金属探测器的设计.ppt

1、金属探测器设计，1个项目描述，2个相关知识，3个对电感传感器的认知，4个项目参考设计方案，5个项目实施与评估，1个项目描述，金属探测器是一种检测金属的专用仪器，可用于检测墙壁中隐藏的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至发现埋在地下的金属物体。1.1任务要求使用涡流传感器作为传感元件，并将金属接近传感器的距离转换为电感；对于金属接近传感器的距离，可以有不同的尖端来清楚地区分该对；当金属接近传感器的距离达到一定阈值时，会发出声光报警；鼓励使用单片机作为控制单元，并酌情加分；最后提交给调试成功的测试系统的金属探测器；每一步都需要书面材料，包括原理图、操作说明、部件清单、工艺表、调试工艺说明等。1.2相关

2、知识点分析，具体知识点如下：了解电感传感器的转换原理；掌握金属探测器的应用；掌握电感传感器的基本原理；了解涡流传感器的工作原理；了解电感传感器的类型、结构和测量转换电路；了解感应传感器的各种应用；了解位移测量电感传感器的测量原理、使用方法及应用。2相关知识，电感传感器可分为自感传感器、差动变压器传感器和涡流传感器。2.1可变磁阻传感器的工作原理1当线圈匝数不变时，电感l只是磁路中磁阻的函数，而电感的变化或两者都会导致电感的变化，因此可变磁阻传感器可分为可变气隙厚度传感器和可变气隙面积传感器。图3.1可变磁阻传感器l和2的输出特性是非线性的，特性曲线如图3-2所示。对于可变间隙电感传感器，电感与

3、气隙厚度成反比。它的输出特性如图3.2所示，输入输出关系是非线性的。灵敏度由公式给出，灵敏度越小，灵敏度越高。可变间隙电感传感器的测量范围与灵敏度和线性度之间存在矛盾，因此适用于测量小位移。图3.2 L-可变间隙电压传感器的特性，3个测量电路，电感传感器的测量电路包括交流桥式、变压器交流桥式和谐振式。交流电桥测量电路，图3.4交流电桥测量电路，电枢上移：两个线圈的电感变化L1和L2分别用公式(3-10)和(3-12)表示，差动传感器的总电感变化L为L=L1L2。具体表现为上述公式是线性处理的，即忽略高阶项，灵敏度K0为，(3-23)微分方程的非线性项(忽略高阶项):单线圈的非线性项(忽略高阶项

4、):由于/01，微分方程的线性度明显提高。将代入式(3-20)，电桥输出电压成正比。变压器交流电桥测量电路如图3.6和图3.5所示。电桥的两个臂Z1和Z2是传感器线圈阻抗，另外两个臂是交流变压器次级线圈阻抗的1/2。当负载阻抗为无穷大时，电桥输出电压，当传感器电枢向上移动时，如Z1=Z Z，Z2=ZZ，(3-25)，当传感器电枢向下移动时，如Z1=ZZ，Z2=Z，此时，(3-26)，可以看出，当电枢上下移动相同距离时，输出电压相位相反，其幅值随电枢位移而变化。由于是交流电压，输出指示不能判断位移方向，必须用相敏检测电路解决。谐振测量电路分为谐振调幅电路和谐振调频电路。调幅电路：传感器电感L与电

5、容C和变压器初级侧串联，并与交流电源相连。变压器的次级侧将有电压输出。输出电压的频率与电源的频率相同特点：该电路灵敏度高，但线性度差，适用于线性度要求低的场合。图3.6谐振调幅电路和调频电路：传感器电感l的变化将引起输出电压频率的变化。通常，传感器的电感L和电容C连接成一个振荡回路。当振荡频率L改变时，振荡频率也改变，测量值可以根据F的大小来测量.图3.7(b)显示了f和l之间的关系，其具有严重的非线性关系。图3.7谐振频率调制电路和可变磁阻传感器可变间隙感应压力传感器的应用当压力进入波纹管时，波纹管顶部在压力P的作用下产生与压力P成比例的位移，因此电枢也移动，这相应地改变了气隙和流经线圈的电

