實(shí)用新型金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)研究

杜江昊，唐曉琬

（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安，710072）

實(shí)用新型金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)研究

杜江昊，唐曉琬

（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安，710072）

金屬探測(cè)器是一個(gè)應(yīng)用廣泛的電子儀器，在國(guó)外，已經(jīng)有著相當(dāng)多成熟的公司從事專業(yè)生產(chǎn)。但是就國(guó)內(nèi)來說，金屬探測(cè)器產(chǎn)品仍存在著較多問題，例如成本較高，精度不夠等問題。本設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)便易行低成本為出發(fā)點(diǎn)，利用電磁感應(yīng)為基本原理，設(shè)計(jì)了一款較為實(shí)用的金屬探測(cè)器。本文首先介紹了組成金屬傳感器的必要成分，并對(duì)一些元器件的參數(shù)做了說明。隨后提供了三個(gè)設(shè)計(jì)備選方案，并根據(jù)簡(jiǎn)易性和低成本為原則選擇了六反相器數(shù)字集成電路探測(cè)金屬作為最終方案。接著本文又根據(jù)從探測(cè)到輸出的順序進(jìn)行了分部分的電路設(shè)計(jì)，并用Multisim對(duì)電路進(jìn)行了仿真。在上述工作均完成后，最終完成了實(shí)物的焊接。

金屬探測(cè)器；電磁感應(yīng)；Multisim

1 研制背景及意義

金屬探測(cè)器的用途十分廣泛，如考古研究，國(guó)防戰(zhàn)爭(zhēng)，工程實(shí)踐，教學(xué)教育，娛樂活動(dòng)等方方面面都會(huì)用到金屬探測(cè)器?？脊艑W(xué)家可以利用金屬探測(cè)器尋找古墓中的金屬制品；在礦產(chǎn)開發(fā)領(lǐng)域，人們可以用它來探測(cè)潛在的礦物資源；軍隊(duì)中，軍人可以用它來探測(cè)金屬地雷，排除隱患。金屬探測(cè)器已經(jīng)開始全面地走進(jìn)人們的生產(chǎn)生活，正在逐步的普及開來。

雖然金屬探測(cè)器在國(guó)外的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)?shù)膹V泛，但是在國(guó)內(nèi)仍然存在成本較高，引用不廣扥問題。因?yàn)閲?guó)外起步較早，其技術(shù)己經(jīng)發(fā)展的比較成熟，國(guó)內(nèi)對(duì)其的研究起步較晚，又受到信息醫(yī)乏的限制，技術(shù)相對(duì)不成熟，所以在國(guó)內(nèi)金屬探測(cè)器一般還是以從國(guó)外引入為主，特別是安檢方面，國(guó)內(nèi)急需自主研制金屬探測(cè)器，并且投入廣泛使用。

基于這種背景，我們?cè)O(shè)法構(gòu)造這樣一個(gè)簡(jiǎn)便的金屬探測(cè)器，利用渦電流和磁場(chǎng)之間的相互作用，互相影響，促進(jìn)金屬探測(cè)器工作，引發(fā)探測(cè)器發(fā)出鳴聲。同時(shí)做出合適的線圈，通交流電讓其內(nèi)部產(chǎn)生感生渦電流并且渦電流產(chǎn)生電場(chǎng)以影響原有磁場(chǎng)。

2 金屬探測(cè)器的分模塊設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

本文采用六反相器數(shù)字集成電路探測(cè)金屬。這種方法只用到了簡(jiǎn)單的元件并且設(shè)計(jì)合理，既具備了探測(cè)效果好的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)探測(cè)距離也比較長(zhǎng)。

該方案的的原理電路圖如圖1所示。

圖1 六反相器數(shù)字集成電路

2.2 分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)

2.2.1 直流電源及振蕩、檢波電路設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)穩(wěn)壓電源：集成的三端穩(wěn)壓器CW79L05，Ui=-12V(輸入端電池）

Uo=-5V(輸出端穩(wěn)壓值）

單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。最簡(jiǎn)單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端穩(wěn)壓器。目前，三端穩(wěn)壓管一共有固定式的輸出電壓和可以調(diào)控式的輸出電壓兩種形式，在此，我們采用固定三端穩(wěn)壓器，其原理類似于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

該金屬探測(cè)器的檢波電路，原理如圖2所示。

圖2 直流電源及振蕩、檢波電路

檢波電路一共有三大部分：電容5C、二極管3D、變壓器耦合正弦波振蕩器。

2.2.2 前置放大電路設(shè)計(jì)方案

前置放大器是指置于信源與放大器級(jí)之間的電路或電子設(shè)備，是專為接受來自信源的微弱電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的。在這里我們采用差動(dòng)輸入放大器。

其靜態(tài)工作點(diǎn)如下【1】：

分兩種情況

V1為緩變直流信號(hào)時(shí)

C1，C2被當(dāng)作開路處理。

V1為脈動(dòng)信號(hào)時(shí)

