毕业设计（论文）-基于电感式传感器的金属探测器设计.docx

密 级 公 开 学 号 201340506026 衡水学院毕业论文（设计） 基于电感式传感器的金属探测器设计论文作者：指导教师：系别：物理与电子信息系专业电子信息工程年级：2013级提交日期：2017年4月18日答辩日期：2017年5月05日毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不存在抄袭情况，论文中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名： 日 期： 毕业论文(设计)使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文的原件或复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公开论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文及相关资料。作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)论文题目：基于电感式传感器的金属探测器的设计摘 要：金属探测器可以感应看不到的东西内的金属夹杂物或埋在地下的金属。金属检测器的最简单的形式由一个的振荡器产生一个交变电流穿过线圈产生交变磁场。如果一块导电金属接近线圈，涡流会感应出的金属，并将产生其自己的磁场。本设计本着设计简单，研发难度小，研发周期简单，能投入生产的原则，设计了这款金属探测器。经实际验证，该金属探测器工作十分稳定。本设计的实现，不仅在性能上有所提高，还降低了生产成本，为以后金属探测器的生产和发展提供了新的思路。关键词：金属探测器; 电感式传感器; 电涡流; 振荡器TITLE：DESIGN OF METAL DETECTOR BASED ON INDUCTANCE TYPE TRANSDUCERAbstract: Metal detectors can be induced to see things inside the metallic inclusions or buried metal. The simplest form of metal detector by an oscillator producing an alternating current through the coil produces alternating magnetic field. If a piece of electrically conductive metal is close to the coil, eddy current induction of metal, and will produce its own magnetic field. This design in line with the simple design, research and development difficulty is small, simple development cycles, can put into production, the principle of this kind of metal detector is designed. It has been verified by the actual, the metal detectors work very stable.This design implementation, not only on the performance improvement, lowering the production cost, for the production of metal detectors and development provides a new train of thought. Key words：Metal Detector; Inductance Type Transducer; Eddy Current; Oscillator目 录摘 要I ABSTRACTII1 绪论11.1 选题的目的及意义11.2 国内外研究现状11.3 课题的设计目标22 电感式传感器分类及原理32.1 电感式传感器32.2 自感式传感器工作原理32.3 差动变压器式传感器工作原理42.4 电涡流式传感器工作原理63 金属探测器设计83.1 金属探测基本原理83.1.1 高频振荡电路83.1.2 电涡流和振荡回路联系93.1.3 实物作品的电路设计与调试93.2 探测器灵敏度和稳定性103.2.1 灵敏度103.2.2 稳定性11结语12参考文献13致谢14III2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）1 绪论1.1 选题的目的及意义金属探测器能够检测周围金属的存在的设备。