毕业设计--安检便携式金属探测器的方案设计.doc

毕业设计安检便携式金属探测器的方案设计 所属学院 航空电子电气工程学院 专 业 电气自动化技术 2015年 5月目录1 绪 论21.1 研究背景与研究意义21.1.1 发展过程21.1.2 研究意义21.2 用途分类22 设计要求22.1 设计要求22.2 主要内容22.3 电路介绍22.4 理想效果23 单元电路设计23.1 高频振荡电路设计23.1.1 原理电路23.1.2 电路分析23.2 三极管开关控制电路设计23.2.1 原理电路23.2.2 电路分析23.3 低频振荡电路设计23.3.1 低频振荡23.3.2 电路分析23.4 报警与蜂鸣电路设计24 整机工作原理25 安装与调试25.1 元器件的选型25.1.1 电阻的选择25.1.2 电容的选择25.1.3 三极管的选择25.2 电路的调试25.2.1 元器件的测试25.2.2 电路的测试与维修2参考文献21 绪 论1.1 研究背景与研究意义 安检便携式金属探测器是金属探测器的一种，因使用方式为手握方式而而得名，主要用于工厂防盗，场所安检以及考场防作弊，相对于安检门，手持金属探测器更加精确。通过对金属物品的电磁感应而报警，报警方式主要有声光，震动，或者通过耳机。目前还广泛用于各种大型会议中心、汇展场管、体育场管公检法、监狱系统及娱乐场所的安全检查和工厂企业的防偷检查，甚至用于对高考禁带物品的检查。1.1.1 发展过程金属探测安检门诞生于1960年，步入工业时代最初的金属探测器也主要应用于工矿业，是检查矿产纯度、提高效益的得力帮手。随着社会的发展，犯罪案件的上升。1970年金属探测器被引入一个新的应用领域安全检查，也就是今天我们所使用的金属探测安检门雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入一个新纪元。一个产品的出现带动了一个行业的发展，于是安检这个既陌生又熟悉的行业开始进入市场。50多年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能上都有了质的飞跃。应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。70年代随着航空业迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中金属探测安检门扮演着排查违禁物品的重要角色。同样在70年代，由于金属探测安检门在机场安检中的崭露头角，大型运动会(如奥运会、亚运会、全运会)展览会及政府重要部门的安全保卫工作中开始启用金属探测安检门作为必不可少的安检仪器。发展到80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早有效预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重，在依靠警员对囚犯加强管理的同时，金属探测安检门再次成为了美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备，形成平均每300个囚犯便使用一台金属探测安检门用于安检；与此同时手持式、便携式金属探测器得到长足的发展。进入90年代，迅速升温的电子制造业成了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品流失、结束员工与公司之间的尴尬局面，陆续采用金属探测安检门和手持式金属探测器作为管理员工行为、减少产品流失的利刃。于是金属探测器又有了它新的角色产品防盗。9.11事件以后,反恐成为国际社会一个重要议题。爆炸案、恐怖活动的猖獗使恐怖分子成了各国安全部门誓要打击的对象。此时国际社会对“安全防范”的认知也被提到一个新的高度。1.1.2 研究意义简单的安检便携式金属探测器已不能完全满足安检要求，安检人员需要的是一种能准确判定物品藏匿位置的安检产品。于是多区位金属探测技术孕育而生，它的诞生是金属探测器历史上又一次变革，由原来单一的磁场分布变成了现在互相叠加而又相对独立的多个磁场，再根据人体工程学把人体分为多个区段使之与人体相对应，相应的区段在金属探测门上形成相对的区域，这样金属探测门便拥有了报警定位功能。高考和各种认证考试是庄严和神圣的，一些犯罪分子采用高科技技术进行舞弊，从中牟利。