V0隨著時(shí)間的進(jìn)行而減小，t1s= ，00V V≈ 。放大器型號(hào)DG747

當(dāng)慢變干擾信號(hào)〉1s時(shí)，前置放大器可抑制該信號(hào)。

2.2.3 V/I變換電路

這里采用電流負(fù)反饋電路。

核心部分為:運(yùn)算放大器組成的I/V轉(zhuǎn)換電路,三極管等。

將輸入電流經(jīng)過一個(gè)電阻使其產(chǎn)生一個(gè)電壓，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。在將電壓經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器（或放大器），將輸入、輸出隔離開來，使其負(fù)載不能影響電流在電阻上產(chǎn)生的電壓。然后經(jīng)一個(gè)電壓跟隨器（或放大器）輸出。C1濾除高頻干擾，應(yīng)為pf級(jí)電容。

兩個(gè)輸入端的信號(hào)電壓差與運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)成正相關(guān)。

圖3 V/I變換電路

對(duì)此電路的進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析有【1】：

由前置放大器輸出的直流脈動(dòng)信號(hào)經(jīng)本級(jí)方大后得到穩(wěn)定的恒流輸出， 以后級(jí)電流-頻率變換器的驅(qū)動(dòng)取決于輸出的恒流，在這里運(yùn)放將前置放大器輸出的直流脈動(dòng)信號(hào)放大以達(dá)到驅(qū)動(dòng)需求。 實(shí)現(xiàn)金屬探測(cè)器的目的。

2.2.4 直流電源欠壓報(bào)警電路

當(dāng)穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)壓值產(chǎn)生比較大的偏差時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換新電池，故采用一檢測(cè)報(bào)警電路告之用戶。這里采用CMOS時(shí)基電路CH7555和阻容元件組成多諧振蕩器設(shè)計(jì)的報(bào)警電路。

值得注意的是，振蕩器振蕩頻率 f =4.9kHz

探測(cè)信號(hào)頻率 f=26.9kHz，兩者相差較大，并且振蕩器振蕩頻率為一定值，因此不會(huì)與探測(cè)信號(hào)相混淆。

2.2.5 單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

采用直接耦合的方式，將直流電源、振蕩器、檢波器、前置放大電路、電壓 -電流變換器、電流 -頻率變換器依下圖所示的順序連接起來，就構(gòu)成了完整的金屬探測(cè)器的原理圖。原理圖如圖4所示。

3 金屬探測(cè)器電路的仿真

在初步完成了各部分的電路設(shè)計(jì)后，接下來就必須根據(jù)這些電路進(jìn)行仿真。仿真軟件選用了最為常用的Multisim10.0版本。

綜合上部分各個(gè)模塊，得到了下面的總仿真電路圖。

圖5 金屬探測(cè)器全電路仿真示意圖

4 焊接實(shí)物圖

在完成了上述工作后，最后實(shí)現(xiàn)了實(shí)物的焊接。最終的金屬探測(cè)器實(shí)物圖如下所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)以電磁感應(yīng)為原理的金屬探測(cè)器，完成了一個(gè)較為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。在原理方面打下了較為扎實(shí)的基礎(chǔ)。在以后的工作中，可能會(huì)進(jìn)一步從電路基本元器件入手，嘗試使用性能更好的，工作更穩(wěn)定的元器件，并在原有電路的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大測(cè)試的靈敏度和耐久度。

圖6 金屬探測(cè)器實(shí)物圖

[1]童詩(shī)白,華成英.模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)[M].1980年9月第一版.

[2]胡翔駿，黃金玉.電路分析基礎(chǔ)[M].2007年2月第一版.

[3]張文斌.電磁金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)[C].碩士學(xué)位論文.2013.1.1.

[4]黃勇.金屬探測(cè)器的研究與設(shè)計(jì)[C].碩士學(xué)位論文.2010.5.20.

[5]曾素瓊.高頻振蕩器設(shè)計(jì)及其穩(wěn)定度對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究[J].電子質(zhì)量.2012.10.20.

[6]盧成健.555定時(shí)器的功能模型及其應(yīng)用[J].玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào).2006.10.1.

[7]丁瑤.高效率射頻功率放大器的研究[C].博士論文.2012.5.1.

Design and research of metal detector for utility model

Du Jianghao, Tang Xiaowan
(School of mechanical and electrical engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an Shaanxi,710072)

Metal detectors are a wide range of electronic devices, in foreign countries, there have been quite a number of mature companies engaged in professional production. But in China, there are still many problems in metal detector products, such as higher cost and less precision. This design takes the simple and easy and low cost as the starting point, and uses the electromagnetic induction as the basic principle, has designed a more practical metal detector. In this paper, the necessary components of metal sensors are introduced, and the parameters of some components are explained. Subsequently, three design alternatives were offered, and the six inverter digital integrated circuit was used as the final solution according to the principle of simplicity and low cost. Then, according to the order from detection to output, the circuit design is divided into parts, and the circuit is simulated by Multisim. After the above work has been completed, the final welding of the object.

metal detector; electromagnetic induction; Multisim