金属探测器可以感应看不到的东西内的金属夹杂物或埋在地下的金属。如今金属探测器还大面积的被各种举办大型活动的单位、维护社会治安的机关以及国家暴力机关使用，用来安全检查。一些公司用金属探测器用来防盗搜检。现阶段的金属探测器，致力于追求高精度，低成本，在人们的生产生活中起到重要作用。就金属探测器的探究来说，有极大的实际意义。因此，有必要对这一课题进行精细周密的研究。1.2 国内外研究现状金属探测器在1920年伊始有了现代意义的进步。格哈德费舍尔创造性的研制出无线电测向系统，用于精准的定位和引路。这个系统工作的非常好，但费舍尔注意到地形上含有岩矿石的地区有异常现象。他认为，无线电波束可能被金属扭曲。如此一来，理论上就可以使用在射频上的共振的搜索线圈来检测金属。1925年他被授予金属探测器的第一项专利。紧接着在20世纪70年代，科技在进步，金属探测器有了新的历史任务安全搜检。其大面积的用于机场安全搜检、边境检查以及警察办案，也就是今时今日大家所常见的金属探测器最开始的样子。这就是说这个社会对安检的理解已经上升到了一个全新的层面。这样一来安检这个人们陌生的行业就这么敲开了市场的大门。由于我国安检业的蓬勃繁荣成长，我国金属探测器制造厂家大批的涌现出来。但外国研制的探测器一贯据有我国大部分市场。机场原则性的不使用国产的金属探测器。之所以造成这个局面，主要原因是国产金属探测器技术上有瑕疵，进而得不到有关部门签发的许可证书。实际情况是我国金属探测器的技术攻关和制造，最近这些年有了长足的进步。一大批贪图蝇头小利的公司由于在研制环节投机取巧，导致产品质量下降进而口碑不好，产品本质上达不到安检标准。民航业取得长足进步的同时，犯罪分子和恐怖分子的视线逐渐转移到客机上，他们做出一些危及旅客人身安全的行为使世界各大航空公司以及机场不得不把安全检查摆在头等位置。这样一来，机场就越来越重视金属探测门的应用了。在1970年到1980年这十年间，因为金属探测器在实际生活中尤其是在各航空公司的安全搜查中的效果极其明显，一些比较正式盛大的活动和当局的安保逐步重视起来金属探测器发挥的至关重要的作用。 1980年伊始，监狱服刑人员大面积持械斗殴的事件越来越多。相关方面对待此类恶性事件严肃了起来。怎样预防此类恶性事件的发生摆上了议事日程。除了狱警在强化对在押人员管束之外，金属探测器又一次当作对服刑人员安全管理不可或缺的辅助装置。 1990前后，电子信息产品备受关注。一些规模较大的企业为了控制住员工偷盗公司产品这一局面，逐渐开始把金属探测器应用到产品防盗领域。这一举措效果极其明显。如此一来，金属探测器又被赋予了新的历史任务。从最初的金属探测器问世到现今，随着技术的革新，不论从哪个方面来说，它都比当初的产品拥有更优越的性能。因此，它也普及到了许多产业。1.3 课题的设计目标本文叙述的金属探测器是基于电磁感应原理。凭着电感式传感器来完成对金属的搜索。然后转换成声音信号。实现如下功能：探测有金属外壳或金属部件的物体；探测掩藏在墙体中的电线、分布地面下的管道和电缆。2 电感式传感器分类及原理2.1 电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量，如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化。测量是以电磁感应原理为基础完成的。紧接着通过设计好的用来测量这些数据的电路把这些数据转换为电压或电流的增减量，并且输出。这样的设备就叫做电感传感器。电感式传感器有很多优点：运行稳定、基本不会受到外界干扰、测得准、零点不漂移、耐用等。但也有缺点：面对移动较快的物体时测值精度低；显示的数值两个极值相差大时，分辨率和示值准确度会下降等。此类传感器可以完成数据的隔空输送。在如今自动控制工业盛行的时代被大面积引入。电感式传感器种类很多。将被测量的增减量转变成自感L变动的传感器一般叫做自感式传感器，将被测量的增减量转变成互感系数改动的传感器，叫做差动变压式传感器，其他，另有基于涡流原理的电涡流式传感器。2.2 自感式传感器工作原理这类传感器是通过自感量的改动来完成衡量。构造如图2-1所示。它由三个独立的部件：线圈、铁芯和衔铁组装而成。铁芯和运动的磁体由导磁物质如硅或坡莫做成。铁芯和运动磁体两者间存在气隙，气隙的距离记做。传感器的活动的部件与运动的磁体连接。被测量有增减量的时候，运动的磁体会有一段位移。这样一来磁路中磁阻会发生改变。然后线圈的电感量就会发生变换。所以仅需知道电感量的变动值，就可以知道运动磁体位移量的变化。这就是变磁阻式传感器的工作原理。图2-1 自感式传感器构造原理图 按照对电感的定义，电感量可由下式可知： L=/I=（W）/I (2-1)式中：线圈总磁链；I通过线圈的电流；W线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得 =（IW）/Rm (2-2)式中，Rm为磁路总磁阻。