1.2 用途分类（1）公共安全检查比如机场安检，监狱，法院，检测院，银行，酒店，大型会议，体育比赛，演唱会等公共场安检。（2）工厂防盗很多工厂的产品含有金属成本，工厂为了防止企业产品流失，在重要车间，门口由保安对员工进行检查。(3)考试防作弊近年的高考，研究生考试，公务员考试等考场防止考生携带无线耳机等其它作弊工具，每个考场都会配置一些手持探测器。目前全国很多省教育系统都有配置这类产品。长沙航空职业技术学院毕业设计 设计要求 2 设计要求2.1 设计要求u 设计简易金属探测器电路；u 制作简易金属探测器实物，理解其工作原理；2.2 主要内容根据本课题工作的实际背景，研制出一个物美价廉的金属检测装备，重点应研究和解决以下几个方面的问题：1）原理分析收集金属探测器原理和产品的资料，进行金属探测器资料整理和分析利用。2）完成系统设计根据调研结果和可行性分析设计系统总体框架，初步设想探测信号的产生采用LC高频振荡器产生正弦波，经放大，滤波，整形产生所需信号。使得系统的探测信号有良好的抗干扰性。3）完成硬件方案的设计制作硬件设计涉及：LC振荡器、放大器、滤波器、输出电路（报警或显示）四部分组成。2.3 电路介绍如图2-1所示，该电路由金属探测电路和声音报警电路组成。Q1、L1、L2、C2、C3、R1、W组成高频振荡电路，调节电位器W，可以改变振荡级增益，使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。Q2、Q3组成检测电路，电路正常振荡时，振荡电压交流电压超过0.6V时,Q2就会在负半周导通将C4放电短路，结果导致Q3截止；当探测线圈L1靠近金属物体时，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振，使Q2截止，R2给C4充电，Q3导通，给Q4、Q5组成的音频振荡电路供电工作，推动蜂鸣器发声。根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。图2-1 金属探测器电路原理图2.4 理想效果本简易探测器能轻轻松松的、稳定可靠的控测距离线圈平面（线路板）2.5CM左右的金属硬币、钢板、铁板、铝板、电脑光碟等，这中间可以阻隔木板、书本、报纸、玻璃、地面砖、泥土、砂子、自来水、燃油、皮肤（手掌）、衣服、空气、灰尘等金属以外的物体，实际试验最大探测距离可以达到5CM甚至更远，可以隔着衣服探测出口袋的手机、钥匙、硬币。如果需要更远的探测距离和更高的灵敏度，应自行制作探测线圈，探测线圈的直径越大，探测距商就会越远；探测线圈的Q值越高，对小金属分辨能力就越强。长沙航空职业技术学院毕业设计 单元电路设计3 单元电路设计3.1 高频振荡电路设计3.1.1 原理电路图3-1 晶体管高频放大器原理线路图3-1是一个采用晶体管的高频功率放大器的原理线路。除电源和偏置电路外，它是由晶体管，谐振回路和输入回路三部分组成。高频功放中常采用平面工艺制造的NPN高频大功率晶体管，它能承受高电压和大电流，并有较高的特征频率。晶体管作为一个电流控制器件，它在较小的激励信号电压作用下，形成基极电流iB，iB控制了较大的集电极电流iC，iC流过谐振回路产生高频功率输出，从而完成了把电源的直流功率转换为高频功率的任务。为了使高频功放以高效输出大功率，常选在丙类状态下工作，为了保证在丙类工作，基极偏置电压应使晶体管工作在截止区，一般为负值，即静态时发射结为反偏。此时输入激励信号应为大信号，一般在0.5V以上，可达1到2V，甚至更大。晶体管的作用是将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。线路特点：(1) LC谐振回路作为晶体管的负载起到选频滤波以及阻抗匹配的作用。(2)电路工作在丙类工作状态以保证电路效率较高；基极负偏压（或零偏压）。关系式：(1)外部电路关系式： (2)晶体管的内部特性: (3)（半）导通角： 根据晶体管的转移特性曲线可得： 即集电极的导通角是由输入回路决定的。必须强调指出：集电极电流ic虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。3.1.2 电路分析根据此次金属探测器原理图可以看出R1、L1、L2、Q1、C2、C3、W组成高频振荡器图3-2 高频振荡电路正负反馈过程一工作原理：高频振荡电路是一个正负反馈循环过程。