金属探测器

课程设计（论文）任务及评语

目录

第1章金属探测器设计方案论证 (1)

1.1金属探测器的应用意义 (1)

1.2金属探测器设计的要求及技术指标 (1)

1.3 设计方案论证 (1)

1.4 总体设计方案框图及分析 (2)

第2章金属探测器整体电路设计 (2)

2.1整体电路图及工作原理、调试与使用方法 (2)

2.1.1整体电路图 (3)

2.1.2工作原理 (4)

2.1.3调试与使用方法 (6)

2.2电路参数计算 (6)

2.3 整机电路性能分析 (7)

第3章设计总结 (7)

参考文献 (8)

附录 (8)

第一章金属探测器设计方案论证

1.1金属探测器的应用意义

金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器.适用于探测木材、塑料和其他非金属中残存的铁钉及其他金属物,探测埋入地下和建筑物中的管道和钢筋,也可以用来检查邮包中隐藏的金属武器,还可以用于工厂企业对金属物品的防窃和海关对走私物品的排查.在国防公安海关地质冶金等部门都有着广泛的应用.它除了用于探测有金属外壳或金属部件的地雷之外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。

·1.2金属探测器设计的要求及技术指标

设计要求：

1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

技术指标:

1. 为了精确需要克服物料磁性影响的要求，由于金属探测利用了电磁感应原理，因此，如物料本身具有一定的导磁性将影响探测结果.

2. 为了提高检测精度需要提高检测精度的要求，混在物料中的金属常常形状大小各异，而且在物料较厚时可能被埋在物料下，因此金属探测器需要有较高的检测精度．为了提高检测精度，对于利用频率变化原理进行检测的差拍式金属探测器，需要提高电压、电流频率，但频率增加会使探测器受到线圈分布电容及工作环境的影响。

3. 工作温度范围：-40C—+50C，连续工作时间40小时，用9V的电池。

4. 具有抗现场电磁干扰的要求，利用电磁感应原理进行探测的金属探测器，当在探测器附近进行电焊操作时，探测器很容易产生频繁的误动作，目前常见的利用电磁感应原理检测金属的探测器都未采取较好的措施。

1.3设计方案论证

不同于以往的设计,该新型智能金属探测器方案借鉴传统金属探测器的优点，采用单个探测线圈，结构简单，增强了现场的可操作性；处理部件采用用微控制器代替传统探渊器的模拟电路器件，有效保证了检测原理的实施,排除电焊干扰;综合探测线圈电压变化检测原理和频率变化检测原理，提高检测精度，排除磁性物料的影响；。总之，新型智能金属探测器是集金属检测与设备管理于一体的新一代数字式智能仪器，具有较高的性能价格比和广泛的应用前景。

1.4总体设计方案框图及分析

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.

第二章金属探测器的整体电路设计

2.1整体电路图及工作原理,调试与使用方法

整体电路图:

工作原理:

(1)高频振荡器探测金属的原理:

调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。当探测线圈L1靠近金属物体时，由于电磁感应现像，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。如果能检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。金属探测器电路除了灵敏度调节电位器外，没有调整部分，只要焊接无误，电路就能正常工作。整机在静态，也就是扬声器不发声时，总电流约为10mA，探测到金属扬声器发出声音时，整机电流上升到20mA。一个新的积层电池可以工作20～30小时。

新焊接的金属探测器如果不能正常工作，首先要检查电路板上各元器件、接线焊接是否有误，再测量电池电压及供电回路是否正常，稳压二极管VD1稳定电压5.5～6.5V之间，VD2极性不要焊反。探测碟内振荡线圈初次级及首尾端不要焊错。

(2) 高频振荡器的原理:

由三极管VT1和高频变压器T1等组成，是一种变压器反馈型LC振荡器。T1的初级线圈L1和电容器C1组成LC并联振荡回路，其振荡频率约200kHz，由L1的电感量和C1的电容量决定。T1的次级线圈L2作为振荡器的反馈线圈，其“C”端接振荡管VT1的基极，“D”端接VD2。由于VD2处于正向导通状态，对高频信号来说，“D”端可视为接地。在高频变压器T1中，如果“A”和“D”端分别为初、次级线圈绕线方向的首端，则从“C”端输入到振荡管VT1基极的反馈信号，能够使电路形成正反馈而产生自激高频振荡。振荡器反馈电压的大小与线圈L1、L2的匝数比有关，匝数比过小，由于反馈太弱，不容易起振，过大引起振荡波形失真，还会使金属探测器灵敏度大为降低。振荡管VT1的偏置电路由R2和二极管VD2组成，R2为VD2的限流电阻。由于二极管正向阈值电压恒定（约0.7V），通过次级线圈L2加到VT1的基极，以得到稳定的偏置电压。显然，这种稳压式的偏置电路能够大大增强VT1高频振荡器的稳定性。为了进一步提高金属探测器的可靠性和灵敏度，高频振荡器通过稳压电路供电，其电路由稳压二极管VD1、限流电阻器R6和去耦电容器C5组成。振荡管VT1发射极与地之间接有两个串联的电位器，具有发射极电流负反馈作用，其电阻值越大，负反馈作用越强，VT1的放大能力也就越低，甚至于使电路停振。RP1为振荡器增益的粗调电位器，RP2为细调电位器。

