金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)

金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五1項(xiàng)目描述金屬探測(cè)器是一種專門用來探測(cè)金屬的儀器，除了用于探測(cè)有金屬外殼或金屬部件的地雷之外，還可以用來探測(cè)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(duì)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(dāng)金屬接近傳感器的距離到達(dá)一定閾值時(shí)能夠發(fā)出聲光報(bào)警；鼓勵(lì)采用單片機(jī)為控制單元，并酌情加分；最終上交調(diào)試成功的試驗(yàn)系統(tǒng)—金屬探測(cè)器；要求有每個(gè)步驟的文字材料，包括原理圖、使用說明、元件清單、進(jìn)程表、調(diào)試過程描述等。第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

1.2相關(guān)知識(shí)點(diǎn)分析

具體知識(shí)點(diǎn)如下：了解電感式傳感器的轉(zhuǎn)化原理；掌握金屬探測(cè)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(cè)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(cè)量電感式傳感器的測(cè)量原理、使用方法及應(yīng)用。

第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

2相關(guān)知識(shí)

電感式傳感器可以分為：自感式傳感器、差動(dòng)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(dāng)線圈匝數(shù)

為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻

的函數(shù)，改變?chǔ)幕?/p>

均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積

的傳感器。圖3.1變磁阻式傳感器第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

2．輸出特性

L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖3-2所示。

對(duì)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(cè)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(cè)量微小位移的場(chǎng)合。圖3.2變隙式電壓傳感器的L-δ特性第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

3．測(cè)量電路電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。①交流電橋式測(cè)量電路圖3.4交流電橋測(cè)量電路第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五銜鐵上移Δδ：兩個(gè)線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由式（3-10）及式（3-12）表示，差動(dòng)傳感器電感的總變化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具體表達(dá)式為對(duì)上式進(jìn)行線性處理,即忽略高次項(xiàng)得第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五靈敏度K0為（3-23）比較單線圈式和差動(dòng)式：①差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動(dòng)式的非線性項(xiàng)(忽略高次項(xiàng))：單線圈的非線性項(xiàng)（忽略高次項(xiàng))：由于Δδ/δ0<<1，因此，差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五將代入式（3-20）得電橋輸出電壓與Δδ成正比關(guān)系。第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五②變壓器式交流電橋式測(cè)量電路變壓器式交流電橋測(cè)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(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，橋路輸出電壓

第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)傳感器銜鐵上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，(3-25)當(dāng)傳感器銜鐵下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時(shí)(3-26)可知：銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，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。第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五③諧振式測(cè)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(diǎn)的電感值。特點(diǎn)：此電路靈敏度很高，但線性差，適用于線性度要求不高的場(chǎng)合。圖3.6諧振式調(diào)幅電路第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五調(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(gè)振蕩回路中，其振蕩頻率

當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。圖3.7（b）表示f與L的關(guān)系曲線，它具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系。

圖3.7諧振式調(diào)頻電路第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

4．變磁阻式傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，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(dòng)，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(cè)壓力的大小。圖3.8變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化。即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)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(cè)壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓，即可得知被測(cè)壓力的大小。圖3.9變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

2.2差動(dòng)變壓器式傳感器1．變隙式差動(dòng)變壓器①工作原理在A、B兩個(gè)鐵芯上繞有W1a=W1b=W1的兩個(gè)初級(jí)繞組和W2a=W2b=W2兩個(gè)次級(jí)繞組。兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反相串聯(lián)。圖3.10差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

②基本特性

圖3.11變隙式差動(dòng)變壓器等效電路圖3.12變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

2．螺線管式差動(dòng)變壓器

①工作原理

圖3.13螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)

圖3.14差動(dòng)變壓器等效電路圖3.15差動(dòng)變壓器輸出電壓的特性曲線第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。由圖可以看出，當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作ΔUo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)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(shì)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）。零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小Ux，否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五②基本特性差動(dòng)變壓器等效電路如圖3-16所示。當(dāng)次級(jí)開路時(shí)(3-30)式中：U——初級(jí)線圈激勵(lì)電壓；

