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金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)
四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
設(shè)計(jì)題目: 金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè): 通 信 技 術(shù) 班 級(jí): 通技07-1 學(xué) 號(hào): 0710207035 姓 名: 孫康龍 指導(dǎo)教師: 劉雪亭
二00九 年 十二 月 十五 日
目 錄
目 錄 ................................................................ I
摘 要 ............................................................... 1
第1章 緒 論 ........................................................ 2
第2章 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思路 ............................................ 3
2.1 設(shè)計(jì)要求 ............................................................................................................ 3
2.2 設(shè)計(jì)思路 ............................................................................................................ 3
第3章 電路設(shè)計(jì) ...................................................... 5
3.1直流電源及振蕩、檢波電路設(shè)計(jì) .................................................................... 5
3.2前置放大電路的設(shè)計(jì) ........................................................................................ 6
3.3電壓-電流變換電路的設(shè)計(jì) .............................................................................. 7
3.4電流-頻率變換電路設(shè)計(jì) .................................................................................. 7
3.5直流欠壓報(bào)警電路 ............................................................................................ 8
總 結(jié) .............................................................. 12
致 謝 .............................................................. 13
參考文獻(xiàn) ............................................................ 14
附錄 整機(jī)電路圖 ..................................................... 15
摘 要
隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，金屬探測(cè)器從電子管、晶體管乃至集成電路，有了更新?lián)Q代的發(fā)展，其應(yīng)用范圍幾乎擴(kuò)大到各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及人身安全起重要的作用。目前，金屬探測(cè)器大致分為兩種類(lèi)型：
1.安裝在冶金、燒結(jié)、水泥、玻璃、造紙、化工、卷煙等工廠和礦山生產(chǎn)線的自動(dòng)傳送皮帶上，用以檢測(cè)礦石、煙草等原料中混入的廢金屬，保護(hù)破碎機(jī)不受損壞，此類(lèi)稱(chēng)為“工業(yè)型金屬探測(cè)器”；
2.隨著交通、旅游、金融和娛樂(lè)事業(yè)的發(fā)展，在機(jī)場(chǎng)、銀行、珠寶店和珠寶制造廠、貴金屬礦、貴金屬加工廠等，需要對(duì)過(guò)往人員進(jìn)行檢測(cè)，以使貴重物品不丟失及排除危險(xiǎn)品槍支等，此類(lèi)被稱(chēng)為“安全型金屬探測(cè)器”，它們應(yīng)用廣泛，效益可觀，幾千元一臺(tái)的金屬探測(cè)器就可以保護(hù)價(jià)值數(shù)拾萬(wàn)元的礦石破碎機(jī)；幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)元買(mǎi)一套安全門(mén)式金屬探測(cè)器，可以保護(hù)價(jià)值上千萬(wàn)元乃至上億元的飛機(jī)及人身安全。因此對(duì)金屬探測(cè)器的研究和生產(chǎn)引起國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的高度重視，我國(guó)在冶金、食品等行業(yè)中、先后引進(jìn)日本、澳大利亞等過(guò)研制的金屬探測(cè)器用于生產(chǎn)，在北京、青島等地開(kāi)發(fā)出多種型號(hào)的金屬探測(cè)器，并廣泛應(yīng)用。根據(jù)生產(chǎn)需要、金屬探測(cè)器將不斷改進(jìn)并有新的發(fā)展。
