电磁波能量转换及其传感器的制作

作者/林德耀、叶轻舟，福建工程学院 信息科学与工程学院(福建福州350118)

电磁波能量转换及其传感器的制作

作者/林德耀、叶轻舟，福建工程学院 信息科学与工程学院(福建福州350118)

在人们生活的空间里弥漫着各种各样摸不着、看不见的电磁波，无声无息地为人类的各种文明活动提供了有效的传播平台，可以说人们需要它、离不开它，如人们所拥有的手机、卫星电视等通信设备，其信息的传递媒介就是电磁波，它总是以电场和磁场垂直交替出现的方式由近及远地向周围空间传播出去。但人们所需的这种电磁波能量是微弱的，其场强不得超过240/Wcmµ ()，否则周围过量的电磁波会造成环境污染影响人们的身心健康，因此把“多余”能量的电磁波进行收集处理等措施已迫在眉睫。本文阐述了如何利用电磁波的属性将其能量进行有效的收集、转换与存储，作者希望在这“变废为宝”方面能起到抛砖引玉的作用；以及如何利用电磁波属性制作成多种传感器的基本原理。详细叙述了非接触式供电，低耗测速传感器，铜、铁矿金属探测传感器的设计.制作与调试的全过程。

电磁波；能量收集；存储；金属传感器

常见的电磁波一般是由高频振荡电路产生的，输出具有特定频率和幅度的高频正弦波振荡信号，以逼近光速度进行传播，它可以作为信息传播的载体，各种信息可寄生调制其内传送至远方；电磁波是以能量的形式对外辐射，由于空气介质的损耗，随着传播距离的增大而逐渐减弱，这给电磁波的收集工作造成一定的难度，本文阐述了在同等的空间间隔情况下，如何对电磁波的能量进行最大化的收集与存储；同时利用金属材料铜能屏蔽电场，铁能屏蔽磁场的特性所设计传感器进行深度剖析。

1.电磁波的频率划分

不同频率的电磁波其属性是有区别的，俗话说，知己知彼才能百战不殆。我们要使电磁波更好地被人们所利用，首先就必须要了解电磁波的频率分布。我国的无线电频率分布如表1所示。

表1 中国无线电频率分配及传播特性表

2.电磁波的常见电路

产生电磁波的电路很多，有LC高频振荡器、MCU控制的频率合成电路、微波发生器，等等，这些电路所产生的电磁波，因频率不同其属性也不同可供人们在不同的应用电路中选用。下面介绍两款常见的电磁波产生电路。

■2.1 LC高频振荡器

LC高频振荡器有变压器耦合、电感三点式、电容三点式等方式，图1为常用的（西勒）电容三点式振荡器为例进行分析，其中图1（a）为西勒振荡器的原理图，图1（b）为西勒振荡器的等效图。

图1（a）中电阻R1、R2、R3分别为三极管VT1上、下偏置电阻和发射机电阻，为满足振荡器VT1的幅度条件而设置的，一个典型值当Vcc取12V,三个电阻的阻值分别为15k、2.2k、680Ω。

图1 LC西勒振荡器

图1（b）中，三极管VT1的be结电容为Cbe，bc结的电容为Cbc，ce结的电容为Cce，那么两两并联后，其各自的容量分别为C3’=C3+Cbe，C4’=C4+Cce，设两者相串后的电容为C3、4’

设电容C3、4’与三极管VT1结电容Cbc相并后的电容为Cn，那么

由于 C2<

则LC回路的振荡频率

从式（4）中可以看出，振荡频率主要取决于回路电感L和电容C2的值，三极管结电容的影响可忽略不计，因此振荡频率较为稳定。

■2.2 频率合成电路

频率合成技术的发展历经了直接模拟频率合成 (DAS)锁相环频率合成 (PLL) 和直接数字合成 (DDS) 的三个阶段。现DAS技术基本上已淘汰，DDS技术已在通信、雷达、电子对抗和仪器仪表等领域得到广泛的应用，PLL技术由于成本低、频率变换调试灵活、输出频率精度高，广泛应用于电视广播、通信等领域。

