金属探测器的设计.ppt

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、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/0U68，则U20；而当衔铁在零位以下,则有U24U68，则U20，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；(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