ω——激勵(lì)電壓U的角頻率；

I1——初級(jí)線圈激勵(lì)電流；

r1、

L1——初級(jí)線圈直流電阻和電感。..第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為(3-31)(3-32)

由于次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開路，則由以上關(guān)系可得(3-33)第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五在忽略鐵損（即渦流與磁滯損耗忽略不計(jì)）、漏感以及變壓器次級(jí)開路（或負(fù)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繞阻的直流電阻與電感。當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有δa0=δb0=δ0，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(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組反相串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb，互感Ma≠M(fèi)b，兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2a≠e2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b≠0，即差動(dòng)變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測(cè)體位移的大小和方向。

第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

③差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路問題：a差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向);b測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

差動(dòng)整流電路圖3.16差動(dòng)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）全波電流輸出第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)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(dāng)銜鐵在零位時(shí)，因?yàn)閁24=U68，所以U2=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24>U68，則U2>0；而當(dāng)銜鐵在零位以下,則有U24<U68，則U2<0。U2的正負(fù)表示銜鐵位移的方向。

第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

相敏檢波電路輸入信號(hào)u2(差動(dòng)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(gè)對(duì)角線上。參考信號(hào)us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)角線上。輸出信號(hào)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(dǎo)通時(shí)變壓器T2的次級(jí)電流過大。RL為負(fù)載電阻。us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)u2的幅值，以便有效控制四個(gè)二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且us和差動(dòng)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相敏檢波電路第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五根據(jù)變壓器的工作原理，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(dá)式(3-38)第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

當(dāng)u2與us均為負(fù)半周時(shí)：二極管VD2、VD3截止，VD1、VD4導(dǎo)通。其等效電路如圖3-19（c）所示。輸出電壓uo表達(dá)式與式（3-38）相同。說明只要位移Δx>0，不論u2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓uo始終為正。當(dāng)Δx<0時(shí)：u2與us為同頻反相。不論u2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓uo表達(dá)式總是為第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五圖3-20波形圖（a）被測(cè)位移變化波形圖;（b）差動(dòng)變壓器激磁電壓波形;（c）差動(dòng)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第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

④差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用可直接用于位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。圖3-21為差動(dòng)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(dòng)變壓器構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連，此時(shí)傳感器作為加速度測(cè)量中的慣性元件，它的位移與被測(cè)加速度成正比，使加速度測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以Δx(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五圖3.19差動(dòng)變壓器式加速度傳感器原理圖第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

2.3電渦流式傳感器

1．工作原理

根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2。根據(jù)愣次定律，H2的作用將反抗原磁場(chǎng)H1，由于磁場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)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(cè)金屬導(dǎo)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(lì)線圈;（b）被測(cè)金屬導(dǎo)體第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五式中,r為線圈與被測(cè)體的尺寸因子。

測(cè)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(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。Z=F(ρ,μ,r,f,x)

傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

2．基本特性

圖3.21電渦流式傳感器簡化模型第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

電渦流傳感器簡化模型中，把在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)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。第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

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(dá)式為(3-42)根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：(3-43)第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五圖3-24電渦流式傳感器等效電路圖第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五由式（3-43）解得等效阻抗Z的表達(dá)式為(3-44)式中：Req——線圈受電渦流影響后的等效電阻第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五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?？梢姡阂驕u流效應(yīng)，線圈的品質(zhì)因素Q下降。(3-45)第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

3．電渦流傳感器測(cè)量電路

主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。①調(diào)頻式電路

圖3.23調(diào)頻式測(cè)量電路(a)測(cè)量電路框圖；(b)振蕩電路第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x),該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。

振蕩器的頻率為

第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

②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(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)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(cè)量電路示意圖第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，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(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)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(cè)量電路。

第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

4．渦流式傳感器的應(yīng)用①低頻透射式渦流厚度傳感器將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流,并將貫穿金屬板，此時(shí)磁場(chǎng)能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為φ1′，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。