簡易金屬探測器的制作

郭若城 丁浩天 張曉宇 張蓓

摘? 要 該項(xiàng)目致力于靈敏度、外觀、特定需求方向得到創(chuàng)新的金屬探測器。本項(xiàng)目基于應(yīng)用實(shí)踐，制作的金屬探測器具有探測槍支、管制刀具等危險(xiǎn)品的功能，能夠廣泛應(yīng)用于實(shí)踐工作中。完成電路設(shè)計(jì)之后對其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提升金屬探測器的探測靈敏度，還在外觀方面有所改進(jìn)。其易于制作，還能激發(fā)學(xué)生科學(xué)好奇心，注重創(chuàng)新實(shí)踐。

關(guān)鍵詞 金屬探測器;創(chuàng)新項(xiàng)目;Multisim;MATLAB

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）14-0033-04

1 前言

當(dāng)今世界，金屬已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于人們的日常生產(chǎn)與生活中。金屬探測器作為一種探測設(shè)備，主要有三大類，分別是電磁感應(yīng)型、X射線檢測型、微波檢測型。金屬探測器在生產(chǎn)與生活中的安檢、勘測等方面的應(yīng)用舉足輕重。在礦物勘測、安全檢查、工程實(shí)踐和工業(yè)生產(chǎn)中，由于檢測對象存在差異，對金屬探測器的需求也各不相同，這些需求的差異主要體現(xiàn)在金屬探測器的靈敏度上。本創(chuàng)新項(xiàng)目將按照不同的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)并制作一款擁有諸多功能與特色的簡易金屬探測器：能探測到的金屬最小體積近似于鑰匙大小;能探測到距離線圈5 cm的金屬;外形美觀，握持舒適，符合人體工程學(xué)原理;使用9 V可充電電池。

2 方案的設(shè)計(jì)

方案的確定? 本項(xiàng)目的電路圖大多相對簡單，由于所有的方案都使用了電磁感應(yīng)型，為了提升金屬探測器的靈敏度，設(shè)計(jì)了不同的方案，主要使用了一個(gè)電路圖，是以555定時(shí)器和RLC諧振電路為核心的探測電路。除此之外，提升靈敏度的關(guān)鍵還在于金屬探測器探測線圈的制作。本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)三種不同的電感線圈，主要區(qū)別在于骨架形狀和電感線纏法。在手柄外形方面，本項(xiàng)目著重設(shè)計(jì)了一種手柄。

電路的設(shè)計(jì)及其相關(guān)原理

1）基于555定時(shí)器的電路設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目的第一種電路方案如圖1所示，從電路圖中可以看到，該電路圖非常簡單，其主要部分只有一個(gè)555定時(shí)器和一個(gè)RLC電路模塊。

2）電路原理。RLC電路部分是金屬探測器中的檢測電路部分，此電路可以產(chǎn)生特定頻率的交流電，頻率取決于RLC電路中元件的參數(shù)。555定時(shí)器作為電路中的多頻振蕩器，將從TRI引腳連接的RLC電路中輸入電信號進(jìn)行處理，并輸出與輸入信號同頻率的方波。其中電感L1即電感線圈，其中的高頻電流會在附近空間產(chǎn)生變化的磁場，進(jìn)而在金屬中引發(fā)渦流，渦流產(chǎn)生的磁場反過來干涉線圈，使得電感值發(fā)生變化;RLC電路產(chǎn)生的交流電頻率發(fā)生改變，使得蜂鳴器發(fā)出的聲音頻率也發(fā)生變化，使用者注意到聲音的變化后，就會意識到探測到了金屬[1]。

3）電路的分析及優(yōu)化。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

工程師可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無須懂得深入的SPICE技術(shù)，就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真、再到原型設(shè)計(jì)和測試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程[2]。

