实用新型金属探测器的设计研究

杜江昊，唐晓琬

（西北工业大学机电学院，陕西西安，710072）

实用新型金属探测器的设计研究

杜江昊，唐晓琬

（西北工业大学机电学院，陕西西安，710072）

金属探测器是一个应用广泛的电子仪器，在国外，已经有着相当多成熟的公司从事专业生产。但是就国内来说，金属探测器产品仍存在着较多问题，例如成本较高，精度不够等问题。本设计以简便易行低成本为出发点，利用电磁感应为基本原理，设计了一款较为实用的金属探测器。本文首先介绍了组成金属传感器的必要成分，并对一些元器件的参数做了说明。随后提供了三个设计备选方案，并根据简易性和低成本为原则选择了六反相器数字集成电路探测金属作为最终方案。接着本文又根据从探测到输出的顺序进行了分部分的电路设计，并用Multisim对电路进行了仿真。在上述工作均完成后，最终完成了实物的焊接。

金属探测器；电磁感应；Multisim

1 研制背景及意义

金属探测器的用途十分广泛，如考古研究，国防战争，工程实践，教学教育，娱乐活动等方方面面都会用到金属探测器。考古学家可以利用金属探测器寻找古墓中的金属制品；在矿产开发领域，人们可以用它来探测潜在的矿物资源；军队中，军人可以用它来探测金属地雷，排除隐患。金属探测器已经开始全面地走进人们的生产生活，正在逐步的普及开来。

虽然金属探测器在国外的应用已经相当的广泛，但是在国内仍然存在成本较高，引用不广扥问题。因为国外起步较早，其技术己经发展的比较成熟，国内对其的研究起步较晚，又受到信息医乏的限制，技术相对不成熟，所以在国内金属探测器一般还是以从国外引入为主，特别是安检方面，国内急需自主研制金属探测器，并且投入广泛使用。

基于这种背景，我们设法构造这样一个简便的金属探测器，利用涡电流和磁场之间的相互作用，互相影响，促进金属探测器工作，引发探测器发出鸣声。同时做出合适的线圈，通交流电让其内部产生感生涡电流并且涡电流产生电场以影响原有磁场。

2 金属探测器的分模块设计

2.1 设计方案

本文采用六反相器数字集成电路探测金属。这种方法只用到了简单的元件并且设计合理，既具备了探测效果好的优点同时探测距离也比较长。

该方案的的原理电路图如图1所示。

图1 六反相器数字集成电路

2.2 分模块进行设计

2.2.1 直流电源及振荡、检波电路设计方案

系统稳压电源：集成的三端稳压器CW79L05，Ui=-12V(输入端电池）

Uo=-5V(输出端稳压值）

单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端稳压器。目前，三端稳压管一共有固定式的输出电压和可以调控式的输出电压两种形式，在此，我们采用固定三端稳压器，其原理类似于串联型稳压电路。

该金属探测器的检波电路，原理如图2所示。

图2 直流电源及振荡、检波电路

检波电路一共有三大部分：电容5C、二极管3D、变压器耦合正弦波振荡器。

2.2.2 前置放大电路设计方案

前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备，是专为接受来自信源的微弱电压信号而设计的。在这里我们采用差动输入放大器。

其静态工作点如下【1】：

分两种情况

V1为缓变直流信号时

C1，C2被当作开路处理。

V1为脉动信号时

V0随着时间的进行而减小，t1s= ，00V V≈ 。放大器型号DG747

当慢变干扰信号〉1s时，前置放大器可抑制该信号。

2.2.3 V/I变换电路

这里采用电流负反馈电路。

核心部分为:运算放大器组成的I/V转换电路,三极管等。

将输入电流经过一个电阻使其产生一个电压，经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。在将电压经过一个电压跟随器（或放大器），将输入、输出隔离开来，使其负载不能影响电流在电阻上产生的电压。然后经一个电压跟随器（或放大器）输出。C1滤除高频干扰，应为pf级电容。

两个输入端的信号电压差与运算放大器的输出信号成正相关。

图3 V/I变换电路

对此电路的进行动态分析有【1】：

由前置放大器输出的直流脉动信号经本级方大后得到稳定的恒流输出， 以后级电流-频率变换器的驱动取决于输出的恒流，在这里运放将前置放大器输出的直流脉动信号放大以达到驱动需求。 实现金属探测器的目的。

2.2.4 直流电源欠压报警电路

当稳压器输出稳压值产生比较大的偏差时，应及时更换新电池，故采用一检测报警电路告之用户。这里采用CMOS时基电路CH7555和阻容元件组成多谐振荡器设计的报警电路。

值得注意的是，振荡器振荡频率 f =4.9kHz

探测信号频率 f=26.9kHz，两者相差较大，并且振荡器振荡频率为一定值，因此不会与探测信号相混淆。

2.2.5 单元电路的级联设计

采用直接耦合的方式，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 -频率变换器依下图所示的顺序连接起来，就构成了完整的金属探测器的原理图。原理图如图4所示。

3 金属探测器电路的仿真

在初步完成了各部分的电路设计后，接下来就必须根据这些电路进行仿真。仿真软件选用了最为常用的Multisim10.0版本。

综合上部分各个模块，得到了下面的总仿真电路图。

图5 金属探测器全电路仿真示意图

4 焊接实物图

在完成了上述工作后，最后实现了实物的焊接。最终的金属探测器实物图如下所示。

5 结语

本文针对以电磁感应为原理的金属探测器，完成了一个较为简单的设计。在原理方面打下了较为扎实的基础。在以后的工作中，可能会进一步从电路基本元器件入手，尝试使用性能更好的，工作更稳定的元器件，并在原有电路的基础上进一步加大测试的灵敏度和耐久度。

图6 金属探测器实物图

[1]童诗白,华成英.模拟电路技术基础[M].1980年9月第一版.

[2]胡翔骏，黄金玉.电路分析基础[M].2007年2月第一版.

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[4]黄勇.金属探测器的研究与设计[C].硕士学位论文.2010.5.20.

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Design and research of metal detector for utility model

Du Jianghao, Tang Xiaowan
(School of mechanical and electrical engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an Shaanxi,710072)

Metal detectors are a wide range of electronic devices, in foreign countries, there have been quite a number of mature companies engaged in professional production. But in China, there are still many problems in metal detector products, such as higher cost and less precision. This design takes the simple and easy and low cost as the starting point, and uses the electromagnetic induction as the basic principle, has designed a more practical metal detector. In this paper, the necessary components of metal sensors are introduced, and the parameters of some components are explained. Subsequently, three design alternatives were offered, and the six inverter digital integrated circuit was used as the final solution according to the principle of simplicity and low cost. Then, according to the order from detection to output, the circuit design is divided into parts, and the circuit is simulated by Multisim. After the above work has been completed, the final welding of the object.

metal detector; electromagnetic induction; Multisim