，学以致用的目的，为以后在工作中的工程设计奠定了良好的基础。
致 谢
本课题在选题及研究过程中得到刘老师的悉心指导。刘老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。刘老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽相处时间不长，却给以终生受益无穷之道。对刘老师的感激之情是无法用言语表达的。
感谢刘老师等对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。
感谢学院领导给我提供了这次学习的机会最后，感谢我的同学三年来对我学习、生活的关心和帮助。
参考文献
[1] 马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社，2005
[2] 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，2005 [3] 郑应光.模拟电子线路(一).南京：东南大学出版社，2005 [4] 邱寄帆、唐程山.数字电子技术.北京：人民邮电出版社，2005 [5] 郑应光.模拟电子线路(二).南京：东南大学出版社，2005
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