用Multisim軟件對電路進(jìn)行仿真，由于項(xiàng)目使用的蜂鳴器內(nèi)阻是8 Ω，其中用8 Ω電阻代替蜂鳴器，仿真電路圖如圖2所示。示波器的一通道測量的是L1和C1串聯(lián)電路部分電壓即輸入信號，在圖中是綠色線;L1是直接探測金屬的電感線圈，而藍(lán)色線即示波器的二通道是蜂鳴器兩端電壓，即輸出信號。

經(jīng)過仿真得到的RLC部分和蜂鳴器部分的波形如圖3所示。電阻R1兩側(cè)為一定頻率的正弦波，在圖中即綠色曲

線;蜂鳴器兩側(cè)為同頻率的方波，在圖中即藍(lán)色曲線。實(shí)際上，當(dāng)模擬添加金屬芯而增大電感L1時(shí)，綠色正弦波的頻率就會因此改變，而藍(lán)色方波也會隨之而變。理論上，在電感L1=10 mH時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音頻率[3]f=1550 Hz。

在電感附近尤其是影響磁通量大小的地方出現(xiàn)金屬后，L1的電感值也隨之而變，但其會由金屬的體積、材料性質(zhì)和線圈的距離決定。為了得到蜂鳴器發(fā)出頻率f隨電感L1的數(shù)學(xué)關(guān)系，使用電子電路仿真軟件Multisim對不同電感值的電路進(jìn)行擬合，得到一組不同電感值對應(yīng)的蜂鳴器頻率數(shù)據(jù)，如表1所示。使用數(shù)學(xué)軟件MATLAB對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[4]，采用指數(shù)擬合公式，得到結(jié)果為：

f=4844.1L-0.495

由此函數(shù)的性質(zhì)可知，其是一個(gè)單調(diào)遞減函數(shù)，求f對L的導(dǎo)數(shù)，可知曲線的斜率單調(diào)減少：

由此可知，若線圈的電感值變化相同的值，線圈電感的值相對較小時(shí)，蜂鳴器的聲音頻率變化越明顯。人耳能聽到的聲音頻率范圍是20～20000 Hz，為了保證其靈敏度，在設(shè)計(jì)電路中，電感線圈初始電感值L<20 mH，以保證聲音能夠得到分辨。

金屬探測器感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)

1）線圈骨架的設(shè)計(jì)。對探測器金屬線圈的設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目總共設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)了三種方案。

第一種方案的線圈骨架是一個(gè)刨面為工字型的圓盤，線圈全部纏繞在骨架外側(cè)圓周上，圓盤外直徑110 mm，內(nèi)直徑90 mm，高度16 mm，提供給電感線圈的空間高度是

10 mm，圓盤上方附著一個(gè)把手，當(dāng)下方出現(xiàn)金屬時(shí)就會出現(xiàn)反應(yīng)。其設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

第二種方案是從圓心孔向外，圍繞垂直于圓盤平面且通過圓心的軸沿著圓心孔圓周切線方向進(jìn)行回旋，電感線附著在圓盤上。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是骨架薄、質(zhì)量輕，其形狀類似于CD光盤，外直徑100 mm，內(nèi)孔直徑20 mm，厚度只有3 mm。但是，這種電感線纏繞方法會給手柄的添加增加困難，可能需要將所有的線纏繞完成，才能將手柄與線一起用液體膠粘在骨架上。

第三種方案和第二種方案所使用的線圈骨架相同，但電感線的繞法不同，是在中間有同心孔的薄圓盤上將線圈通過中心向圓盤外周沿著圓盤半徑方向進(jìn)行纏繞，其繞法類似于磁環(huán)電感。

第二種和第三種方案設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

2）線圈電感值的計(jì)算。對于第一種方案，根據(jù)公式推導(dǎo)的線圈電感計(jì)算公式為（單位是H）：

其中，R為線圈的平均半徑，l為線圈的總長度，N為線圈的總匝數(shù)，t為線圈的厚度，k為長岡系數(shù)，C為由l/t決定的系數(shù)。公式中各量均采用國際單位，待定系數(shù)C參照值如表2所示，長岡系數(shù)參照值如表3所示[5]。

