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1、金屬探測器的設(shè)計,1 項目描述 2 相關(guān)知識 3 電感式傳感器的認知 4 項目參考設(shè)計方案 5 項目實施與考核,1 項目描述,金屬探測器是一種專門用來探測金屬的儀器，除了用于探測有金屬外殼或金屬部件的地雷之外，還可以用來探測隱蔽在墻壁內(nèi)的電線、埋在地下的水管和電纜，甚至能夠地下探寶，發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的金屬物體。 1.1 任務(wù)要求 以電渦流傳感器為傳感元件，將金屬接近傳感器的距離轉(zhuǎn)化為電感； 對于金屬接近傳感器的距離能夠有明夫婦顯區(qū)別的不同提示； 當金屬接近傳感器的距離到達一定閾值時能夠發(fā)出聲光報警； 鼓勵采用單片機為控制單元，并酌情加分； 最終上交調(diào)試成功的試驗系統(tǒng)金屬探測器； 要求有每個步驟的

2、文字材料，包括原理圖、使用說明、元件清單、進程表、調(diào)試過程描述等。,1.2相關(guān)知識點分析,具體知識點如下： 了解電感式傳感器的轉(zhuǎn)化原理； 掌握金屬探測器的應(yīng)用； 掌握電感式傳感器的基本原理； 理解電渦流式傳感器的工作原理； 了解電感式傳感器的類型、結(jié)構(gòu)及其測量轉(zhuǎn)換電路； 了解電感式傳感器的各種應(yīng)用； 了解位移測量電感式傳感器的測量原理、使用方法及應(yīng)用。,2 相關(guān)知識,電感式傳感器可以分為：自感式傳感器、差動變壓器式傳感器、電渦流式傳感器。 2.1變磁阻式傳感器 1工作原理 當線圈匝數(shù) 為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻 的函數(shù)，改變或 均可導致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度的

3、傳感器和變氣隙面積 的傳感器。,,圖3.1 變磁阻式傳感器,,2輸出特性,L與之間是非線性關(guān)系， 特性曲線如圖3-2所示。 對于變隙式電感傳感器，電感 和氣隙厚度 成反比，其輸出特性如圖3.2，輸入輸出是非線性關(guān)系。靈敏度為 式中 ， 越小，靈敏度越高。變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。,,,,,圖3.2 變隙式電壓傳感器的L-特性,3測量電路,電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、 變壓器式交流電橋以及諧振式等。 交流電橋式測量電路,,圖3.4 交流電橋測量電路,銜鐵上移：兩個線圈的電感變化量L1、L2分別由式（3-10）及式

4、（3-12）表示， 差動傳感器電感的總變化量L=L1+L2, 具體表達式為,對上式進行線性處理, 即忽略高次項得,靈敏度K0為,（3-23）,比較單線圈式和差動式： 差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。 差動式的非線性項(忽略高次項)： 單線圈的非線性項（忽略高次項)： 由于/0<<1，因此，差動式的線性度得到明顯改善。,將 代入式（3-20）得,電橋輸出電壓與成正比關(guān)系。,變壓器式交流電橋式測量電路,變壓器式交流電橋測量電路如圖3.6所示,,圖3.5 變壓器式交流電橋,,電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。 當負載

5、阻抗為無窮大時， 橋路輸出電壓,,當傳感器銜鐵上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ，,(3-25),當傳感器銜鐵下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z， 此時,(3-26),可知：銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于 是交流電壓， 輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。,,諧振式測量電路 分為：諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路。 調(diào)幅電路：傳感器電感L與電容C、變壓器原邊串聯(lián)在一起，接入交流電源 ，變壓器副邊將有電壓 輸出，輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感L而變化。 圖3.6（b）為輸出電壓 與電感L的關(guān)系曲線，其中L0為諧振點的電感值。 特點

6、：此電路靈敏度很高， 但線性差，適用于線性度要求不高的場合。,,圖3.6 諧振式調(diào)幅電路,,調(diào)頻電路：是傳感器電感L的變化將引起輸出電壓頻率的變化。 通常把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中，其振蕩頻率 當L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。圖3.7（b）表示f與L的關(guān)系曲線，它具有嚴重的非線性關(guān)系。,,,圖3.7 諧振式調(diào)頻電路,4變磁阻式傳感器的應(yīng)用,變隙電感式壓力傳感器 當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測壓力的大小。,,