6、流。电流表A的指示值反映了测得的压力。图3.8可变间隙感应压力传感器结构图当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管变形，其自由端位移，带动与自由端相连的电枢运动，使线圈1和线圈2中的电感变化幅度相同，符号相反。也就是说，一个电感增加，另一个电感减少。电感的这种变化通过桥式电路转换成电压输出。因为输出电压和测量的压力之间存在比例关系，所以只要输出电压由测量仪器测量，就可以知道测量的压力。图3.9可变间隙差动电感压力传感器2.2差动变压器传感器1可变间隙差动变压器的工作原理W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2的两个次级绕组缠绕在两个铁芯A和B上。两个初级绕组的同名端正向串联，而两

7、个次级绕组的同名端反向串联。图3.10差动变压器传感器的结构示意图和基本特性，图3.11变间隙差动变压器的等效电路，图3.12变间隙差动变压器的输出特性，图2螺线管差动变压器的工作原理，图3.13螺线管差动变压器的结构，图3.14差动变压器的等效电路，图3.15动衔铁上移时差动变压器输出电压因磁阻变化的特性曲线，E2b增大，E2a减小。Uo=E2a-E2b，所以当E2a和E2b随着电枢位移x而变化时，Uo也将随着x而变化。从图中可以看出，当电枢位于中心位置时，差动变压器的输出电压不等于零。我们称差动变压器在零位移时的输出电压为零残余电压，这使得传感器的输出特性不通过零点，导致实际特性与理论特性

8、不完全一致。零残余电压主要是由传感器两个次级绕组的电参数和几何尺寸的不对称以及磁性材料的非线性造成的。零残压波形非常复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波的主要原因是传感器的两个次级绕组的电参数和几何尺寸不对称，这导致它们产生的感应电势的幅度和相位不同。因此，无论如何调整电枢位置，两个绕组中的感应电势都不能完全抵消。产生高次谐波(主要是三次谐波)的原因是磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零残余电压通常低于几十毫伏。在实际使用中，我们应该尽量减少Ux，否则会影响传感器的测量结果。具有基本特性的差动变压器的等效电路如图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

9、电势的表达式分别为，(3-31)和(3-32)。因为两个次级绕组反相串联，并且考虑到次级开路，所以当忽略铁损(即涡流)时，可以从上述关系式(3-33)获得当没有位移时，电枢C处于初始平衡位置，电枢C与两个铁芯之间的间隙为a0=b0=0，则绕组W1a和W2a之间的互感Ma等于绕组W1b和W2b之间的互感Mb，这使得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，差动变压器Uo的输出电压=e2a-e2b=0。当被测体发生位移时，与被测体相连的电枢的位置将相应改变，从而使ab、互感MaMb、两个次级绕组的互感电势e2ae2b和输出电压Uo=e2a-e2b0，即差动变压器有电压输出

10、，该电压的大小和极性反映了被测体位移的大小和方向。一、差动变压器传感器测量电路问题：差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，它只能反映电枢的位移，但不能反映运动方向)；测量值中将包括零残余电压。在实际测量中，为了区分运动方向和消除零残余电压，通常采用差动整流电路和相敏检波电路。差分整流电路，图3.16差分整流电路(a)半波电压输出；(b)半波电流输出；(c)全波电压输出；(d)全波电流输出，不管两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容器C1的电流方向总是从2到4，流经电容器C2的电流方向总是从6到8，因此整流电路的输出电压是(3-21)。当电枢处于零位时，U2=0，因为U24=U68

11、当电枢高于零位时，因为U24 U68，u20当衔铁低于零时，有U24 U68和U2 0。U2的正负表示电枢位移的方向。相敏检测电路输入信号u2(差动变压器传感器输出的调幅波电压)通过变压器T1加到环桥的对角线上。参考信号us通过变压器T2被施加到环桥的另一个对角线。输出信号uo从变压器T1和T2的中心抽头引出。平衡电阻器R充当限流器，以避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。RL是负载电阻。us的幅度远大于输入信号u2的幅度，从而有效地控制四个二极管的导通状态，并且us和差动变压器传感器的激励电压u1由同一个振荡器供电，以确保它们处于相同的频率和相位(或相反的相位)。根据变压器的工作原理，考