本設(shè)計(jì)主要從金屬探測(cè)器的電路組成入手，介紹了各部分電路的工作原理，及其整機(jī)電路的工作原理，層次結(jié)構(gòu)清晰，在內(nèi)容上適度介紹基本理論，講清概念，重點(diǎn)突出實(shí)用。
關(guān)鍵詞 冶金；金屬 ；探測(cè)器
第1章 緒 論
金屬探測(cè)器在國(guó)防、公安、地址等部門(mén)有著廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的金屬探測(cè)器大都是利用金屬物體對(duì)電磁信號(hào)產(chǎn)生渦流效應(yīng)的原理。探測(cè)方法一般有三種。
1.頻移識(shí)別：利用金屬物體使電路電信號(hào)頻率改變來(lái)識(shí)別金屬物體的存在。
2.場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別：利用金屬物體對(duì)信號(hào)產(chǎn)生諧波的場(chǎng)強(qiáng)變化而使振幅隨之變化來(lái)識(shí) 別金屬物體。
3.相移識(shí)別：利用金屬對(duì)信號(hào)產(chǎn)生諧波的相位變化來(lái)識(shí)別金屬物體。本探測(cè)器利用第2種識(shí)別方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)在被測(cè)金屬物體中感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生發(fā)作用，作用于探頭，使探頭線圈阻抗發(fā)生變化，從而使探測(cè)器的振蕩器振幅也發(fā)生變化。該振幅變化量作為探測(cè)信號(hào)，經(jīng)放大、變換后轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)音響電路發(fā)聲，音頻信號(hào)隨被測(cè)金屬物的大小及距離的變化而變化。
第2章 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思路
2.1 設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)一種可探測(cè)金屬的電子裝置——金屬探測(cè)器，探測(cè)器性能要求：
1.工作溫度范圍：-40℃~+50℃
2.連續(xù)工作時(shí)間：一組5號(hào)電池可連續(xù)工作40h。
3.探測(cè)距離大于20cm（金屬物體愈大，測(cè)距也愈大，對(duì)1腳硬幣的探測(cè)距離為20cm）。
4.具有自動(dòng)回零功能，并可抑制土壤效應(yīng)。
課題驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：
1.完成該課題的直流電源及振蕩、檢波電路、前置放大電路、電壓-電流變換電路、電流-頻率變換電路、直流欠壓報(bào)警電路的設(shè)計(jì)；
2.完成硬件的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能；
3.通過(guò)驗(yàn)收，提交畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告
2.2 設(shè)計(jì)思路
金屬探測(cè)器在國(guó)防、公安、地址等部門(mén)有著廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的金屬探測(cè)器大都是利用金屬物體對(duì)電磁信號(hào)產(chǎn)生渦流效應(yīng)的原理。探測(cè)方法一般有三種。
1.頻移識(shí)別：利用金屬物體使電路電信號(hào)頻率改變來(lái)識(shí)別金屬物體的存在。
2.場(chǎng)強(qiáng)識(shí)別：利用金屬物體對(duì)信號(hào)產(chǎn)生諧波的場(chǎng)強(qiáng)變化而使振幅隨之變化來(lái)識(shí)別金屬物體。
3.相移識(shí)別：利用金屬對(duì)信號(hào)產(chǎn)生諧波的相位變化來(lái)識(shí)別金屬物體。
本探測(cè)器利用第2種識(shí)別方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)在被測(cè)金屬物體中感應(yīng)出渦流，渦流產(chǎn)生發(fā)作用，作用于探頭，使探頭線圈阻抗發(fā)生變化，從而使探測(cè)器的振蕩器振幅也發(fā)生變化。該振幅變化量作為探測(cè)信號(hào)，經(jīng)放大、變換后轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)音響電路發(fā)聲，音頻信號(hào)隨被測(cè)金屬物的大小及距離的變化而變化。
4.本設(shè)計(jì)電路的總原理框圖如圖2-1所示
圖2-1 設(shè)計(jì)電路的總原理框圖
第3章 電路設(shè)計(jì)
3.1直流電源及振蕩、檢波電路設(shè)計(jì)
直流電源及振蕩、檢波電路：系統(tǒng)穩(wěn)壓電源采用集成三端穩(wěn)壓器CW79L05組成，其輸入端接電池（-12V），輸出穩(wěn)壓值為-5V。
采用變壓器耦合正弦波振蕩器，二極管VD3和電容C5，組成檢波電路，原理圖如圖3-1所示
圖3-1直流電源及振蕩
圖中，L1、L2、L3和L4為繞在同一磁罐內(nèi)的四組線圈，當(dāng)電源接通后，電路產(chǎn)生振蕩，其輸出電壓幅度指數(shù)上升至三極管飽和。為防止產(chǎn)生振蕩阻塞，須選擇合適的匝數(shù)比（可取L1:L2=1:5）。R3、C4為射集偏置電路，L5、L6構(gòu)成探頭諧振回路，為提高探測(cè)器的靈敏度，要求探頭電感線圈有較高的電壓，可利用變壓器升壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，取L1:L2=1:150。當(dāng)無(wú)金屬物體時(shí)，振蕩器的振蕩頻率