7、圖3.8 變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖,,變隙式差動電感壓力傳感器 當被測壓力進入C形彈簧管時， C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。,,圖3.9 變隙式差動電感壓力傳感器,2.2 差動變壓器式傳感器,1變隙式差動變壓器 工作原理 在A、B兩個鐵芯上繞有W1a=W1b=W1的兩個初級繞組和W2a=W2b=W2兩個次級繞組。兩個初級繞

8、組的同名端順向串聯(lián)， 而兩個次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。,,圖 3.10 差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,基本特性,,,圖3.11 變隙式差動變壓器等效電路,圖3.12 變隙式差動變壓器輸出特性,2螺線管式差動變壓器工作原理,,,圖3.13螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu),,圖3.14 差動變壓器等效電路,圖3.15 差動變壓器輸出電壓的特性曲線,當活動銜鐵向上移動時,由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因為Uo=E2a-E2b，所以當E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時， Uo也必將隨x而變化。 由圖 可以看出， 當銜鐵位于

9、中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作Uo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。,零點殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。 零點殘余電壓的波形十分復雜，主要由基波和高次諧波組成。 基波產(chǎn)生的主要原因是： 傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱， 導致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置， 兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。 高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。

10、,零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應(yīng)設(shè)法減小Ux，否則將會影響傳感器的測量結(jié)果。,基本特性 差動變壓器等效電路如圖3-16所示。 當次級開路時,(3-30),根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 次級繞組中感應(yīng)電勢的表達式分別為,(3-31),(3-32),由于次級兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級開路，則由以上關(guān)系可得,(3-33),,在忽略鐵損（即渦流與磁滯損耗忽略不計）、漏感以及變壓器次級開路（或負載阻抗足夠大）的條件下，圖3-11（a）的等效電路可用圖3-12表示。 圖中r1a與L1a , r1b與L1b , r2a與L2a , r2b與L2b，分別為W1a , W1b , W2a, W2b繞

11、阻的直流電阻與電感。 當沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙有a0=b0=0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。 當被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使ab，互感MaMb，兩次級繞組的互感電勢e2ae2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b0，即差動變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。,差動變壓器式傳感器測量電路,問題： a差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反

12、映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向); b測量值中將包含零點殘余電壓。 為了達到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 ,差動整流電路,,,圖3.16 差動整流電路 （a）半波電壓輸出；（b）半波電流輸出； （c）全波電壓輸出；（d）全波電流輸出,,不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4，流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6到8， 故整流電路的輸出電壓為 (3-21) 當銜鐵在零位時，因為U24=U68，所以U2=0；當銜鐵在零位以上時，因為U24 U68，則U

13、2 0；而當銜鐵在零位以下,則有U24< U68，則U2 <0。U2的正負表示銜鐵位移的方向。,,相敏檢波電路,輸入信號u2(差動變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓)通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個對角線上。參考信號us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上。 輸出信號uo從變壓器T1與T2的中心抽頭引出。 平衡電阻R起限流作用，以避免二極管導通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負載電阻。us的幅值要遠大于輸入信號u2的幅值，以便有效控制四個二極管的導通狀態(tài)，且us和差動變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電， 保證二者同頻同相（或反相）。,,圖3.17 相敏檢波電路,根據(jù)變壓器的工作原理

14、，考慮到O、M分別為變壓器T1、 T2的中心抽頭，則,(3-36),(3-37),采用電路分析的基本方法，可求得圖3-19（b）所示電路的輸出電壓uo的表達式,(3-38),當u2與us均為負半周時：二極管VD2、VD3截止，VD1、VD4導通。其等效電路如圖3-19（c）所示。輸出電壓uo表達式與式（3-38）相同。說明只要位移x0，不論u2與us是正半周還是負半周，負載電阻RL兩端得到的電壓uo始終為正。 當x<0時：u2與us為同頻反相。 不論u2與us是正半周還是負半周，負載電阻RL兩端得到的輸出電壓uo表達式總是為,圖3-20 波形圖 （a） 被測位移變化波形圖; （b） 差動變