由图3-2看出是正反馈过程一：Q1由截止到饱和的过程。接通电源之后，Q1开始导通、导致Q1的Ib上升，Ic也随之上升，导致L1的感生电动势e1（上+下）上升，L2的感生电动势e2（下+上- 带为同名端）也最终上升，通过电容C2耦合，反馈到三极管Q1的基极，再次导致Q1的Vb上升，最后导致三极管Q1饱和。图3-3 高频振荡电路正负反馈过程二上图是正反馈过程二：Q1由饱和到截止的过程。三极管Q1饱和之后，电源通过L2、Q1、W给C2充电，电容C2上充得的电压为上+下-，导致Q1的Vb下降，电流Ib下降，且Ic也随之下降，导致L2的感生电动势e2（上-下+）上升，L1的感生电动势e1（上+下-）也最终上升；通过电容C2耦合使三极管Q1的Vb下降，最后导致三极管Q1截止。3.2 三极管开关控制电路设计3.2.1 原理电路三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以作为开关用。严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图3-4所示，即为三极管电子开关的基本电路图。图3-4基本的三极管开关由图3-4可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极（c极）与电源之间，而位居三极管主电流的回路上，输入电压Vin则控制三极管开关的开启与闭合动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断。反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细地说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管工作于截止区。同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管工作于于饱和区3.2.2 电路分析根据此次金属探测器原理图可以看出Q2、Q3工作在开关状态，组成开关控制电路图3-5 开关控制电路当L1、L2没有探测到金属物品时，导致Q1的集电极为低电平，即Q2的基极为低电平，Q2饱和，其集电极输出高电平，导致Q3基极为高电平，Q3截止。当L1、L2探测到金属物品时，导致Q1截止，其集电极为高电平，即Q2的基极为高电平，Q2截止，其集电极输出低电平，导致Q3基极为低电平，Q3饱和。 3.3 低频振荡电路设计3.3.1 低频振荡低频振荡器是指产生20赫20千赫正弦波信号的振荡器（有的定义为产生频率在0.1赫兹到10赫兹之间交流讯号的振荡器）。LC振荡电路，顾名思义就是用电感L和电容C组成的一个选频网络的振荡电路，这个振荡电路用来产生一种高频正弦波信号。常见的LC振荡电路有好多种，比如变压器反馈式、电感三点式及电容三点式，它们的选频网络一般都采用LC并联谐振回路。这种振荡电路的辐射功率跟振荡频率的四次方成正比，如果要想让这种电路向外辐射足够大的电磁波的话，就必须提高其振荡频率，而且还必须是电路具备开放的形式。LC振荡电路之所以有振荡，是因为该电路通过运用电容跟电感的储能特性，使得电磁这两种能量在交替转化，简而言之，由于电能和磁能都有最大和最小值，所以才有了振荡。所以LC振荡电路必须要有放大元件，这个放大元件可以是三极管，也可以是集成运放或者其他的东西。有了这个放大元件，这个不断被消耗的振荡信号就会被反馈放大，从而我们会得到一个幅值跟频率都比较稳定的信号。3.3.2 电路分析根据此次金属探测器原理图可以看出Q4、Q5、R3、R4、C5组成低频振荡器；振荡过程：图3-6 低频振荡电路 Q4、Q5由截止到饱和过程1、Q4、Q5由截止到饱和过程:由前分析可知，当有金属靠近时，三极管Q3饱和，低频振荡器供电，电容C5的充电回路如图所示，电容C5充电左-右+，Q4基极电位下降，三极管Q4导通，三极管Q5也随之导通，导致三极管Q5的C级电位下降通过电容C5的耦合作用，三极管Q4的B级电位再次下降，导致三极管Q4、Q5最终饱和。图3-7 低频振荡电路 Q4、Q5由饱和到截止过程2、Q4、Q5由饱和到截止过程，C5放电过程C5放电如图3-7所示：电容C5放电之后，三极管Q4的B级电位升高，三极管Q5的B级电位反之下降，导致三极管Q5的C级电位升高；通过电容 C5的耦合作用，三极管Q4的B级电位再次升高，三极管Q5的B级电位再下降导致三极管Q4、Q5最终截止。