f?1
2πL5C6
（取L5=3.5mH，C6=0.01μF，則f=26.9kHz）。當(dāng)金屬物體接近探頭時(shí)，L5的等效電感發(fā)生變化，諧振回路L5C6失諧，從而使負(fù)載能力很弱的變壓器次級(jí)L3兩端的電壓發(fā)生明顯變化，經(jīng)取樣電感L4及檢波電路將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流探測(cè)信號(hào)輸出。
3.2前置放大電路的設(shè)計(jì)
前置放大電路：前置放大電路用差動(dòng)輸入放大器組成，如圖3-2所示。
圖3-2前置放大電路
圖中R1、C1、R2及C2構(gòu)成差動(dòng)積分電路，即自動(dòng)回零電路，其作用是對(duì)變化緩慢的直流信號(hào)進(jìn)行抑制，而對(duì)變化較快的金屬信號(hào)進(jìn)行100倍放大，從而在一定程度上抑制了 土壤效應(yīng)。當(dāng)u1為緩變直流信號(hào)時(shí)，由于積分電路時(shí)間常數(shù)較�。╮1=R1C1=100ms，r2=R2C2=220ms），C1、C2可視作開(kāi)路，由于參數(shù)對(duì)稱(chēng)，則u0=0。當(dāng)ui=為脈動(dòng)信號(hào)時(shí)（即在原檢波輸出電壓基礎(chǔ)上疊加脈動(dòng)變化量Δui）。R1C1、R2C2組成差動(dòng)積分電路（積分器負(fù)載電阻較大，其影響可忽略），由經(jīng)典法得
u0?R6v2?v1)?100Δui(e?100t?e?45t) R3
可求得t=32.5s時(shí)，輸出達(dá)最大u0=92.5mV。隨時(shí)間延長(zhǎng)，u0逐漸減小，t=1s時(shí)，u0≈0V�？梢�(jiàn)前置放大器可抑制大于1s的慢變干擾信號(hào)。
3.3電壓-電流變換電路的設(shè)計(jì)
電壓—電流變化電路：電壓—電流變換電路用運(yùn)算放大器和三極管等組成電流負(fù)反饋電路，如圖3-3所示。
圖3-3電壓-電流變換電路
由前置放大器輸出的直流脈動(dòng)信號(hào)經(jīng)本級(jí)放大后得到穩(wěn)定的恒流輸出，以驅(qū)動(dòng)后級(jí)電流—頻率變換器。圖中RP為系統(tǒng)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)電位器。靜態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)RP使三極管工作于臨界截止?fàn)顟B(tài)，二極管接近于導(dǎo)通。一旦ui輸入脈動(dòng)放大信號(hào)，三極管進(jìn)入放大（2.2MΩ）使得三極管T集電極電流稍有變化，就會(huì)使二極管VD迅速導(dǎo)通。
3.4電流-頻率變換電路設(shè)計(jì)
電流—頻率變換電路：電流—頻率變換電路的作用是將前級(jí)放大后的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)耳機(jī)發(fā)出音響。金屬物體越大或者探頭離金屬物體越近，其輸出物體越大或者探頭離金屬物體越近，其輸出的信號(hào)就越強(qiáng)，頻率就越高。采用CMOS
時(shí)基電路CH7555構(gòu)成有輸入電壓控制的多諧振蕩器，電路如圖3-4所示。
圖3-4電流-頻率變換電路
圖中，輸入信號(hào)ui控制C2的充電時(shí)間，從而決定輸出音頻信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)電流—頻率轉(zhuǎn)換。當(dāng)ui無(wú)信號(hào)輸入時(shí)（前級(jí)輸出端二極管截止，電流為零），由R2、C1、VD產(chǎn)生沖放電信號(hào)，使變換器輸出一個(gè)間隔約3s的窄脈沖，耳機(jī)中產(chǎn)生一間隔為3s的“搭一搭”聲，以示無(wú)探測(cè)信號(hào)。當(dāng)探測(cè)到金屬物體時(shí)，耳機(jī)中聲響的頻率增高，信號(hào)加大。
3.5直流欠壓報(bào)警電路
直流電源欠壓報(bào)警電路：當(dāng)電池電壓VT由-12V變至-6.5V時(shí)，使三端穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)壓值產(chǎn)生較大偏差，應(yīng)更換新電池，故采用一個(gè)檢測(cè)報(bào)警電路告知用戶(hù)。報(bào)警電路如圖3-5所示。
圖3-5直流欠壓報(bào)警電路
用CMOS時(shí)基電路CH7555和阻容元件組成多諧振蕩器，采用-5V穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)下降至-6.5V時(shí)，電路起振，發(fā)出電壓不足報(bào)警信號(hào)。該振蕩器的振蕩頻率f=4.9kHz。比探測(cè)信號(hào)頻率高，且固定不變，因此不會(huì)與探測(cè)信號(hào)相混淆。 在這次的整個(gè)設(shè)計(jì)中，單元電路均以555定時(shí)器為中心來(lái)完成各自的功能。對(duì)于555定時(shí)器，我們并不陌生，它是一種多用途的單片中規(guī)模集成電路，具有定時(shí)精度高、溫度漂移小、速度快、可直接與數(shù)字電路相連、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能多、驅(qū)動(dòng)電流較大等優(yōu)點(diǎn)。它的內(nèi)部一共集成了21個(gè)晶體管、4個(gè)二級(jí)管和16個(gè)電阻器，組成了兩個(gè)起比較作用的電壓比較器V1和V2、一個(gè)RS觸發(fā)器、一個(gè)由3只5??的電阻組成的分壓器和一個(gè)放電晶體管T及緩沖器G。電路的組成框圖和電路的引腳排列如圖3-6所示。
（a）電路組成框圖
（b）電路引腳排列
圖3-6 電路組成框圖和引腳排列
其555定時(shí)器的工作原理為：當(dāng)5腳懸空時(shí)，比較器V1和V2的比較電壓分別為2/3VCC和1/3VCC。