15、壓器激磁電壓波形; （c） 差動變壓器輸出電壓波形 (d) 相敏檢波解調(diào)電壓波形； (e) 相敏檢波輸出電壓波形,,差動變壓器式傳感器的應(yīng)用 可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 圖3-21為差動變壓器式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。 它由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連， 此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當被測體帶動銜鐵以x(t)振動時，導致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。,,,,圖3.19差動

16、變壓器式加速度傳感器原理圖,2.3 電渦流式傳感器 1工作原理,根據(jù)法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。 根據(jù)愣次定律，H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應(yīng)。,,圖3.20 電渦流式傳感器原理圖 （a） 傳感器激勵線圈; （b） 被測金屬導體,式中, r為線圈與被測體的尺寸因子。 測量方法： 如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)， 傳感器線圈阻

17、抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。,Z=F(,,r,f,x),傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為,2基本特性,,圖3.21 電渦流式傳感器簡化模型,電渦流傳感器簡化模型中，把在被測金屬導體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)， 模型中h（電渦流的貫穿深度）可由下式求得：,(3-41),式中, f為線圈激磁電流的頻率。,根據(jù)簡化模型，可畫出如圖3-24所示的等效電路圖。圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻，其表達式為,(3-42),根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：,(3-43),圖3-24

18、 電渦流式傳感器等效電路圖,,由式（3- 43）解得等效阻抗Z的表達式為,(3-44),式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻,Leq線圈受電渦流影響后的等效電感,線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為,式（3-44）和式（3-45）為電渦流傳感器基本特性表示式。 可見：因渦流效應(yīng)，線圈的品質(zhì)因素Q下降。,(3-45),3電渦流傳感器測量電路主要有調(diào)頻式、 調(diào)幅式電路兩種。,調(diào)頻式電路,,圖3.23 調(diào)頻式測量電路 (a) 測量電路框圖； (b) 振蕩電路,,傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=

19、L(x), 該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓。 振蕩器的頻率為,,調(diào)幅式電路,由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路如圖3.24所示。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流io，LC回路輸出電壓 式中, Z為LC回路的阻抗。,,圖3.24 調(diào)幅式測量電路示意圖,,,當金屬導體遠離或去掉時，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當金屬導體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變

20、化。因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、 檢波后，由指示儀表直接顯示出x的大小。 除此之外， 交流電橋也是常用的測量電路。,4渦流式傳感器的應(yīng)用,低頻透射式渦流厚度傳感器 將被測金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場將導致在金屬板中產(chǎn)生電渦流, 并將貫穿金屬板，此時磁場能量受到損耗，使到達L2的磁通將減弱為1，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。,圖3.25 透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,,高頻反射式渦流厚度傳感器 如果被測帶材厚度改變量為，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個，兩傳感器輸出電壓此時為2UoU。U經(jīng)放大器放大后，通過指示儀

21、表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度。,,電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 當被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+d。由于電渦流效應(yīng)，使傳感器線圈阻抗隨d的變化而變化，這種變化將導致振蕩諧振回路的品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。,3 電感式傳感器的認知,變磁阻式傳感器,,,,,差動變壓器式傳感器,電渦流式傳感器,,,,,,,4 項目參考設(shè)計方案,金屬探測器利用電磁感應(yīng)的原理，利用有交流電通過的線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場。這個磁場能在金屬物體內(nèi)部能感生渦電流。渦電流又會產(chǎn)生磁場，倒過來影響原來的磁場，引發(fā)探測器發(fā)出鳴聲。,4.1 整體方案設(shè)計 金屬探測器的電路框圖如下，由高頻振蕩器、振蕩檢測器、音頻振蕩器和功率放大器等組成。,圖3.28 金屬探測器的電路框圖,4.2 電路設(shè)計,1.高頻振蕩器2.振蕩檢測器3.音頻振蕩器,,圖3.29 金屬探測器的電路原理圖,5 項目實施與考核,本項目的金屬探測器被設(shè)計用來探測人或物體攜帶的金屬物。它可以探測出人所攜帶或包裹、行李、信件、織物等內(nèi)所帶武器、炸藥或小塊金屬物品。 5.1 制作 5.2 調(diào)試 5.3 評價,