单片机MCU控制的数字锁相环频率合成（PLL）电路如图2所示，其输出的电磁波频率稳定度高，精度可达10–5～ 10–6。

图2 锁相环（PLL）频率合成电路

工作原理：如图2所示，三极管VT1、电容C2、C3、C5、C6,变容二极管VD1，互感线圈T1等构成电容三点式的压控振荡器，振荡频率与2.1所述雷同不赘述。稳频过程如下：三极管VT1输出的高频振荡信号经互感线圈T1的次级通过电容C1耦合至预分频器MC12022AP进行预分频，预分频后输入到分频兼鉴相器MC145152AP，按单片机MCU输出的数字控制信号进行再次分频，分频后与MC145152AP外置晶振的基准分频信号进行比较，当两者频率一致时，无误差输出；但两者频率不一致时，其鉴相器内部会把频率的误差转化为相位的误差，从而输出误差电压，经有源滤波器OP07放大滤波后输出直流电压至振荡器LC回路的变容二极管VD1的负端，从而不断改变变容二极管VD1的容量达到改变其频率的目的，直至压控振荡器输出频率达到设计者的期望值为止。

3.无线充电器及其制作方法

■3.1 无线充电器发射部分

3.1.1 振荡频率的计算

无线充电器是电磁波能量转换的一个典型案例如图3所示。无线充电器发射部分如图3（a）所示。

在图3（a）中，由NE555构成振荡信号发生器、三极管VT1功率驱动电路和三极管VT2谐振功率放大器三部分组成。采用NE555构成振荡频率约为495kHZ 的方波信号，

图3 无线充电器电路

振荡频率估算公式如下：

C1单位取μF，电阻单位看kΩ,频率单位即为kHz。

当电位器RT1从一个极端（最大值）调到另一个极端（最小值）时，依据式（5）振荡频率计算如下：

(a)当电位器RT1调到最大值4.7kΩ时

f01=1.443/(4.7+3+2×6.8)•0.00015

f01≈ 452（kHz）

(b)电位器RT1调到最小值0Ω

f02=1.443/(3+2×6.8)•0.00015

f02≈ 580（kHz）

因此，可通过调整电位器RT1使振荡频率处于495kHz。

3.1.2 末级功放的设计与制作

末级功放谐振线圈设计、制作与调试：末级功放管采用BU407功率管，谐振线圈要求用直径为 0.8mm 的漆包线密绕 19 圈，直径约为 7cm，实测电感值约为 150μH。取电容C3为680pF，半可变电容C4为5/30pF，当电容C4从一个极端最大值调到另一个极端最小值时，谐振频率的计算如下：

（a）当电容C4为最大值30pF时，谐振频率：

（b）当电容C4为最小值5pF时，谐振频率:

调试：（1）调电位器RT1，测推动级发射极电压波形，其电压波形所含的振荡频率应为495kHz；（2）将电位器RT2至有效阻值于最大状态，缓慢调整电位器RT2的阻值，使末级输出最大即可；（3）缓慢调节半可变电容C4的容量再次使末级输出信号最大，且谐振频率处于495kHz。

■3.2 无线充电器接收部分

无线充电器接收部分如图3（b）所示。接收回路L2、C5、C6其参数及其制作方法与前述3.1相同，谐振于495kHz。当LC线圈两端接收到来自于发射端的495kHz电磁波信号时，让电路处于并联谐振状态，LC两端产生的电压幅度最大，经VD1～VD4桥式整流 ，电容C7滤波后形成直流电压，通过电阻R6对蓄电池进行充电,电阻R7发光二极管VD5是充电指示电路，本电路充电电压可达5V，最大充电电流可达100mA。

电路调试：缓慢调节半可变电容C5,使L2两端电压最大即可。

4.低耗测速传感器

■4.1 低耗测速传感器制作

电磁波低耗测速传感器如图4所示，其中图4（a）为低耗测速传感器电路图，图4（b）为电容三点式振荡器等效图，图4（c）为套在被测电机主轴上的检测圆盘。

图4 电磁波低耗测速传感器

检测圆盘是由普通的印制板外形加工成圆盘形状，圆盘一半保留铜箔，另一半则去除铜箔，中间挖一个小洞，刚好能嵌套在电机的主轴上。如果被测电机为小型的如电脑风扇的电机，检测圆盘的半径2厘米就足够了。

在振荡回路等效电路图4（b）中，频率的计算方法与2.1雷同，不赘述，其振荡频率50～80MHz即可。

■4.2 低耗测速传感器原理与调试

本制作所述的调试方法，是将振荡器调到临界振荡状态。调试步骤如下：缓慢调节电位器RT1，用示波器测三极管VT1发射极波形，用万用表监测其发射极电压，让上述两者波形和电压都逐渐减少，直到波形刚好消失为止，此时应将电位器RT1往相反方向调整，使波形刚好出现为止，在供电电压为3～5V情况下,三极管VT1振荡波形出现，VT1集电极电流仅为0.9mA左右，故可称之为临界、低耗振荡器。