就变隙式传感器来说，由于气隙非常非常小，我们理想的把气隙里面磁场看作是匀称的。若果磁路磁损小到可以让我们不算在考虑范围内，磁路总磁阻就可以这样表达：Rm=l1/(1A1)+l2/(2A2)+2/(0A0) (2-3)式中：1铁芯材料的导磁率；2衔铁材料的导磁率；l1磁通通过铁芯的长度；l2磁通通过衔铁的长度；A1铁芯的截面积；A2衔铁的截面积；0空气的导磁率；A0气隙的截面积；气隙的厚度。一般气隙的磁阻和铁芯和运动磁体的相比，前者会很大，即 2/（0A0）l1/(1A1) 2/（0A0）l2/(2A2) (2-4)因而式（2-5）可写为 Rm=2/（0A0） (2-5)联立式（2-1）、式（2-2）及式（2-5），可得L=W2/Rm=（W20A0）/（2） (2-6) 根据式（2-6），线圈匝数为常数。电感L是气隙厚度和气隙截面积A0的函数。就是L=f(,A0)。若是A0不改动，只调整，那么L是单函数。如许变气隙式电感传感器就构造完成。若是距离稳定。调整A0，那么L为A0的单函数。这样就构造成了变面积式电感传感器。2.3 差动变压器式传感器工作原理通过被检测的增减量转变成线圈互感变动的传感器叫做互感传感器。差动变压器本身就是变压器。初级线圈传递交流电压，在次级线圈中出现感应电压，一对次级线圈接成差动的结构。这样就组成差动变压器。如将变压器的构造进一步优化，铁芯实现互动，将被测量的增减量转变成铁芯的位置变化，这样就组装成了差动变压器式传感器。因此差动变压器是把被测量转变成初、次级绕组的互感量变化设备。螺线管式差动变压器的构造布局有两段式和三段式。如图2-2（a）、(b)所示。它由初级线圈、一对刺激线圈和位于线圈圆心的柱形铁芯等构成，它们当中一对次级线圈反方向串联，组成差动布局。在理想条件下，其等效电路如图2-3所示。当初级线圈接通激励电压时，按照变压器的运行方式，在一对次级绕组中就应该出现感应电势。因为变压器两次级绕组反向串联，所以U2=E21-E22=0。就是说差动变压器输出为零。当运动的磁体朝上方迁移时，互感量的大小关系是M1M2。所以E21变大，但E22变小。反之，E22增加，E21减小。因为U2=E21-E22，所以当E21、E22随着衔铁位移变化时，也必将随变化。图2-3展示了差动变压器输出电压与运动磁体位置变化之间的联系曲线。下图实线是理想中特性曲线。虚线是现实试验得出。从图2-3就能得出，差动变压器式传感器有零点残存电压。这样一来传感器的特性曲线不会过原点。实际特性曲线和理想特性相比是不一样的。图2-2 螺线管式差动变压器结构示意图（a） 两段式 （b）三段式图2-3 差动变压器输出电压额特性曲线2.4 电涡流式传感器工作原理此课题很多地方都有法拉第电磁感应定律的身影，块状金属导体在不停在磁场内切割磁感线，导体里面会出现旋涡形状电流，它被叫做电涡流，此类状况被叫做电涡流效应。电涡流式传感器的制作方式很多，当然也可以依据电涡流效应来制作。金属导体里面出现的涡流有趋肤效应。由电涡流在导体里面渗透状态，电涡流传感器大致有高频反射、低频透射两种，可就原理看，这两种很相似。图2-4 电涡流式传感器原理图图2-4是电涡流传感器的工作运行图。当传感线圈通上交变电流后，因为电流会改变，线圈附近会出现交变磁场，让这个磁场里面被测物出现电涡流。电涡流因此出现一个交变磁场。和原磁场相抵消一些。所以会出现传感器线圈电感量、阻抗、品质因数改变情况。就是线圈等效阻抗出现改变的状况。这些的改变和导体电阻率、磁导率、形状都有联系。同时和线圈参数、激磁电流频率f也有联系。并且和线圈和导体距离有关系。因此可写为Z=F（，r，f，） (2-7)上面式子里面，r是线圈和导体的尺寸因子。若式子里面某一数值改变，另外数值没有改变，阻抗Z会是改变数值的单值的函数。利用测量电路检验阻抗Z如何改变，就能检验这个改变的数值如何变化，从而完成对此数值的检测。图2-5 电涡流示意图此电涡流产生磁场和最先的交变磁场方向相反，将最先的交变磁场减弱。如图2-5所示，如果将若在图中I1通上交变电流，与I1变大的同时，会出现方向与I2相同的电涡流。它们有I2 = k(dI1 /dt)的联系，I2 数值如果是负，就意味着方向是反的。这些数值是固有的，我们根本对这些东西做变动，但是信号频率f是可以控制的。因此当我们把频率提升来让dI1/dt的值上升，得到想要的稍强的电涡流。进而产生更大电涡流使能量尽可能的耦合到金属板上。 3 金属探测器设计 3.1 金属探测基本原理通过电磁感应和交流电通过线圈，来制造出一个变化很快的磁场。出现的电场附近如果存在金属，则出现涡电流，由此就可以检测到金属。发射线圈流过电流后，出现磁场，与电动机出现磁场类似。磁场的极性与线圈平面互相垂直。由于电流的方向改变，磁场的极性跟着变动。也就说，若线圈与地面平行，则磁场方向将不停改变，时而与地面垂直往下，时而往上。