機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)——金屬探測(cè)儀

1、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)課程名稱機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程編碼佳木斯大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)（卓越工程師）設(shè)計(jì)說明書（機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)）題 目：關(guān)于金屬探測(cè)器的研究與制作學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓 名：指導(dǎo)教師：完成日期： 2013年6月27日佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2013年6月佳木斯大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)（卓越工程師）設(shè)計(jì)說明書摘要本文主要介紹了金屬探測(cè)器的制作過程，以及所使用傳感器的原理和測(cè)試電路的設(shè)計(jì)。金屬探測(cè)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(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)能在金屬物體內(nèi)部能感生渦電流。渦電流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，倒過來影響原來的磁場(chǎng)，引發(fā)探測(cè)器發(fā)出鳴聲

2、。金屬探測(cè)器的精確性和可靠性取決于電磁發(fā)射器頻率的穩(wěn)定性，一般使用從80 800 kHz的工作頻率。工作頻率越低，對(duì)鐵的檢測(cè)性能越好；工作頻率越高，對(duì)高碳鋼的檢測(cè)性能越好。檢測(cè)器的靈敏度隨著檢測(cè)范圍的增大而降低，感應(yīng)信號(hào)大小取決于金屬粒子尺寸和導(dǎo)電性能。關(guān)鍵詞金屬探測(cè)器；磁場(chǎng)；靈敏度-11-AbstractThis article mainly introduces the production process of metal detectors, and the designations used sensor principle and testing of circuit design

3、.Metal detector utilizes the of electromagnetic induction principle, the use there is the alternating current through coil, the produce rapid changing magnetic field. This magnetic field energy in the metal object interior be able to induced eddy currents. Eddy current will produce magnetic field, i

4、nverted come over affect the original of the magnetic field, triggering detector sends out chirp. Metal detectors accuracy and reliability of the vary depending on the electromagnetic launcher frequency stability, general use of from 80 800 kHz the work of frequency of. Operating frequency is The mo

5、re lower, for iron detection performance the better the; Operating higher the frequency, for high carbon steel detection performance the better the. Sensitivity of the detector along with detection range reduced the increase of, the induction signal size limited vary depending on the metal particles

6、 size and conductive properties.Keywords Metal detectors; magnetic field; sensitivity目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論1第2章 傳感器工作原理32.1基本原理32.2工作過程3第3章 測(cè)試系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)53.1繪制電路原理圖53.2電路工作原理6第4章 測(cè)試系統(tǒng)硬件制作74.1準(zhǔn)備元件和工具74.2安裝、焊接元件到電路板上74.3通電測(cè)試9致謝10參考文獻(xiàn)11第1章 緒論世界第一臺(tái)金屬探測(cè)器安檢門誕生于1960年，步入工業(yè)時(shí)代最初的金屬探測(cè)器也主要應(yīng)用于工礦業(yè)，是檢查礦產(chǎn)純度、提高效益的得力幫手。隨著

7、社會(huì)的發(fā)展，犯罪案件的上升。1970年金屬探測(cè)器被引入一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域安全檢查，也就是今天我們所使用的金屬探測(cè)安檢門雛形，它的出現(xiàn)意味著人類對(duì)安全的認(rèn)知已步入一個(gè)新紀(jì)元。一個(gè)產(chǎn)品的出現(xiàn)帶動(dòng)了一個(gè)行業(yè)的發(fā)展，于是安檢這個(gè)既陌生又熟悉的行業(yè)開始進(jìn)入市場(chǎng)。50多年過去了，金屬探測(cè)器經(jīng)歷了幾代探測(cè)技術(shù)的變革，從最初的信號(hào)模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)直到今天所使用的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測(cè)器簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)切割原理被引入多種科學(xué)技術(shù)成果。無論是靈敏度、分辨率、探測(cè)精確度還是工作性能上都有了質(zhì)的飛躍。應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到了多個(gè)行業(yè)。70年代隨著航空業(yè)迅速發(fā)展，劫機(jī)和危險(xiǎn)事件的發(fā)生使航空及機(jī)場(chǎng)安全逐漸受到重視

