为什么它们能“透视” ——金属探测功能电路探

一、问题的发现 在日常生活中，我们经常会看到一些需要进行安全检查的场合，安全人员能够用仪器检查身上是否有金属物品，并且能及时报警。比如现在参加高考，在进入考场之前监考员会对参加考试的学生进行检查。那么这是什么仪器，是怎样做到这一点的呢？这引起了研究小组的兴趣。 为了一探究竟，研究小组通过各种途径去了解，原来是这些物品内部设计有金属探测和播放电路，所以具有了“透视”的功能。 于是，研究小组在教师的指导下尝试设计制作了这样一个电路：它实现了金属探测和报警功能，而且所用元器件少，制作简单，操作也很方便。经过改进也可以制作出汽车探测、流量统计、电梯楼层控制、生产设备位置检测、生产设备开发设计、电子产品设计、游乐设备开发、金属接近开关、人体内金属探测和山内寻金元宝探测等功能。 二、主要研究过程 在高一通用技术课中学习过相关知识，我们首先组成了学习小组，并进行了分工。小组成员及主要分工见下表。 成员 分工皮远耀 喻哲 查找分析、资料沈佳丽 施蓓蕾 购买工具、材料小组合作 电路设计、制作沈佳丽 施蓓蕾 撰写报告 采用的主要研究方法为： 1.文献法：主要通过上网检索，查找相关资料，寻求所需的知识； 2.咨询法：向指导教师咨询研究遇到的问题； 3.试验法：在设计过程中，试验电路的正确性。 金属探测电路的设计，重点是LC振荡电路的理解。通过网上查询和指导教师的介绍，我们选用了LC振荡电路作为电路的核心器件。该器件技术成熟，只需搭接少量元器件，即可实现金属检测和报警功能。 三、试验电路验证 1.制作材料和工具 (1)元器件的选择见下表 元器件 介绍PCB板 采用印刷板上的铜皮导线形成电感电容 100UF25V电解电容 104瓷片电容 222涤纶电容三极管 9018 9015 9012各一个蜂鸣器 SOT塑封封装有源蜂鸣器 长声电阻 220k 2.2k定值电阻 100欧蓝白电位器外接电源 2节5号干电池、带开关电池座 (2)制作工具及材料：电烙铁、数字万用表、剥线钳、松香、焊锡丝和连接细导线。 2.工作原理 用表格中介绍的元器件 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，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。 焊接好后的调试： L1、L2采用印刷板上的铜皮导线形成电感，无需另外制作电感，电路板用十多个元件，可靠性很高，一般都能正常工作。安装好后接上电源，调节电位器到刚好不发声(不靠近金属的情况下)，用印刷板制成的电感靠近金属，此时应该发声，远离金属后应该停止发声，若远离不能停止发声，就把电位器逆时针方向调一下再试，直到符合要求为止。 3.制作过程 电路的制作主要是完成焊接，按照电路原理图，另外再用22AWG导线焊接即可。焊接时要注意以下几点。 (1)电烙铁外壳要良好接地，以免感应电压击穿元器件； (2)线路的布局要合理，避免导线间的干扰； (3)扬声器正负极不可接反，否则扬声器不能正常工作； (4)两个定值电阻2.2K，色环是红红黑棕棕220K，色环是红红黑橙棕； (5)三个三极管不能焊错，三个三极管都是不同型号的，注意区分； (6)供电电压3到5伏，不能使用旧的电池，需使用两节新电池。 四、进一步思考 制作完成后，我们利用前面介绍的方法，对电路进行测试，发现金属检测性能一般，只能检测离得较近较大的金属。我们查阅了相关资料，讨论分析之后,确定原因主要是线圈制成的电感天线的缘故，我们直接利用PCB板制成电感，使得效果一般。如果利用电感相关知识增加Q值，检测小金属性能就能得到提高，或者另外选用更大面积的感应天线成品，检测距离会增加，效果会更加完美。后期我们会尝试进一步优化，并将电路应用到具体产品的设计中去。 虽然此次我们的设计并不完美，但这次研究性学习让我们有了一次全新的学习体验，受益良多。我们在动手实践中学习，丰富了知识，提高了动手水平，增强了发现问题、解决问题的能力。在研究的整个过程中，小组的每一位成员积极承担各自的任务，制作中互相的配合，出现问题一起查资料、讨论，其乐融融，增进了同学间的友谊。这次活动也给了我们一次很好的锻炼机会，在感受到产品设计不易的同时，也收获了成功的喜悦。 