与磁场方向不断改变的同时，它将和周围所有物体作用，造成物体出现极其弱小的磁场。物体产生的磁场极性和发射线圈磁场极性是相反的。如果因发射线圈而出现的磁场方向与地面垂直向下，则目标物产生的磁场就与地面垂直向上。因用于发射的线圈出现磁场根本影响不到用于接收的线圈。可用作接收的线圈会受到因地面以下物所出现的磁场影响。这样一来，接收线圈位于地面以下物体的上面，线圈则出现微弱电流，引发探测器发出鸣声。3.1.1 高频振荡电路根据电涡流效应，如果想进行金属检测，高频振荡线圈就一定要出现在电路中。线圈部分系统里，要想得到高频振荡波形，有外来的激进或者正反馈放大器自激励两种方法。考虑到电路简单，便于制作等因素。如图3-1所示，高频振荡电路包括L1、L2，还有它们中间互感M组成反馈的回路。三极管和它们的同一端相连，就组成了正反馈。 图3-1 高频振荡电路3.1.2 电涡流和振荡回路联系图3-2说明了振荡回路内电流、电流的联系。线圈周围出现金属物体，因L1出现的磁场与因电涡流出现的磁场是相反的，因此会相抵一些。也就是说L1/L2互感M改变。由此L2的反馈电流减小，三极管基极电流减小。晶体管具有非线性，同时此部分系统具有自稳幅特点。它们或许可以取得一个稳态，并减小振幅来继续运作，或许越过晶体管正常运作范畴，造成幅度无法完成，停止振动。 图3-2 振荡回路中的电流关系3.1.3 实物作品的电路设计与调试如图3-3，Q1、L1、L2、C2、C3、R1、W组成高频振荡电路。改变滑动变阻器W阻值，可以改变振荡效果，让振荡器保持临界状态，也就是说振荡器刚刚要开始振动。Q2、Q3组成检测电路，振荡电路正常运作，振荡交流电压大于0.6V,Q2则将于负半周接通将C4短路，然后让Q3断电；探测元件L1与被测物体接近时，导体内部将出现涡电流，振荡电路内部损耗会上升，正反馈效果降低。此时振荡效果降低，能量也随之减少，不足以完成振荡而停止振动，令Q2截止，R2给C4充电，Q3通电，推动蜂鸣器发声。由蜂鸣器是否发声，来检测此处有没有金属。3.2 探测器灵敏度和稳定性探测器的技术特性包括其灵敏度、稳定性。通常情况下，矿山里面常见的探测器灵敏度稍低，但食品、药品领域的探测器灵敏度会相对较高。目前的探测器还不能做到灵敏度和稳定性都很高，与此同时，在保证稳定性的前提下，只能降低其灵敏度。就目前状况来看，在生产领域对探测器灵敏度的要求，一直得不到满足。今后，在这方面还需要再加大研究力度。图3-3 整体电路图3.2.1 灵敏度目前市面上有很多的探测器种类，他们运行的原理不尽相同。所以如何去确定灵敏度也不同，干扰它的几大原因列明如下：(1)仪器工作的频率。振荡回路LC影响仪器工作频率。在选定电容后，影响灵敏度的原因是电路，一般来说，灵敏度随着频率而变化。但频率上升空间是有一定范围的，频率增大会造成线圈电容对其影响变大。这样就导致线圈的电阻值上升，从而就变得不那么容易发现金属。频率在检测金属的过程中起着很重要的作用，同时在频率的选取上也很复杂，要严格按照当时的外部情况、检测的物体的具体情况，并反复实验来选取；(2)检测线圈的尺寸。一般来说，线圈可以制成圆、椭圆或方形。线圈的大小影响着仪器灵敏度。线圈大，检测时掠过面积就大，这样一来，线圈中间的灵敏度变得较小，线圈周围灵敏度就变得较大；(3)检测线圈的匝数。由实验经验得出，线圈的大小不变，匝数数值小，它的灵敏度就会上升。因为振荡条件的局限性，并且和另外的数值也须相呼应。这样一来，匝数不可随意削减，一般来说都是用实验的方法来决定匝数。3.2.2 稳定性稳定性与下列因素有关：(1)根据振荡频率公式，电感变化导致振荡频率的改变和电容变化导致振荡频率的改变效果是相同的。因此制作线圈时应把线圈屏蔽，再与地想接；(2)探测器运做期间，因为外部因素的改变，部分元器件的数值随之变化，从而导致系统的稳定性变化，为此要采取一定措施。结语本设计首先介绍了探测金属探测的理论依据，当有金属靠近通电线圈平面附近时将发生线圈介质条件和涡流效应两个现象，根据电磁感应原理来设计金属探测器。硬件电路的设计包括高频振荡电路、滑动变阻器、检测电路、声音报警电路、探测线圈。通过这些电路及电子元件将磁场强度信号变为电压信号，推动蜂鸣器发声。通过本次毕业设计，使我了解基于电感式传感器的原理、组件的生产及金属探测器的应用；还有电感式传感器的一些优缺点。通过这段时间的学习，我更加了解到金属探测器的重要性，它为安检及其它相关行业提供了可靠的保障。此外我还认识到电感式传感器的金属探测器的几个缺点：其探索深度不广、受环境影响，无法排除一切干扰，在探测深度较深时很无能为力。第 11 页 共14页参考文献1 吴炜,严利平,鲍志业,陈科.电感传感器金属探测定位系统设计J.新器件新技术,2015,5:54-60.2 魏翔宇.浅谈传感器在金属探测方面的发展与应用J.研究探讨,2014,9:11-18.3 Hpati.AY-LDC1000 Datasheet EB/OL.