第二種方案可以視為第一種方案的特殊情況來計(jì)算，單圓環(huán)電感計(jì)算公式為（單位是H）：

對R積分：

其中，R為圓盤半徑，r為圓環(huán)截面半徑，μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0=4π*10-7，為常數(shù)。公式中各量均采用國際單位。

第三種方案即磁環(huán)電感計(jì)算方法為：

其中，μ為磁導(dǎo)率，N為繞線圈數(shù)，A為有效磁截面積，l為有效磁路長度。

3）線圈實(shí)踐及測試效果。本項(xiàng)目制作了三種線圈方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對所得結(jié)果進(jìn)行橫縱向?qū)Ρ?，最終得到一種較為綜合的電感線圈制作方法。實(shí)驗(yàn)證明，線圈的電感與電阻值會間接影響蜂鳴器的發(fā)聲頻率和頻率，當(dāng)線圈的電感增加時(shí)，其附帶電阻也會不可避免地增加，這會提高蜂鳴器響度。

第一種方案制作的線圈對大體積金屬有一定敏感度，但無法對體積相對小的金屬進(jìn)行探測。

第二種方案制作的線圈相對靈敏，相比其他兩種方案，可探測金屬的種類大大增加。

第三種方案制作的線圈未對被探測金屬有反應(yīng)。

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和不斷地創(chuàng)新，對電路原理圖進(jìn)行了小部分改進(jìn)，改進(jìn)后的電路原理圖如圖6所示。

結(jié)合第一種方案和第二種方案，分別設(shè)計(jì)兩種線圈進(jìn)行串聯(lián)，結(jié)合兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，使得最終成品不僅提高了對小體積金屬的探測靈敏度，而且保持了有效探測面積。同時(shí)，這種方法使得電感量具有一定保證，蜂鳴器的響度很強(qiáng)，可以在使用者使用時(shí)提醒其探測器的工作狀態(tài)。

金屬探測器手柄的設(shè)計(jì)? 考慮到制作的簡易金屬探測器的實(shí)用性與完整性，本項(xiàng)目還設(shè)計(jì)了金屬探測器的手柄，其形狀及尺寸圖如圖7所示。金屬探測器的電路原理圖較為簡單，電路板的尺寸也相對較小。因此，考慮將電路板及電池固定在手柄上，將電感線圈固定在手柄的一端，以滿足成品的易攜帶、外觀簡潔的屬性。考慮到人體工程學(xué)原理，還將手握桿的長度與柄長選定為161 mm和260 mm，二者比值為0.619，約等于黃金分割比0.618，保證了一定的美感。

3 結(jié)語

由于經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展與人類社會的不斷進(jìn)步，金屬已經(jīng)深入人類社會，其原材料和加工制品在人們的日常生活中到處可見。金屬探測器作為金屬存在與否的指示燈、金屬數(shù)量與體積的信號器，廣泛應(yīng)用于人類的各項(xiàng)生產(chǎn)與社會活動中。據(jù)勘測，地殼中24%的元素是金屬，如何加強(qiáng)對金屬的識別與利用依然是今天人類需要解決的問題。在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推動下，金屬回收利用從無到有、從小到大發(fā)展起來。國內(nèi)各大研究單位對金屬材料作了詳盡研究，特別是近幾年來，制造業(yè)快速發(fā)展，特種鋼材、特種合金的生產(chǎn)制造技術(shù)日趨成熟，以其為原材料的制造品逐漸填補(bǔ)了之前國內(nèi)的空白，產(chǎn)品質(zhì)量也不斷提高[6]。制造業(yè)和新材料的發(fā)展也對探測器提出新的要求。在已有的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展創(chuàng)新，不斷思考，才能跟得上時(shí)代的步伐，科技才能得到不斷發(fā)展?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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