金屬探測器的設(shè)計

金屬探測器的設(shè)計第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月1項目描述金屬探測器是一種專門用來探測金屬的儀器，除了用于探測有金屬外殼或金屬部件的地雷之外，還可以用來探測隱蔽在墻壁內(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)一定閾值時能夠發(fā)出聲光報警；鼓勵采用單片機(jī)為控制單元，并酌情加分；最終上交調(diào)試成功的試驗系統(tǒng)—金屬探測器；要求有每個步驟的文字材料，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2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.2相關(guān)知識點分析

具體知識點如下：了解電感式傳感器的轉(zhuǎn)化原理；掌握金屬探測器的應(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；了解位移測量電感式傳感器的測量原理、使用方法及應(yīng)用。

第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

2相關(guān)知識

電感式傳感器可以分為：自感式傳感器、差動變壓器式傳感器、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，電感L僅僅是磁路中磁阻

的函數(shù)，改變δ或

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4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

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量微小位移的場合。圖3.2變隙式電壓傳感器的L-δ特性第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．測量電路電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。①交流電橋式測量電路圖3.4交流電橋測量電路第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月銜鐵上移Δδ：兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由式（3-10）及式（3-12）表示，差動傳感器電感的總變化量ΔL=ΔL1+ΔL2,具體表達(dá)式為對上式進(jìn)行線性處理,即忽略高次項得第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靈敏度K0為（3-23）比較單線圈式和差動式：①差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動式的非線性項(忽略高次項)：單線圈的非線性項（忽略高次項)：由于Δδ/δ0<<1，因此，差動式的線性度得到明顯改善。第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月將代入式（3-20）得電橋輸出電壓與Δδ成正比關(guān)系。第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月②變壓器式交流電橋式測量電路變壓器式交流電橋測量電路如圖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線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時，橋路輸出電壓

第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月當(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(3-26)可知：銜鐵上下移動相同距離時，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11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月③諧振式測量電路分為：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為諧振點的電感值。特點：此電路靈敏度很高，但線性差，適用于線性度要求不高的場合。圖3.6諧振式調(diào)幅電路第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月調(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接入一個振蕩回路中，其振蕩頻率

當(dāng)L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。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13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，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，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壓力的大小。圖3.8變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月變隙式差動電感壓力傳感器當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。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壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。圖3.9變隙式差動電感壓力傳感器第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2差動變壓器式傳感器1．變隙式差動變壓器①工作原理在A、B兩個鐵芯上繞有W1a=W1b=W1的兩個初級繞組和W2a=W2b=W2兩個次級繞組。兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。圖3.10差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

②基本特性

圖3.11變隙式差動變壓器等效電路圖3.12變隙式差動變壓器輸出特性第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．螺線管式差動變壓器

①工作原理

圖3.13螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)

圖3.14差動變壓器等效電路圖3.15差動變壓器輸出電壓的特性曲線第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)活動銜鐵向上移動時,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。因為Uo=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b隨著銜鐵位移x變化時，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，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作ΔUo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月零點殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點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：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢幅值不等、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）。零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應(yīng)設(shè)法減小Ux，否則將會影響傳感器的測量結(jié)果。第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月②基本特性

差動變壓器等效電路如圖3-16所示。當(dāng)次級開路時(3-30)式中：U——初級線圈激勵電壓；

ω——激勵電壓U的角頻率；

I1——初級線圈激勵電流；

r1、

L1——初級線圈直流電阻和電感。..第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢的表達(dá)式分別為(3-31)(3-32)

由于次級兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級開路，則由以上關(guān)系可得(3-33)第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月在忽略鐵損（即渦流與磁滯損耗忽略不計）、漏感以及變壓器次級開路（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，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙有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，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。當(dāng)被測體有位移時，與被測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≠Mb，兩次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b≠0，即差動變壓器有電壓輸出，此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。

第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

③差動變壓器式傳感器測量電路問題：a差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向);b測量值中將包含零點殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

差動整流電路圖3.16差動整流電路（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25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，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，因為U24=U68，所以U2=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時，因為U24>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26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

相敏檢波電路輸入信號u2(差動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)形電橋的一個對角線上。參考信號us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上。輸出信號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)通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負(fù)載電阻。us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號u2的幅值，以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且us和差動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27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(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28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)u2與us均為負(fù)半周時：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：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29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-20波形圖（a）被測位移變化波形圖;（b）差動變壓器激磁電壓波形;（c）差動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30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

④差動變壓器式傳感器的應(yīng)用可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。圖3-21為差動變壓器式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。它由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連，此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測體帶動銜鐵以Δx(t)振動時，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3.19差動變壓器式加速度傳感器原理圖第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律，H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場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）傳感器激勵線圈;（b）被測金屬導(dǎo)體第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月式中,r為線圈與被測體的尺寸因子。

測量方法：如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。Z=F(ρ,μ,r,f,x)

傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．基本特性

圖3.21電渦流式傳感器簡化模型第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

電渦流傳感器簡化模型中，把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(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36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

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37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-24電渦流式傳感器等效電路圖第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月由式（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39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月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40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．電渦流傳感器測量電路

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)頻式測量電路(a)測量電路框圖；(b)振蕩電路第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時，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)字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓。

振蕩器的頻率為

第42頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

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頻率（f0）穩(wěn)定的激勵電流io，LC回路輸出電壓

式中,Z為LC回路的阻抗。圖3.24調(diào)幅式測量電路示意圖第43頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時，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，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量電路。

第44頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

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金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流,并將貫穿金屬板，此時磁場能量受到損耗，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U