1.當(dāng)6腳的電壓大于2/3VCC，2腳的電壓大于1/3VCC時(shí)，比較器V1輸出低電平，V2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器被置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端OUT為低電平；
2.當(dāng)6腳的電壓小于2/3VCC，2腳的電壓小于1/3VCC時(shí)，比較器V1輸出高電平，V2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器被置1，放電三極管T截至，輸出端OUT為高電平；
3.當(dāng)6腳的電壓小于2/3VCC，2腳的電壓大于1/3VCC時(shí)，比較器V1輸出高電平，V2也輸出高電平，即基本觸發(fā)器R=1，S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。
由于閥值輸入端（TH）為高電平（＞2/3VCC）時(shí)，定時(shí)器輸出低電平，因
此也將該端稱(chēng)為高觸發(fā)端；
由于閥值輸入端（TR）為低電平（＜1/3VCC）時(shí)，定時(shí)器輸出高電平，因此也將該端稱(chēng)為低觸發(fā)端。
如果在電壓控制端（5腳）施加一個(gè)外加電壓（其值在0～VCC之間），比較器的參考電壓將發(fā)生變化，電路相應(yīng)的閥值、觸發(fā)電平也將隨之變化，并進(jìn)而影響電路的工作狀態(tài)。另外，R為復(fù)位輸入端，當(dāng)R為低電平時(shí)，不管其他端輸入端的狀態(tài)如何，輸出OUT為低電平，即R的控制級(jí)別最高。正常工作時(shí)，一般應(yīng)將其接高電平。
總上，列出555定時(shí)器的功能表為：
表3-1 555定時(shí)器的功能
從它的工作過(guò)程可以看出，它的輸入可以不一定是邏輯電平，可以是模擬電平，因此，該集成電路兼有模擬和數(shù)字電路的特色。
總 結(jié)
這次設(shè)計(jì)的課題是“金屬探測(cè)器”。金屬探測(cè)器廣泛應(yīng)用于冶金、冶礦和機(jī)場(chǎng)等地方。本次設(shè)計(jì)要求工作溫度范圍-40-+50℃、探測(cè)距離要大于20cm、電路具有自動(dòng)調(diào)零等功能。
金屬探測(cè)器主要包括直流電源及振蕩、檢波電路、前置放大電路、電壓-電流變換電路、電流-頻率變換電路、直流欠壓報(bào)警電路。主要考察了高頻、數(shù)電等方面的知識(shí)，目的是提高我們的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。
通過(guò)這次設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多，對(duì)以前所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)不足之處有了更深的掌握，了解了如何應(yīng)用直流電源、放大電路、報(bào)警電路，及其他一些器件組成金屬探測(cè)器，并讓我了解和掌握金屬探測(cè)器應(yīng)用設(shè)計(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)步驟等全過(guò)程，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)以致用的目的，為以后在工作中的工程設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。
致 謝
本課題在選題及研究過(guò)程中得到劉老師的悉心指導(dǎo)。劉老師多次詢(xún)問(wèn)研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開(kāi)拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。劉老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖相處時(shí)間不長(zhǎng)，卻給以終生受益無(wú)窮之道。對(duì)劉老師的感激之情是無(wú)法用言語(yǔ)表達(dá)的。
感謝劉老師等對(duì)我的教育培養(yǎng)。他們細(xì)心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。
感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)給我提供了這次學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)最后，感謝我的同學(xué)三年來(lái)對(duì)我學(xué)習(xí)、生活的關(guān)心和幫助。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬建國(guó).電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2005
[2] 高吉祥.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課題設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2005 [3] 鄭應(yīng)光.模擬電子線路(一).南京：東南大學(xué)出版社，2005 [4] 邱寄帆、唐程山.數(shù)字電子技術(shù).北京：人民郵電出版社，2005 [5] 鄭應(yīng)光.模擬電子線路(二).南京：東南大學(xué)出版社，2005
四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)
附錄 整機(jī)電路圖
四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)
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