3.4 报警与蜂鸣电路设计系统采用蜂鸣器报警，蜂鸣器就是我们日常所称的喇叭，是一种使用广泛的电子元器件,本设计主要用于报警提示。图3-8 蜂鸣器结构图蜂鸣器的工作电流相对来说比较大，并且电路中的TTL实际中不能驱动蜂鸣器工作，这是就需要我们增加电流放大电路，而一个管脚又不能支持蜂鸣器发出警报声，因此，还要添加一个三极管用来使蜂鸣器通过更大的电流。如图3-9所示，具体工作见整机工作。图3-9 报警电路Q4、Q5由截止到饱和，再Q4、Q5由饱和到截止，C5放电过程反复循环，形成低频振荡信号，送入SP产生蜂鸣报警。4 整机工作原理图4-1 金属探测器电路原理图工作原理：1、当L1、L2没有探测到金属物品时，R1、L1、L2、Q1、C2、C3、W组成高频振荡器工作在振荡状态，L1、C3产生并联谐振（阻抗最大），导致Q1的集电极为低电平，即Q2的基极为低电平，Q2饱和，其集电极输出高电平，导致Q3基极为高电平，Q3截止，导致Q4、Q5、R3、R4、C5组成的低频振荡器没有供电而停振，蜂鸣器SP不工作，不报警。2、当L1、L2探测到金属物品时，金属物品大幅改变L1、L2电感量，使得R1、L1、L2、Q1、C2、C3、W组成高频振荡器停止振荡，L1、C3失谐，导致Q1截止，其集电极为高电平，即Q2的基极为高电平，Q2截止，其集电极输出低电平，导致Q3基极为低电平，Q3饱和，导致Q4、Q5、R3、R4、C5组成的低频振荡器供电起振，输出低频信号送给蜂鸣器SP，蜂鸣报警。5 安装与调试5.1 元器件的选型5.1.1 电阻的选择电阻（Resistance，通常用“R”表示），是一个物理量，在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。而超导体则没有电阻。电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1时电阻值发生变化的百分数。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。可调电阻可调电阻的标称值是标准可以调整到最大的电阻阻值，理论上，可调电阻的阻值可以调整到0与标称值以内的任意值上，但因为实际结构与设计精度要求等原因，往往不容易100%达到“任意”要求，只是“基本上”做到在允许的范围内调节，从而来改变阻值。可以逐渐地改变和它串联的用电器中的电流，也可以逐渐地改变和它串联的用电器的电压，还可以起到保护用电器的作用。在实验中，它还起到获取多组数值的作用。可变电阻器由于结构和使用的原因，故障发生率明显高于普通电阻器。可变电阻器通常用于小信号电路中，在电子管放大器等少数场合也使用大信号可变电阻器。电阻的识别口诀：棕一红二橙是三，四黄五绿六为蓝，七紫八灰九对白，黑是零，金五银十表误差。色环电阻对照关系，其识别方法如图5-1图5-1 色环电阻对照图5.1.2 电容的选择电容（Capacitance）亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。电容从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质，可能电荷会永久存在，这是它的特征，它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路中。电容的识别和读数电容容量的基本单位是“法拉”（ F ）,1法拉的 1/1000000 （百万分之一）是1微法（ F ）,1微法的 1/1000000 是 1pF （ 1微微法,或1皮法 ）。它们之间的关系是百万（或称 10 的 6 次方）进位关系。我们常见的电容可以分为：a)瓷片电容瓷片电容是一种用陶瓷材料作介质，在陶瓷表面涂覆一层金属薄膜，再经高温烧结后作为电极而成的电容器。通常用于高稳定振荡回路中，作为回路、旁路电容器及垫整电容器。b)涤纶电容用两片金属箔做电极，夹在极薄绝缘介质中，卷成圆柱形或者扁柱形芯子，介质是涤纶。涤纶薄膜电容，介电常数较高，体积小，容量大，稳定性较好，适宜做旁路电容。c)电解电容电解电容是电容的一种，金属箔为正极（铝或钽），与正极紧贴金属的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成，因电解质是阴极的主要部分，电解电容因此而得名。