摘要

金属探测器作为一种最重要的安全检查设备，己被广泛地应用于社会生活和工业生产的诸多领域。比如在机场、大型运动会(如奥运会)、展览会等都用金属探测器来对过往人员进行安全检测，以排查行李、包裹及人体夹带的刀具、枪支、弹药等伤害性违禁金属物品;工业部门(包括手表、眼镜、金银首饰、电子等生产含有金属产品的工厂)也使用金属探测器对出入人员进行检测，以防止贵重金属材料的丢失;目前，就连考试也开始启用金属探测器来防止考生利用手机等工具进行作弊。由此可见，金属探测器对工业生产及人身安全起着重要的作用。

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。

关键词：涡流效应 震荡电路 功率放大

目 录

一 、设计目的 1

二、设计任务与要求 1

2.1设计任务 1

2.2设计要求 1

三、设计步骤及原理分析 1

3.1设计方法 1

3.2设计步骤 2

3.3设计原理分析 9

四、课程设计小结与体会 10

五、参考文献 11

一、设计目的

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

二、设计任务与要求

2.1设计任务

设计一种可准确探测小范围内是否存在金属物体的电子器件，当金属在靠近探测器时，驱动音响电路发声。当移开金属时，驱动音响电路不发声。

2.2设计要求

设计一种可探测金属的电子装置——金属探测器，探测器性能要求： 

1.工作温度范围：-40℃~+50℃ 

2.连续工作时间：一组5号电池可连续工作40h。 

3.探测距离大于20cm（金属物体愈大，测距也愈大，对1角硬币的探测距离为20cm）。 

4.具有自动回零功能，并可抑制土壤效应。

三、设计步骤及原理分析

3.1设计方法

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。

将直流电源、振荡器、检波器、前置放大电路、电压-电流变换器、电流-频率变换器依照图3-1所示的顺序，采用直接耦合的方式连接，就构成了完整的金属探测器的原理图其设计的总理框图如图3-1所示：

图3-1 设计电路总理框图

3.2设计步骤

3.2.1 直流电源及振荡、检波电路设计

直流电源及振荡、检波电路：系统稳压电源采用集成三端稳压器CW79L05组成，其输入端接电池（-12V），输出稳压值为-5V。

采用变压器耦合正弦波振荡器，二极管VD3和电容C5，组成检波电路，原理图如图3-2-1所示

图3-2-1 直流电源及振荡

图中，L1、L2、L3和L4为绕在同一磁罐内的四组线圈，当电源接通后，电路产生振荡，其输出电压幅度指数上升至三极管饱和。为防止产生振荡阻塞，须选择合适的匝数比（可取L1:L2=1:5）。R3、C4为射集偏置电路，L5、L6构成探头谐振回路，为提高探测器的灵敏度，要求探头电感线圈有较高的电压，可利用变压器升压来实现，取L1:L2=1:150。当无金属物体时，振荡器的振荡频率

（取L5=3.5mH，C6=0.01μF，则f=26.9kHz）。当金属物体接近探头时，L5的等效电感发生变化，谐振回路L5C6失谐，从而使负载能力很弱的变压器次级L3两端的电压发生明显变化，经取样电感L4及检波电路将此信号转换成直流探测信号输出。

3.2.2 前置放大电路的设计

前置放大电路：前置放大电路用差动输入放大器组成，如图3-2-2

图3-2-2 前置放大电路

图中R1、C1、R2及C2构成差动积分电路，即自动回零电路，其作用是对变化缓慢的直流信号进行抑制，而对变化较快的金属信号进行100倍放大，从而在一定程度上抑制了 土壤效应。当u1为缓变直流信号时，由于积分电路时间常数较小（r1=R1C1=100ms，r2=R2C2=220ms），C1、C2可视作开路，由于参数对称，则u0=0。当ui=为脉动信号时（即在原检波输出电压基础上叠加脉动变化量Δui）。R1C1、R2C2组成差动积分电路（积分器负载电阻较大，其影响可忽略），由经典法得

可求得t=32.5s时，输出达最大u0=92.5mV。随时间延长，u0逐渐减小，t=1s时，u0≈0V。可见前置放大器可抑制大于1s的慢变干扰信号。

3.2.3 电压-电流变换电路的设计

电压—电流变化电路：电压—电流变换电路用运算放大器和三极管等组成电流负反馈电路，如图3-2-3所示

图3-2-3 电压电流变换电路

由前置放大器输出的直流脉动信号经本级放大后得到稳定的恒流输出，以驱动后级电流—频率变换器。图中RP为系统工作状态调节电位器。静态时，调节RP使三极管工作于临界截止状态，二极管接近于导通。一旦ui输入脉动放大信号，三极管进入放大（2.2MΩ）使得三极管T集电极电流稍有变化，就会使二极管VD迅速导通