(3)振荡检测器的原理:

振荡检测器由三极管开关电路和滤波电路组成。开关电路由三极管VT2、二极管VD2等组成，滤波电路由滤波电阻器R3，滤波电容器C2、C3和C4组成。在开关电路中，VT2的基极与次级线圈L2的“C”端相连，当高频振荡器工作时，经高频变压器T1耦合过来的振荡信号，正半周使VT2导通，VT2集电极输出负脉冲信号，经过π型RC滤波器，在负载电阻器R4上输出低电平信号。当高频振荡器停振荡时，“C”端无振荡信号，又由于二极管VD2接在VT2发射极与地之间，VT2基极被反向偏置，VT2处于可靠的截止状态，VT2集电极为高电平，经过滤波器，在R4上得到高电平信号。由此可见，当高频振荡器正常工作时，在R4上得到低电平信号，停振时，为高电平，由此完成了对振荡器工作状态的检测。

(4)音频振荡器的原理:

音频振荡器采用互补型多谐振荡器，由三极管VT3、VT4，电阻器R5、R7、 R8和电容器C6组成。(如下图)互补型多谐振荡器采用两只不同类型的三极管，其中VT3为NPN

型三极管，VT4为PNP型三极管，连接成互补的、能够强化正反馈的电路。在电路工作时，它们能够交替地进入导通和截止状态，产生音频振荡。R7既是VT3负载电阻器，又是VT3导通时VT4基极限流电阻器。R8是 VT4集电极负载电阻器，振荡脉冲信号由VT4集电极输出。R5和C6等是反馈电阻器和电容器，其数值大小影响振荡频率的高低。

(5)功率放大器的原理:

功率放大器由三极管VT5、扬声器BL等组成。从多谐振荡器输出的正脉冲音频信号经限流电阻器R9输入到VT5的基极，使其导通，在BL产生瞬时较强的电流，驱动扬声器发声。由于VT5处于开关工作状态，而导通时间又非常短，因此功率放大器非常省电，可以利用9V积层电池供电。

(6)互补型多谐振荡器的工作原理:

接通电源时，由于VT3基极接有偏置电阻器R1、R3而被正向偏置，假设VT3集电极电流处于上升阶段，VT4基极电流随之上升，导致VT4集电极电流剧增，VT4集电极电位随之迅速升高，由VT4输出的电流通过与之相连的R5向C6 充电，流经VT3的基极入地，又导致VT3基极电流进一步升高。如此反复循环，强烈的正反馈使得VT3、VT4迅速进入饱和导通状态，VT4集电极处于高电平，使多谐振荡器进入第一个暂稳态过程。随着电源通过饱和导通的VT4经R5向C6充电，当VT3基极电流下降到一定程度时，VT3退出饱和导通状态，集电极电流开始减小，导致VT4集电极电流减小，VT4集电极电位下降，这一过程又进一步加剧了向C6充电电流迅速减小，VT3基极电位急剧降低而使 VT3截止，VT4集电极迅速跌至低电平，多谐振荡器翻转到第二个暂稳态。多谐振荡器刚进入第二暂稳态时，先前向C6充电的结果，其电容器右端为正，左端为负，现在C6右端

对地为低电平，由于电容器C6两端电压不能跃变，故VT3基极被C6左端负电位强烈反向偏置，使两只三极管在较长时间继续保持截止状态。在C6放电时，电流从电容器右端流出，主要流经R5、（R8）、R9、VT5发射结入地，又经过电源、R6、R1、R3流回电容器C6左端。直到C6 放电结束，电源继续通过上述回路开始对C6反向充电，C6左端为正。当C6两端的电位上升至0.7V，VT3开始进入导通状态，经过强烈正反馈，迅速进入饱和导通状态，使电路再次发生翻转，重复先前的暂稳态过程，如此周而复始，电路产生自激多谐振荡。从电路工作过程可以看出，向C6充电时，充电电阻器R5 电阻值较小，因此充电过程较快，电路处在饱和导通状态时间很短；而在C6放电时，需要流经许多有关电阻器，放电电阻器总的数值较大，因而放电过程较慢，也就是说电路处于截止时间较长。因此，从VT4集电极输出波形占空比很大，正脉冲信号的脉宽很窄，其振荡频率约330Hz 。

调试与使用方法:

金属探测器电路除了灵敏度调节电位器外，没有调整部分，只要焊接无误，电路就能正常工作。整机在静态，也就是扬声器不发声时，总电流约为10mA，探测到金属扬声器发出声音时，整机电流上升到20mA。一个新的积层电池可以工作20～30小时。