同时电解电容正负不可接错。读数方法：现在国际上流行另一种类似色环电阻的表示方法（单位默认 pF ）如：“ 473 ”即 47 000 pF=0.047 F “ 103 ”即 10 000 pF=0.01 F 等, “ XXX” 第一、二个数字是有效数字,第三个数字代表后面添加 0 的个数。5.1.3 三极管的选择三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号， 也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。三极管的脚位判断，三极管的脚位有两种封装排列形式，如图5-2：图5-2 三极管封装图先假设三极管的某极为“基极”,将黑表笔接在假设基极上,再将红表笔依次接到其余两个电极上,若两次测得的电阻都大(约几K到几十K),或者都小(几百至几K),对换表笔重复上述测量,若测得两个阻值相反(都很小或都很大),则可确定假设的基极是正确的,否则另假设一极为“基极”,重复上述测试,以确定基极.当基极确定后,将黑表笔接基极,红表笔笔接其它两极若测得电阻值都很少,则该三极管为PNP,反之为NPN。三极管的主要参数选用三极管需要了解三极管的主要参数。了解三极管的四个极限参数：ICM、BVCEO、PCM及fT即可满足95%以上的使用需要。1、ICM是集电极最大允许电流。三极管工作时当它的集电极电流超过一定数值时，它的电流放大系数将下降。为此规定三极管的电流放大系数变化不超过允许值时的集电极最大电流称为ICM。所以在使用中当集电极电流IC超过ICM时不至于损坏三极管，但会使值减小，影响电路的工作性能。2、BVCEO是三极管基极开路时，集电极-发射极反向击穿电压。如果在使用中加在集电极与发射极之间的电压超过这个数值时，将可能使三极管产生很大的集电极电流，这种现象叫击穿。三极管击穿后会造成永久性损坏或性能下降。3、 PCM是集电极最大允许耗散功率。三极管在工作时，集电极电流在集电结上会产生热量而使三极管发热。若耗散功率过大，三极管将烧坏。在使用中如果三极管在大于PCM下长时间工作，将会损坏三极管。需要注意的是大功率三极管给出的最大允许耗散功率都是在加有一定规格散热器情况下的参数。使用中一定要注意这一点。4、特征频率fT。随着工作频率的升高，三极管的放大能力将会下降，对应于=1时的频率fT叫作三极管的特征频率。5.2 电路的调试5.2.1 元器件的测试表5-1 原件测试表元器件标识及检测内容电阻色环标称值（含误差）红2%黄0黑0金5%电容数码标识容量值（uF）220K220K1040.01 uF蜂鸣器所用仪表数字表万用表读数正测8反测89015三极管所用仪表数字表测量出三极管各管脚间的正反向电阻并判别好坏Bebcce正向26040819反向无穷大无穷大无穷大5.2.2 电路的测试与维修电路调试前的检查1) 检查印刷电路板的质量主要是从外观上看铜箔有否断裂、板面有否腐蚀。2) 根据电路装配图焊接的元器件焊接前应对元器件进行检测，其参数值应符合设计要求。焊接电阻、电容等元件时，元件的标志要朝上或面朝一个方向，以便于检查；焊接三极管、二极管等半导体器件时，尽量使焊点到管壳间具有良好的散热条件。3) 检查电路元器件的焊接是否正确核对三极管、集成电路等器件的型号、管脚；检查电解电容器的极性是否正确以及变压器、整流电路的输出、稳压电源的输出有无短路现象等。4) 检查并测量电源的电压、电流是否符合要求检查并测量电源电压是否符合要求，整机电流是否符合要求，集成器件的正、负电源极性是否正确，器件有否发热、冒烟等。电路的调试调试的步骤是先静态、后动态，其工艺要点如下 ：1) 测量各级静态工作点将负载开路，接通电源，测量各级晶体管的静态工作点。先用万用表直流电压档测量电源电压是否正常，然后逐级测量各管的UBE和UCE。在一般情况下，若测得UBE=0，表示该管处于截止状态；若UCE=0，表示该管处于饱和状态。此两种现象均为不正常，需立即排除故障。最后检测输出端的直流状态，很多电路在静态时输出端的直流电压为零伏，若偏离零伏，则需调节有关元件使之达到零伏。2) 动态测试接上信号源、负载和有关测试仪器，在输入端加上信号，各级电路的输出端应有相应的信号输出。调试时，可由前级开始逐级向后检测，这样容易找出故障点，以便及时排除。3) 动态指标测试电路基本正常工作后，即可进行技术指标的测试。根据设计要求，逐一测试各项指标。凡未能达到要求