一、问题的发现在日常生活中，我们经常会看到一些需要进行安全检查的场合，安全人员能够用仪器检查身上是否有金属物品，并且能及时报警。比如现在参加高考，在进入考场之前监考员会对参加考试的学生进行检查。那么这是什么仪器，是怎样做到这一点的呢？这引起了研究小组的兴趣。为了一探究竟，研究小组通过各种途径去了解，原来是这些物品内部设计有金属探测和播放电路，所以具有了“透视”的功能。于是，研究小组在教师的指导下尝试设计制作了这样一个电路：它实现了金属探测和报警功能，而且所用元器件少，制作简单，操作也很方便。经过改进也可以制作出汽车探测、流量统计、电梯楼层控制、生产设备位置检测、生产设备开发设计、电子产品设计、游乐设备开发、金属接近开关、人体内金属探测和山内寻金元宝探测等功能。二、主要研究过程在高一通用技术课中学习过相关知识，我们首先组成了学习小组，并进行了分工。小组成员及主要分工见下表。成员 分工皮远耀 喻哲 查找分析、资料沈佳丽 施蓓蕾 购买工具、材料小组合作 电路设计、制作沈佳丽 施蓓蕾 撰写报告采用的主要研究方法为：1.文献法：主要通过上网检索，查找相关资料，寻求所需的知识；2.咨询法：向指导教师咨询研究遇到的问题；3.试验法：在设计过程中，试验电路的正确性。金属探测电路的设计，重点是LC振荡电路的理解。通过网上查询和指导教师的介绍，我们选用了LC振荡电路作为电路的核心器件。该器件技术成熟，只需搭接少量元器件，即可实现金属检测和报警功能。三、试验电路验证1.制作材料和工具(1)元器件的选择见下表元器件 介绍PCB板 采用印刷板上的铜皮导线形成电感电容 100UF25V电解电容 104瓷片电容 222涤纶电容三极管 9018 9015 9012各一个蜂鸣器 SOT塑封封装有源蜂鸣器 长声电阻 220k 2.2k定值电阻 100欧蓝白电位器外接电源 2节5号干电池、带开关电池座(2)制作工具及材料：电烙铁、数字万用表、剥线钳、松香、焊锡丝和连接细导线。2.工作原理用表格中介绍的元器件 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，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。焊接好后的调试：L1、L2采用印刷板上的铜皮导线形成电感，无需另外制作电感，电路板用十多个元件，可靠性很高，一般都能正常工作。安装好后接上电源，调节电位器到刚好不发声(不靠近金属的情况下)，用印刷板制成的电感靠近金属，此时应该发声，远离金属后应该停止发声，若远离不能停止发声，就把电位器逆时针方向调一下再试，直到符合要求为止。3.制作过程电路的制作主要是完成焊接，按照电路原理图，另外再用22AWG导线焊接即可。焊接时要注意以下几点。(1)电烙铁外壳要良好接地，以免感应电压击穿元器件；(2)线路的布局要合理，避免导线间的干扰；(3)扬声器正负极不可接反，否则扬声器不能正常工作；(4)两个定值电阻2.2K，色环是红红黑棕棕220K，色环是红红黑橙棕；(5)三个三极管不能焊错，三个三极管都是不同型号的，注意区分；(6)供电电压3到5伏，不能使用旧的电池，需使用两节新电池。四、进一步思考制作完成后，我们利用前面介绍的方法，对电路进行测试，发现金属检测性能一般，只能检测离得较近较大的金属。我们查阅了相关资料，讨论分析之后,确定原因主要是线圈制成的电感天线的缘故，我们直接利用PCB板制成电感，使得效果一般。如果利用电感相关知识增加Q值，检测小金属性能就能得到提高，或者另外选用更大面积的感应天线成品，检测距离会增加，效果会更加完美。后期我们会尝试进一步优化，并将电路应用到具体产品的设计中去。虽然此次我们的设计并不完美，但这次研究性学习让我们有了一次全新的学习体验，受益良多。我们在动手实践中学习，丰富了知识，提高了动手水平，增强了发现问题、解决问题的能力。在研究的整个过程中，小组的每一位成员积极承担各自的任务，制作中互相的配合，出现问题一起查资料、讨论，其乐融融，增进了同学间的友谊。这次活动也给了我们一次很好的锻炼机会，在感受到产品设计不易的同时，也收获了成功的喜悦。

文章来源：《电子设计工程》 网址: http://www.dzsjgc.cn/qikandaodu/2020/0603/343.html