《金属探测器的设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属探测器的设计.ppt（52页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、金属探测器的设计,1 项目描述2 相关知识3 电感式传感器的认知4 项目参考设计方案5 项目实施与考核,1 项目描述,金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器，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。1.1 任务要求以电涡流传感器为传感元件，将金属接近传感器的距离转化为电感；对于金属接近传感器的距离能够有明夫妇显区别的不同提示；当金属接近传感器的距离到达一定阈值时能够发出声光报警；鼓励采用单片机为控制单元，并酌情加分；最终上交调试成功的试验系统金属探测器；要求有每个步骤的文字材料，包括原理图、
2、使用说明、元件清单、进程表、调试过程描述等。,1.2相关知识点分析,具体知识点如下：了解电感式传感器的转化原理；掌握金属探测器的应用；掌握电感式传感器的基本原理；理解电涡流式传感器的工作原理；了解电感式传感器的类型、结构及其测量转换电路；了解电感式传感器的各种应用；了解位移测量电感式传感器的测量原理、使用方法及应用。,2 相关知识,电感式传感器可以分为：自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器。2.1变磁阻式传感器1工作原理 当线圈匝数 为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻 的函数，改变或 均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积 的传感器。,图3.1 变
3、磁阻式传感器,2输出特性,L与之间是非线性关系，特性曲线如图3-2所示。对于变隙式电感传感器，电感 和气隙厚度 成反比，其输出特性如图3.2，输入输出是非线性关系。灵敏度为式中，越小，灵敏度越高。变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。,图3.2 变隙式电压传感器的L-特性,3测量电路,电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。交流电桥式测量电路,图3.4 交流电桥测量电路,衔铁上移：两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式（3-10）及式（3-12）表示，差动传感器电感的总变化量L=L1+L2,具体表达式为,对
4、上式进行线性处理,即忽略高次项得,灵敏度K0为,（3-23）,比较单线圈式和差动式：差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于/01，因此，差动式的线性度得到明显改善。,将 代入式（3-20）得,电桥输出电压与成正比关系。,变压器式交流电桥式测量电路,变压器式交流电桥测量电路如图3.6所示,图3.5 变压器式交流电桥,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压,当传感器衔铁上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ，,(3-25),当传感器衔铁下移：如Z1=Z
5、Z，Z2=Z+Z，此时,(3-26),可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于 是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。,谐振式测量电路分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。调幅电路：传感器电感L与电容C、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压 输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。图3.6（b）为输出电压 与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值。特点：此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。,图3.6 谐振式调幅电路,调频电路：是传感器电感L的变化将引起输出电压频率的变化
6、。通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率 当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图3.7（b）表示f与L的关系曲线，它具有严重的非线性关系。,图3.7 谐振式调频电路,4变磁阻式传感器的应用,变隙电感式压力传感器当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。,图3.8 变隙电感式压力传感器结构图,变隙式差动电感压力传感器当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运
7、动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。,图3.9 变隙式差动电感压力传感器,2.2 差动变压器式传感器,1变隙式差动变压器工作原理在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反相串联。,图 3.10 差动变压器式传感器的结构示意图,基本特性,图3.11 变隙式差动变压器等效电路,图3.12 变隙式差动变
8、压器输出特性,2螺线管式差动变压器工作原理,图3.13螺线管式差动变压器结构,图3.14 差动变压器等效电路,图3.15 差动变压器输出电压的特性曲线,当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。由图 可以看出，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,零点残余电压产
9、生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。,零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果。,基本特性 差动变压器等效电路如图3-16所示。当次级开路时,(3-30),根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势
10、的表达式分别为,(3-31),(3-32),由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得,(3-33),在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下，图3-11（a）的等效电路可用图3-12表示。图中r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕阻的直流电阻与电感。当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有a0=b0=0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此
11、，差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使ab，互感MaMb，两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压Uo=e2a-e2b0，即差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。,差动变压器式传感器测量电路,问题：a差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);b测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,差动整流电路,图3.16 差动整流电路（a）半波电压输出；（b）半波电流输出；
12、（c）全波电压输出；（d）全波电流输出,不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8，故整流电路的输出电压为(3-21)当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24 U68，则U2 0；而当衔铁在零位以下,则有U24 U68，则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。,相敏检波电路,输入信号u2(差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。输出信号uo从变压器T1与T2的中心抽头引出。平衡电阻R起限流作用
13、，以避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。RL为负载电阻。us的幅值要远大于输入信号u2的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且us和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电，保证二者同频同相（或反相）。,图3.17 相敏检波电路,根据变压器的工作原理，考虑到O、M分别为变压器T1、T2的中心抽头，则,(3-36),(3-37),采用电路分析的基本方法，可求得图3-19（b）所示电路的输出电压uo的表达式,(3-38),当u2与us均为负半周时：二极管VD2、VD3截止，VD1、VD4导通。其等效电路如图3-19（c）所示。输出电压uo表达式与式（3-38）相同。说明只要位移x0
14、，不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压uo始终为正。当x0时：u2与us为同频反相。不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压uo表达式总是为,图3-20 波形图（a）被测位移变化波形图;（b）差动变压器激磁电压波形;（c）差动变压器输出电压波形(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形,差动变压器式传感器的应用可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。图3-21为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而
15、将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。,图3.19差动变压器式加速度传感器原理图,2.3 电涡流式传感器 1工作原理,根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电
16、涡流效应。,图3.20 电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体,式中,r为线圈与被测体的尺寸因子。测量方法：如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。,Z=F(,r,f,x),传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为,2基本特性,图3.21 电涡流式传感器简化模型,电涡流传感器简化模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得：,(3-41),式中,f为线圈激磁电
17、流的频率。,根据简化模型，可画出如图3-24所示的等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其表达式为,(3-42),根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：,(3-43),图3-24 电涡流式传感器等效电路图,由式（3-43）解得等效阻抗Z的表达式为,(3-44),式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻,Leq线圈受电涡流影响后的等效电感,线圈的等效品质因数Q值为,式（3-44）和式（3-45）为电涡流传感器基本特性表示式。可见：因涡流效应，线圈的品质因素Q下降。,(3-45),3电涡流传感器测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。,调频式电路,图3.23 调频式测量电路(a)测量电路框图；
18、(b)振荡电路,传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x),该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。振荡器的频率为,调幅式电路,由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图3.24所示。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压 式中,Z为LC回路的阻抗。,图3.24 调幅式测量电路示意图,当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最
19、大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。,4涡流式传感器的应用,低频透射式涡流厚度传感器将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流,并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。,图3.25 透射式涡流厚度传感器结构原理图,高频反射式涡流厚
20、度传感器 如果被测带材厚度改变量为，则两传感器与带材之间的距离也改变一个，两传感器输出电压此时为2UoU。U经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。,电涡流式转速传感器当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d0+d。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d的变化而变化，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。,3 电感式传感器的认知,变磁阻式传感器,差动变压器式传感器,电涡流式传感器,4 项目参考设计方案,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。,4.1 整体方案设计金属探测器的电路框图如下，由高频振荡器、振荡检测器、音频振荡器和功率放大器等组成。,图3.28 金属探测器的电路框图,4.2 电路设计,1.高频振荡器2.振荡检测器3.音频振荡器,图3.29 金属探测器的电路原理图,5 项目实施与考核,本项目的金属探测器被设计用来探测人或物体携带的金属物。它可以探测出人所携带或包裹、行李、信件、织物等内所带武器、炸药或小块金属物品。5.1 制作5.2 调试5.3 评价,