12、虑到O和M分别是变压器T1和T2的中心抽头，(3-36)和(3-37)，当等效电路如图3-19(c)所示时，图3-19(b)所示电路的输出电压uo的表达式可以用电路分析的基本方法(3-38)得到。输出电压uo的表达式与等式(3-38)相同。说明只要位移x0，无论u2和us是正还是负，负载电阻R1两端获得的电压uo总是正的。当x0: u2和我们同频同相时。无论u2和us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端获得的输出电压uo的表达式始终如下：图3-20波形(a)实测位移变化波形；差动变压器的励磁电压波形；(c)差动变压器的输出电压波形；(d)相敏检波和解调电压波形；(e)相敏检测的输出电压波形，以

13、及差动变压器传感器的应用可以直接用于位移测量，也可以测量任何与位移有关的机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。图3-21是差动变压器加速度传感器原理结构示意图。它由悬臂梁和差动变压器组成。测量时，将差动变压器的悬臂梁底座和线圈架固定，电枢的A端与被测振动体连接。此时，作为加速度测量中的惯性元件，传感器的位移与测得的加速度成正比，这使得图3.19差动变压器加速度传感器原理图2.3涡流传感器1的工作原理根据法拉第定律，当传感器线圈上施加一个正弦交流I1时，线圈周围的空间将不可避免地产生一个正弦交流磁场H1，它将在置于该磁场中的金属导体中感应出涡流I2，并产生一个新的交流磁场H2。根据冷

14、度定律，H2的动作会抵抗H1原来的磁场。由于H2的作用，涡流将消耗一部分能量，导致传感器线圈等效阻抗的变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的涡流效应。图3.20涡流传感器示意图(一)传感器励磁线圈；(b)待测量的金属导体，其中r是线圈和待测量物体的尺寸系数。测量方法：如果上述公式中的其他参数保持不变，只有一个参数发生变化，则传感器线圈的阻抗z只是该参数的单值函数。该参数的测量可以通过与传感器匹配的测量电路测量阻抗Z的变化来实现。Z=F(，r，F，x)，传感器线圈受涡流影响时等效阻抗Z的函数关系为，2基本特性，图3.21涡流传感器的简化模型，其中在被测金属导体上形成的涡流等效为一个短路环，

15、即假设涡流仅分布在环体内，模型中为H(涡流的穿透深度)。根据简化模型，可以绘制出如图3-24所示的等效电路图。图中R2是涡流短路环的等效电阻，其表达式为(3-42)。根据基尔霍夫第二定律，可以列出以下方程：(3- 43)，图3-24涡流传感器等效电路图，由方程(3-43)求解的等效阻抗Z的表达式为(3-44)，其中：Req线圈可以看出，线圈的品质因数Q由于涡流效应而降低。(3-45)，(3)涡流传感器的测量电路主要包括调频电路和调幅电路。调频电路，图3.23调频测量电路测量电路框图(一)；(b)振荡电路，其中传感器线圈连接到液晶振荡电路。当传感器和待测导体之间的距离x改变时，传感器的电感在涡流的影响下改变，这将导致振荡频率的改变，振荡频率是距离x的函数，即f=L(x)。频率可以用数字频率计直接测量，也可以用数字电压表通过f-V变换测量相应的电压。振荡器的频率为调幅电路，由传感器线圈L、电容C和应时晶体组成的应时晶体振荡电路如图3.24所示。石英晶体振荡器充当恒流源，为谐振电路提供具有稳定频率(f0)的激励电流io。在液晶电路的输出电压公式中，z是液晶电路的阻抗。图3.24调幅测量电路原理图当金属导体远离或移开时，LC并联谐振电路的谐振频率为应时振荡频率fo，电路呈现的阻抗最大，谐振电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