新焊接的金属探测器如果不能正常工作，首先要检查电路板上各元器件、接线焊接是否有误，再测量电池电压及供电回路是否正常，稳压二极管VD1稳定电压5.5～6.5V之间，VD2极性不要焊反。探测碟内振荡线圈初次级及首尾端不要焊错。

金属探测器使用前，需要调整探测杆的长度，只要将黑胶通旋松，推拉胶通套管至适宜的长度，再旋转胶内通管，使电缆线绕紧，并使手柄尖端朝上，最后将黑胶通旋紧，锁住胶通套管。这样，手握探测器手柄时，大拇指正好紧挨灵敏度调节电位器。

调整金属探测器灵敏度时，探测碟（振荡线圈）要远离金属，包括带铝箔的纸张，然后旋转灵敏度细调电位器旋钮（FINE TUNING）打开电源开关，并旋转到一半的位置，再调节粗调电位器旋钮（TUNING），使扬声器音频叫声停止，最后再微调细调电位器，使扬声器叫声刚好停止，这时金属探测器的灵敏度最高。用金属探测器探测金属时，只要探测碟靠近任何金属，扬声器便会发出声音，远离到一定位置叫声自动停止

2.2电路参数计算

金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属

的。当通过交变电流t I I m ωcos =时，线圈周围空间会产生交 变磁场，根据毕奥一萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一 点的磁感应强度B 为：

dl r

R

r I dB dB B R x ??

?===ππμθ20

2

4sin t R x I R R x IR r

IR m

r ωμμμμcos )

(2)

(222

/322

202

/322

2

3

2

+=

+=

=

其中， r μμμ0= 为介质的磁导率， μ为相对磁导率，0μ为真空磁导率。

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，经放大，变换后转换成音频信号，驱动音响电路发生，音频信号随被测金属物的大小及距离的变化而变化。整机在静态下，也就是扬声器不发声时，总电流为10MA 以上，探测到金属扬声器发出声音时，整机电流上升到20MA 以上。由交流电220V 经过直流稳压电源可放出0—20V 直流电压，可以连续工作40小时以上。

2.3整机电路性能分析

金属探测器使用前，需要调整探测杆的长度，只要将黑胶通旋松，推拉胶通套管至适宜的长度，再旋转胶内通管，使电缆线绕紧，并使手柄尖端朝上，最后将黑胶通旋紧，锁住胶通套管。这样，手握探测器手柄时，大拇指正好紧挨灵敏度调节电位器。 调整金属探测器灵敏度时，振荡线圈要远离金属，包括带铝箔的纸张，然后旋转灵敏度细调电位器旋钮打开电源开关，并旋转到一半的位置，再调节粗调电位器旋钮，使扬声器音频叫声停止，最后再微调细调电位器，使扬声器叫声刚好停止，这时金属探测器的灵敏度最高。用金属探测器探测金属时，只要探测碟靠近任何金属，扬声器便会发出声音，远离到一定位置叫声自动停止。

本金属探测器有较高的灵敏度，用它探测大块金属时，探测碟距金属物体20cm 扬声器就会发出声音，小到曲别针，甚至一枚大头针都能检测到，只是探测碟线圈必须紧靠细小金属物体。由于金属探测器利用振荡线圈的电磁感应来探测金属物体，可以透过非金属物体，比如纸张、木材、塑料、砖石、土壤、甚至水层，探测到被遮盖的的金属物体，因此具有实用性，比如在装修房屋时，用它探测到墙内的电线或钢筋，以免造成施工危险和安全隐患；又如安检用的金属探测器就是根据这个原理制成的。

第4章 设计总结

经历了这次模电的课程设计,使我通过查找资料对金属探测器有了较深刻的理解.对功率放大器和振荡器也有了新的认识.通过这次对金属探测器的设计，我了解了设计电路的

程序，也让我了解了关于金属探测器原理与设计理念。

让我明白了设计,学习的重要性-----通过深刻研究,才能理解并运用知识. 而且从电路设计到电路知识都是一个再认识和提高的过程,对我以后的学习和工作都有很大的帮助。虽然最后的成品不一定与仿真时完全一样，因为实际接线中有着各种各样的自然或人为条件制约着。但是通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，让我收获到了平时收获不到的.

参考文献

1. 刘国亭余晋岳<电子技术>1984年01期作者单位:上海交通大学

2. 黄良君.大庆地区经济发展战略研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.1994。2

3. 房旭民 <一种高灵敏度金属探测器> 电子技术应用1991年09期作者单位:八九

00 部队

4.张文中.论石油价格与石油工业发展.世界石油经济，1990（2）:14-21

5.齐中英，叶元煦.对我国能源问题的回顾与思考.邱大雄.市场经济与中国能源发展

战略论文集.北京：原子能出版社，1992：53-58

附录