8、，于是在機(jī)場(chǎng)眾多設(shè)備中金屬探測(cè)安檢門扮演著排查違禁物品的重要角色。同樣在70年代，由于金屬探測(cè)安檢門在機(jī)場(chǎng)安檢中的嶄露頭角，大型運(yùn)動(dòng)會(huì)(如奧運(yùn)會(huì)、亞運(yùn)會(huì)、全運(yùn)會(huì))展覽會(huì)及政府重要部門的安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測(cè)安檢門作為必不可少的安檢儀器。發(fā)展到80年代，監(jiān)獄暴力案件呈直線上升趨勢(shì)，如何及早有效預(yù)防并阻止暴力案件發(fā)生成了監(jiān)獄管理工作中的重中之重，在依靠警員對(duì)囚犯加強(qiáng)管理的同時(shí)，金屬探測(cè)安檢門再次成為了美國(guó)、英國(guó)、比利時(shí)等發(fā)達(dá)國(guó)家監(jiān)獄管理機(jī)構(gòu)必備的安檢設(shè)備，形成平均每300個(gè)囚犯便使用一臺(tái)金屬探測(cè)安檢門用于安檢；與此同時(shí)手持式、便攜式金屬探測(cè)器得到長(zhǎng)足的發(fā)展。進(jìn)入90年代，迅速升溫的電子制造

9、業(yè)成了這個(gè)時(shí)代的寵兒，大型的電子公司為了減少產(chǎn)品流失、結(jié)束員工與公司之間的尷尬局面，陸續(xù)采用金屬探測(cè)安檢門和手持式金屬探測(cè)器作為管理員工行為、減少產(chǎn)品流失的利刃。于是金屬探測(cè)器又有了它新的角色產(chǎn)品防盜。9.11事件以后,反恐成為國(guó)際社會(huì)一個(gè)重要議題。爆炸案、恐怖活動(dòng)的猖獗使恐怖分子成了各國(guó)安全部門誓要打擊的對(duì)象。此時(shí)國(guó)際社會(huì)對(duì)“安全防范”的認(rèn)知也被提到一個(gè)新的高度。受9.11事件影響，各行各業(yè)都加強(qiáng)的保安工作的部署，正是受此影響，金屬探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域也成功的滲透到其他行業(yè)。隨著國(guó)內(nèi)安防行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在安檢領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了多個(gè)金屬探測(cè)器生產(chǎn)廠商，但在國(guó)內(nèi)市 場(chǎng)占有率上來看國(guó)外品牌占有80%的市

10、場(chǎng)份額，民航市場(chǎng)也一直是國(guó)內(nèi)金屬探測(cè)器的禁區(qū)。究其原因，大部分是因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)導(dǎo)致相關(guān)認(rèn)證拿不到。 其實(shí)國(guó)內(nèi)金屬探測(cè)器產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣，近幾年已獲得較大進(jìn)步。但是，猶如其他電子類產(chǎn)品一樣，金屬探測(cè)器同樣出現(xiàn)了電路仿制、性能相 同、功能繁多、華而不實(shí)的現(xiàn)象。某些所謂生產(chǎn)廠商這種投入小、研發(fā)周期短的商業(yè)行為勢(shì)必導(dǎo)致產(chǎn)品的一致性差，可靠性低以及安檢產(chǎn)品社會(huì)信譽(yù)度降低，設(shè)備從根本上保證不了安檢要求。 2002年是國(guó)產(chǎn)探測(cè)器洗心革面， 業(yè)績(jī)輝煌的一年，政府對(duì)安防行業(yè)的大力支持，及“十五計(jì)劃” 指導(dǎo)思想的延伸使一些生產(chǎn)廠商越來越注重自身產(chǎn)品質(zhì)量的提高，無論是產(chǎn)品性能還是外觀都越來越 接近于國(guó)外產(chǎn)

11、品，甚至在某些功能上已超過國(guó)外產(chǎn)品。在產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)過程中考慮最多的也是如何適應(yīng)國(guó)內(nèi)安檢市場(chǎng)、滿足客戶要求。實(shí)現(xiàn)安檢設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，符合中國(guó)國(guó)情。第2章 傳感器工作原理本金屬探測(cè)器采用渦電流式傳感器，下面介紹其基本原理和工作過程。2.1基本原理渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。圖1所示為一個(gè)高頻反射式渦電流傳感器的工作原理。即為本金屬探測(cè)器所使用的傳感器。圖1 高頻反射式渦流傳感器原理金屬板置于一只線圈的附近，相互間距為。當(dāng)線圈中有一高頻交變電流通過時(shí)，便產(chǎn)生磁通，此交變磁通通過鄰近的金屬板，金屬板上便產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱之為“渦電流”或“渦流”，

