為什么它們能“透視”
——金屬探測功能電路探究活動

◎ 熊天則

一、問題的發現

在日常生活中，我們經常會看到一些需要進行安全檢查的場合，安全人員能夠用儀器檢查身上是否有金屬物品，并且能及時報警。比如現在參加高考，在進入考場之前監考員會對參加考試的學生進行檢查。那么這是什么儀器，是怎樣做到這一點的呢？這引起了研究小組的興趣。

為了一探究竟，研究小組通過各種途徑去了解，原來是這些物品內部設計有金屬探測和播放電路，所以具有了“透視”的功能。

于是，研究小組在教師的指導下嘗試設計制作了這樣一個電路：它實現了金屬探測和報警功能，而且所用元器件少，制作簡單，操作也很方便。經過改進也可以制作出汽車探測、流量統計、電梯樓層控制、生產設備位置檢測、生產設備開發設計、電子產品設計、游樂設備開發、金屬接近開關、人體內金屬探測和山內尋金元寶探測等功能。

二、主要研究過程

在高一通用技術課中學習過相關知識，我們首先組成了學習小組，并進行了分工。小組成員及主要分工見下表。

成員 分工皮遠耀 喻哲 查找分析、資料沈佳麗 施蓓蕾 購買工具、材料小組合作 電路設計、制作沈佳麗 施蓓蕾 撰寫報告

采用的主要研究方法為：

1.文獻法：主要通過上網檢索，查找相關資料，尋求所需的知識；

2.咨詢法：向指導教師咨詢研究遇到的問題；

3.試驗法：在設計過程中，試驗電路的正確性。

金屬探測電路的設計，重點是LC振蕩電路的理解。通過網上查詢和指導教師的介紹，我們選用了LC振蕩電路作為電路的核心器件。該器件技術成熟，只需搭接少量元器件，即可實現金屬檢測和報警功能。

三、試驗電路驗證

1.制作材料和工具

(1)元器件的選擇見下表

元器件 介紹PCB板 采用印刷板上的銅皮導線形成電感電容 100UF25V電解電容 104瓷片電容 222滌綸電容三極管 9018 9015 9012各一個蜂鳴器 SOT塑封封裝有源蜂鳴器 長聲電阻 220k 2.2k定值電阻 100歐藍白電位器外接電源 2節5號干電池、帶開關電池座

(2)制作工具及材料：電烙鐵、數字萬用表、剝線鉗、松香、焊錫絲和連接細導線。

2.工作原理

用表格中介紹的元器件 Q1、L1、L2、C2、C3、R1、W 組成高頻振蕩電路，調節電位器W，可以改變振蕩級增益，使振蕩器處于臨界振蕩狀態，也就是說剛好使振蕩器起振。Q2、Q3組成檢測電路，電路正常振蕩時，振蕩電壓交流電壓超過0.6V時,Q2就會在負半周導通將C4放電短路，結果導致Q3截止；當探測線圈L1靠近金屬物體時，會在金屬導體中產生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處于臨界態的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩所需的最低能量而停振，使Q2截止，R2給C4充電，Q3導通，推動蜂鳴器發聲。根據聲音有無，就可以判定探測線圈下面是否有金屬物體了。

焊接好后的調試：

L1、L2采用印刷板上的銅皮導線形成電感，無需另外制作電感，電路板用十多個元件，可靠性很高，一般都能正常工作。安裝好后接上電源，調節電位器到剛好不發聲(不靠近金屬的情況下)，用印刷板制成的電感靠近金屬，此時應該發聲，遠離金屬后應該停止發聲，若遠離不能停止發聲，就把電位器逆時針方向調一下再試，直到符合要求為止。

3.制作過程

電路的制作主要是完成焊接，按照電路原理圖，另外再用22AWG導線焊接即可。焊接時要注意以下幾點。

(1)電烙鐵外殼要良好接地，以免感應電壓擊穿元器件；

(2)線路的布局要合理，避免導線間的干擾；

(3)揚聲器正負極不可接反，否則揚聲器不能正常工作；

(4)兩個定值電阻2.2K，色環是紅紅黑棕棕220K，色環是紅紅黑橙棕；

(5)三個三極管不能焊錯，三個三極管都是不同型號的，注意區分；

(6)供電電壓3到5伏，不能使用舊的電池，需使用兩節新電池。

四、進一步思考

制作完成后，我們利用前面介紹的方法，對電路進行測試，發現金屬檢測性能一般，只能檢測離得較近較大的金屬。我們查閱了相關資料，討論分析之后,確定原因主要是線圈制成的電感天線的緣故，我們直接利用PCB板制成電感，使得效果一般。如果利用電感相關知識增加Q值，檢測小金屬性能就能得到提高，或者另外選用更大面積的感應天線成品，檢測距離會增加，效果會更加完美。后期我們會嘗試進一步優化，并將電路應用到具體產品的設計中去。

雖然此次我們的設計并不完美，但這次研究性學習讓我們有了一次全新的學習體驗，受益良多。我們在動手實踐中學習，豐富了知識，提高了動手水平，增強了發現問題、解決問題的能力。在研究的整個過程中，小組的每一位成員積極承擔各自的任務，制作中互相的配合，出現問題一起查資料、討論，其樂融融，增進了同學間的友誼。這次活動也給了我們一次很好的鍛煉機會，在感受到產品設計不易的同時，也收獲了成功的喜悅。