1、創 新 設 計 說 明 書題 目： 金屬探測儀設計 學 院： 金山學院 學 號： 136712055 專業（方向）年級： 電氣工程及其自動化 學 生 姓 名： 黃偉霖 福建農林大學金山學院信息與機電工程系2016年 5 月 14日目錄 1  任務和要求 . 1 2 總體方案設計與選擇 . 1 2.1 高頻振蕩器探測金屬. 1 2.2 場強識別探測金屬 . 2 2.3六反相器數字集成電路探測金屬. 2 3 電路總原理框圖設計 . 

2、;3 4 單元電路設計 . 4 4.1 焊接好后的調試方法. . 5 4.2 意見問題. 5 4.3電壓-電流變換電路. 5 4.4 直流電源欠壓報警電路. 6 5 單元電路的級聯設計 . 6  5.1焊接實物圖. 7 6 設計總結. 8 1任務和要求(1)任務：設計一種可準確探測小范圍內是否存在金屬物體的電子(2)探測器性能要求工作溫度范圍：-40+50連續工作時間：一組5號干電池可連續工作40h（小時）。探測距離

3、大于20cm（金屬物體越大，測距也越大，對于1分硬幣的探測距離為20cm）。具有自動回零功能，并可抑制土壤效應。2總體方案設計與選擇2.1高頻振蕩器探測金屬調節高頻振蕩器的增益電位器，恰好使振蕩器處于臨界振蕩狀態，也就是說剛好使振蕩器起振。當探測線圈L靠近金屬物體時，由于電磁感應現像，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。如果能檢測出這種變化，并轉換成聲音信號，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。圖1 高頻振蕩器探測金屬原理圖2.2場強識別探測金屬場強識別：利用金屬物體對信號產生諧波

4、的場強變化而使振幅之變化來識別金屬物體。利用探頭線圈產生交變電磁場在被測金屬物中感應出渦流，渦流產生反作用于探頭，使探頭線圈阻抗發生變化，從而使探測器的振蕩器振幅也發生變化。該振幅變化量作為探測信號，經放大、變換后轉換成音頻信號，驅動音響電路發聲，音頻信號隨被測金屬大小及距離的變化而變化。高頻振蕩器振蕩檢測器音頻振蕩器功率放大器電源圖1高頻振蕩器探測金屬原理圖數字顯示儀表課程設計2 2.3六反相器數字集成電路探測金屬  應用一塊cMos六反相器數字集成電路，作為放大電路的金屬探測器，金屬探測器的原理電路圖如下：金屬探測器的探頭是一只高Q值的電感L。它與反相器IC l及電容器

5、C2、C3、C4構成了一個電容三點式振蕩器，其振蕩頻率約為27kHz。調節電位器RP可使電路處在剛剛起振的狀態下。微弱的振蕩信號通過由反相器IC-2和電阻R1組成的放大電路進行放大，再由二極管VDI進行整流，整流后的信號由反相器IC-3和IC-4進行放大。最后通過二極管VD2去控制由1C-5和IC-6構成的音頻振蕩器的工作狀態。作為探頭的電感L在沒有接近金屬物體時，電路正常起振。振蕩信號控制音頻振蕩器停止工作，揚聲器不發聲。當有金屬物體接近電感時(電感線圈的軸向方向)，電感L的Q值下降，電路停振，沒有信號去抑制音頻振蕩器，所以音頻振蕩器工作，驅動揚聲器發聲。使用時，接通電源后，仔細調整位器RP

6、使揚聲器剛剛不響這時靈敏度較高，探測距離可達5mm20mm。方案一用到了高頻振蕩器，價格比較高，雖然探測的效果比較好，但是制作起來比較麻煩，不適合作為課程設計的選擇。設計思路明確，結構合理，方案易于實現。 3總電路設計原理圖路線圖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