12、渦電流也將產(chǎn)生交變磁通。根據(jù)楞次定律，渦電流的交變磁場(chǎng)與線圈的磁場(chǎng)變化方向相反，總是抵抗的變化。由于渦流磁場(chǎng)的作用(對(duì)導(dǎo)磁材料還有氣隙對(duì)磁路的影響)使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，變化程度與距離有關(guān)1。 分析表明，影響高頻線圈阻抗Z的因素，除了線圈與金屬板間距離以外，還有金屬板的電阻率，磁導(dǎo)率以及線圈激磁圓頻率等。當(dāng)改變其中某一因素時(shí)，即可達(dá)到不同的變換目的。因此，利用材料電阻率作為變換量，可以做成金屬探測(cè)儀。2.2工作過程當(dāng)被測(cè)金屬與金屬探測(cè)儀之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探測(cè)儀中中線圈的Q值（指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時(shí)，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比）也發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅

13、度的變化，而這個(gè)隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補(bǔ)償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓（電流）變化，最終完成材料電阻率的變化轉(zhuǎn)換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測(cè)體可看作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個(gè)電渦流傳感器的性能與被測(cè)體有關(guān)。第3章 測(cè)試系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1繪制電路原理圖Protel 99SE是ProklTechnology公司開發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設(shè)計(jì)軟件。該電路原理圖使用Protel 99SE繪制，初始界面如下。圖2 Protel 99SE初始界面該電路圖所包含的元件有電源、電容、電阻、三極管、可調(diào)電阻、蜂鳴器等元件，元器件及位號(hào)對(duì)照如下表。位號(hào)名稱型號(hào)及規(guī)格

14、數(shù)量R1電阻1/6W±5%220K1R22.2K1R31M1R410K1C1、C3、C5滌綸電容222F3C2、C4瓷片電容104F2C6電解電容100UF1Q1三極管90181Q2、Q490152Q390121Q590131W可調(diào)電阻1001SP蜂鳴器1PW開關(guān)1表 元器件及位號(hào)對(duì)照表 經(jīng)過Protel 99SE繪制的電路原理圖如下（原理圖線路與實(shí)物略有差異，以實(shí)物為準(zhǔn)）。圖3 電路原理圖3.2電路工作原理Q1、L1、L2、C2、C3、Rl、W組成高頻振蕩電路，調(diào)節(jié)電位器W，可以改變振蕩增益，使振蕩器處于臨界振蕩狀態(tài)，也就是說剛好使振蕩器起振。Q2、Q3組成檢測(cè)電路，電路正常振蕩時(shí)

15、，Q2導(dǎo)通，Q3截止；當(dāng)探測(cè)線圈L1靠近金屬物體時(shí)，會(huì)在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處于臨界態(tài)的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩所需的最低能量而停振，使Q2截止，Q3導(dǎo)通，給Q4、Q5 組成的音頻振蕩電路供電工作，推動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。根據(jù)聲音有無，就可以判定探測(cè)線圈下面是否有金屬物體了2。 第4章 測(cè)試系統(tǒng)硬件制作4.1準(zhǔn)備元件和工具1準(zhǔn)備好電烙鐵、松香、焊錫絲、剪鉗、尖嘴鉗、萬用表等常用工具。2找一個(gè)安全平整的工作臺(tái)，打開元件包，對(duì)著元件清單，清點(diǎn)元件。3分析電路原理圖，了解工作原理，并將原理圖和電路板對(duì)照，深刻印象。4用萬用表分別測(cè)量各個(gè)元件的好壞，

16、進(jìn)一步鞏固已經(jīng)學(xué)到的知識(shí)。4.2安裝、焊接元件到電路板上正確插入元仵，其高低、極性要符合規(guī)定。對(duì)于手工安裝，元件必綆分批安裝；即先插入3-8個(gè)元件，焊好這幾個(gè)元件后，剪掉元件引腳，再插入下批元件進(jìn)入下一批安裝過程，直到裝完全部元件。1清點(diǎn)元件并將將各元件插入電路板中，如下圖。圖4 元件清單及裝件后的電路板2焊接各元件及焊接后的電路板。圖5 焊接前的電路板圖6 焊接后的電路板3安裝開關(guān)并裝入殼內(nèi)。圖7 開關(guān)安裝及電路板裝入殼體內(nèi)4安裝電池。圖8 電池安裝后效果圖5將殼體合蓋。 圖9 整體效果圖4.3通電測(cè)試仔細(xì)檢查線路板安裝無誤后,撥動(dòng)開關(guān)就可以試板了。本機(jī)L1、L2采用印刷板電感，制作簡(jiǎn)單，成功率高，電路則用十多個(gè)元件，調(diào)節(jié)電位器到剛好不發(fā)聲(不靠近金屬的情況下)用印刷板天線靠近金屬，此時(shí)