振荡电路所产生的高频信号，即电磁波，而电磁波总是以电场与磁场的垂直交替方式向外传播。待测电机主轴套上检测圆盘，检测圆盘置于图4（a）振荡线圈L1上方，两者通电后，电机开始旋转，当检测圆盘的铜箔置于振荡线圈L1上方时，铜箔吸收了电磁波中的电场能，迫使L1、C振荡回路的等效电感量减少，Q值降低，因本电路是处于临界振荡状态，导致电路立即停振；当检测圆盘无铜箔面置于L1线圈上方时，电路又恢复起振，如此周而复始地重复着。即电机每旋转一圈都会出现起振与停振两种状态各一次，刚好为一个周期。这样在电机旋转一圈中，半圈时间内有振荡电压输出，另一个半圈时间内无输出电压，此电压从三极管VT1的发射极输出经电容C5耦合，电阻R4、二极管VD1、电容C7整流滤波后形成半周期内有直流电压，另一半周期无直流电压输出，相当于电机旋转一圈输出一个脉冲电压，再经过波形整形电路整形后输送给51单片机进行电机转速计数信号的处理并由液晶显示屏显示出电机的转速。

5.铜、铁矿金属探测传感器

■5.1 工作原理

铜、铁矿金属探测传感器如图5所示，其中图5（a）为铜铁矿金属探测传感器电原理图，图5（b）为振荡电路等效图图5（c）为外形图。

工作原理：铜矿与铁矿金属探测传感器电路是从图4 电磁波低耗测速传感器电路基础上改进而来的，依据电磁波的属性，当探测线圈L1靠近金属铜时，其电感量L1会减少，同理当探测线圈靠近金属铁时，其电感量L1会增大。我们把显示终端做成频率计，这就意味着当频率计升高时，被测周围存在金属—铜；反之，当频率计降低时，被测周围存在金属—铁。

本作品的振荡频率取低频段（200kHz），让电路处于深度振荡状态，当探测线圈L1即使零距离地靠近金属铜或铁，电路始终都处于振荡状态，终端显示只体现频率的升高与降低或“金属铜”与“金属铁”的字样。

图5 铜、铁矿金属探测传感器

谐振频率的计算：从图4（b）等效电路中Cx选陶瓷可调电容器，型号为CVC06–120pF,容量26～120pF，令Cx=50pF,那么 C1+ Cx = 150(p F),若忽略三极管结电容的影响，总电容C近似为：

■5.2 铜、铁矿传感器的制作

探测传感器谐振线圈L1的制作，谐振线圈要求用直径为 0.8mm 的漆包线沿图5（c）的底盘塑料骨架直径约 14cm上，密绕 191 圈，实测电感值约为 3mH。

■5.3 铜、铁矿传感器的调试

（1）静态工作点调试：将图5（a）中L1线圈短路，电路处于停振状态，调三极管VT1的发射极电压为2V,那么其发射极的电流：

（2）动态振荡波形的调试：将示波器的测试探头搭接于三极管VT1的发射极，调可变电容Cx，所测发射极电压波形频率为200kHz，电压值不低于2Vpp，在电压最大值的情况下，振荡频率误差允许在±10%。

（3）铜升和铁升的验证实验，分别将一块100×100的铜板和铁板放置在地面不同的地方，当探测传感器L1由远及近地靠近铜板时，振荡频率应逐渐升高，允许振荡电压幅值也减少，但不得出现停振；同理，当探测传感器L1由远及近地靠近铁板时，振荡频率应逐渐降低，允许振荡电压幅值也减少，但不得出现停振，此时铜矿与铁矿传感器制作完成，可进行后续的电路设计，如将采集的信号进行A/D转化再输送给单片机进行数据处理，LCD液晶实时显示其频率，频率增为铜矿、频率减为铁矿，同时在电路设计方面可增设当利用本装置探测到周边有金属铜或铁矿存在时启动现场告警功能。

6.展望

电磁波遍布在整个宇宙空间，合理的利用电磁波可造福于人类，否则它就会对人们构成伤害，如空中雷电瞬间会产生极强的电磁波，能使通信中断，毁伤人和物。如果能把空中有害的或多余的电磁波收集起来，以绿色能源的表现形式为人们所用其意义重大。希望读者对本文的深度解读，能有更多的科技工作者投入到研究电磁波上来，让人们的明天会更美好。

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