7、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。4單元電路設計其靜態工作狀態如下圖中R1、C1、R1、及C2構成差動積分電路，即自動回零電路，其作用是對變化緩慢的直流信號進行抑制，而對變化較快的金屬探測信號進行100倍放大，從而在一定程度上抑制了土壤效應。當vi為緩變直流信號時，由于積分電路時間常數較小 C1、C2可視作開路，由于參數對稱，則Vo=0。當V1為脈動信號時（即在原檢波輸出電壓基礎上疊加脈動變化量V1）。R1C1、R2C2組成差動積分電路（積分

8、器負載電阻較大，其影響可忽略）由經典法得 可求得t=32.5s時，輸出達最大值|vo|=82.5mV。隨時間延長，|vo|逐漸減小，t=1s時，vo0V。可見前置放大器可抑制大于1s的慢變干擾信號。部分元件的選擇：放大器選擇DG747型號，電容C3選擇0.047F，電阻R6取100k,R1、R2取10k,R3、R4取1k4.1焊接好后的調試方法：本機L1、L2采用印刷板上的銅皮導線形成電感，無需大家自己制作電感，簡單，成功率極高！電路剛用十多個元件，只要安裝無誤，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），用印刷板天線靠近金屬，此時應該發聲，遠離金屬后應該

9、停止發聲，若遠離不能停止發聲，應該把電位器逆時針方向調一點點再試，直到符合要求為止。4.2意見問題：通電后長響，這是因為前面振蕩級沒有起振，有可能電阻、三極管等元件放錯，或者線路板線圈中有匝間短路或者開路，請用放大鏡仔細檢查。另外，Q2放大倍數太低不足以讓Q3關斷也會長響。調試好后就可以裝入外殼，裝入盒子時使板盡量的貼近外殼，這樣能使裝入盒子后探測距離會有較大的探測距離，固定好板子后打點膠。4.3電壓-電流變換電路電壓-電流變換電路用運算放大器和三極管等組成電流負反饋電路，如圖所示對晶體管進行動態分析有：由前置放大器輸出的直流脈動信號經本級放大后得到穩定的恒流輸出，以驅動后級電流-頻率變換器。

10、圖中R為系統工作狀態調節電位器。靜態時，調節R使三極管工作臨界截止狀態，二極管接近于導通。一旦v輸入脈動放大信號，三極管進入放大狀態，二極管迅速導通，驅動下一級工作。電阻R取值較大2.2M，使得三極管T集電極電流稍有變化，就會使二極管D迅速導通。4.4 直流電源欠壓報警電路當電池電壓Vt由-12V變至-6.5V時，使三端穩壓器輸出穩壓值產生較大偏差，應更換電池，故采用一檢測報警電路告之用戶。報警電路如圖所示。用CMOS時基電路和阻容元件組成多諧振蕩器，采用-5V穩壓電源供電。當Vt下降至-6.5V時，電路起振，發出電壓不足報警信號。該振蕩器的振蕩頻率f=4.9kHz，比探測信號頻率高，且固定不

11、變，因此不會與探測信號相混跡。5單元電路的級聯設計將直流電源、振蕩器、檢波器、前置放大電路、電壓-電流變換器、電流-頻率變換器的順序，采用直接耦合的方式連接，就構成了完整的金屬探測器的原理圖5.1焊接實物圖圖1正面圖2背面6 設計總結通過為期一周的課程設計，我深刻體會到了自己知識的匱乏。我深深的感覺到自己知識的不足，自己原來所學的東西只是一個表面性的，理論性的，而且是理想化的。根本不知道在現實中還存在有很多問題。真正的能將自己的所學知識轉化為實際所用才是最大的收獲，也就是說真正的能夠做到學為所用才是更主要的。設計一個很簡單的電路，所要考慮的問題，要比考試的時候考慮的多的多。本次設計所設計的金屬探測器基本符合設計要求，可以探測出20cm范圍內的金屬物體的存在，而且對于體積較大的金屬物體，探測的范圍會相應的增大，考慮到該裝置使用電池供電，還設計了電源欠壓提示功能，提醒用戶及時更換電池。