3.2.4 电流-频率变换电路设计

电流—频率变换电路：电流—频率变换电路的作用是将前级放大后的直流信号转换成音频信号，驱动耳机发出音响。金属物体越大或者探头离金属物体越近，其输出物体越大或者探头离金属物体越近，其输出的信号就越强，频率就越高。采用CMOS时基电路CH7555构成有输入电压控制的多谐振荡器，电路如图3-2-4所示。

图3-2-4电流-频率变换电路

图中，输入信号ui控制C2的充电时间，从而决定输出音频信号的频率，实现电流—频率转换。当ui无信号输入时（前级输出端二极管截止，电流为零），由R2、C1、VD产生冲放电信号，使变换器输出一个间隔约3s的窄脉冲，耳机中产生一间隔为3s的“搭一搭”声，以示无探测信号。当探测到金属物体时，耳机中声响的频率增高，信号加大。

3.2.5 直流欠压报警电路

直流电源欠压报警电路：当电池电压VT由-12V变至-6.5V时，使三端稳压器输出稳压值产生较大偏差，应更换新电池，故采用一个检测报警电路告知用户。报警电路如图3-2-5所示

图3-2-5直流欠压报警电路

用CMOS时基电路CH7555和阻容元件组成多谐振荡器，采用-5V稳压电源供电。当下降至-6.5V时，电路起振，发出电压不足报警信号。该振荡器的振荡频率f=4.9kHz。比探测信号频率高，且固定不变，因此不会与探测信号相混淆。

在这次的整个设计中，单元电路均以555定时器为中心来完成各自的功能。对于555定时器，我们并不陌生，它是一种多用途的单片中规模集成电路，具有定时精度高、温度漂移小、速度快、可直接与数字电路相连、结构简单、功能多、驱动电流较大等优点。它的内部一共集成了21个晶体管、4个二级管和16个电阻器，组成了两个起比较作用的电压比较器和、一个RS触发器、一个由3只5的电阻组成的分压器和一个放电晶体管T及缓冲器G。电路的组成框图和电路的引脚排列如图3-2-6所示。

（a）电路组成框图　　 （b）电路引脚排列

图3-2-6 电路组成框图和引脚排列

其555定时器的工作原理为：当5脚悬空时，比较器和的比较电压分别为2/3和1/3。

1.当6脚的电压大于2/3，2脚的电压大于1/3时，比较器输出低电平，输出高电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端OUT为低电平；

2.当6脚的电压小于2/3，2脚的电压小于1/3时，比较器输出高电平，输出低电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截至，输出端OUT为高电平；

3.当6脚的电压小于2/3，2脚的电压大于1/3时，比较器输出高电平，也输出高电平，即基本触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。

由于阀值输入端（TH）为高电平（＞2/3）时，定时器输出低电平，因

此也将该端称为高触发端；

由于阀值输入端（）为低电平（＜1/3）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端。

如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0～之间），比较器的参考电压将发生变化，电路相应的阀值、触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。另外，为复位输入端，当为低电平时，不管其他端输入端的状态如何，输出OUT为低电平，即的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。

总上，列出555定时器的功能表为：

表3-1 555定时器的功能

从它的工作过程可以看出，它的输入可以不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。

3.3设计原理分析

金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。金属探测器利用电磁感应的原理，利用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场。这个磁场能在金属物体内部能感生涡电流。涡电流又会产生磁场，倒过来影响原来的磁场，引发探测器发出鸣声。当有金属物靠近通电线圈平面附近时，将发生线圈介质条件的变化和涡流效应两个现象。当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化，还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。对于非铁磁性的金属μr≈1，σ较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可忽略不计;对于铁磁性金属μr很大，σ也较大，可认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。 本设计正是基于这样的理论，来寻找一种适合的传感器来感应线圈的磁场变化。

四、课程设计小结与体会

通过为期一周的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。根本不知道在现实中还存在有很多问题。真正的能将自己的所学知识转化为实际所用才是最大的收获，也就是说真正的能够做到学为所用才是更主要的。设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。

本次课程设计所设计的金属探测器基本符合设计要求，可以探测出20cm范围内的金属物体的存在，而且对于体积较大的金属物体，探测的范围会相应的增大，考虑到该装置使用电池供电，还设计了电源欠压提示功能，提醒用户及时更换电池。设计电路时，要考虑到它的前因后果，用什么样的电路实现什么什么样的功能。另外，还要考虑到电路的可行性，实用性等。本次课程设计要求多学科知识综合应用，加深了对各个学科的理解和掌握，

总之，通过这次课程设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。

参考文献

[1] 马建国.电子系统设计.北京：高等教育出版社，2005

[2] 高吉祥.电子技术基础实验与课题设计.北京：电子工业出版社，2005

[3] 郑应光.模拟电子线路(一).南京：东南大学出版社，2005

[4] 邱寄帆、唐程山.数字电子技术.北京：人民邮电出版社，2005

[5] 郑应光.模拟电子线路(二).南京：东南大学出版社，2005

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/60a4e9c37cd184254a353585.html