电子信息工程论文 基于电感式传感器的金属探测器设计.docx

级电子信息工程专业毕业论文设计密级公开学号衡水学院毕业论文设计基于电感式传感器的金属探测器设计论文作者指导教师系别物理与电子信息系专业电子信息工程年级2013级提交日期2017年4月18日答辩日期2017年5月05日王波基于电感式传感器的金属探测器设计毕业论文设计学术承诺本人郑重承诺所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不存在抄袭情况论文中不包含其他人已经发表的研究成果也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果作者签名日期毕业论文设计使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留使用毕业论文的规定即学校有权保留或向有关部门送交毕业论文的原件或复印件允许论文被查阅和借阅学校可以公开论文的全部或部分内容可以采用影印缩印或其他复制手段保存论文及相关资料作者签名指导教师签名日期日期级电子信息工程专业毕业论文设计论文题目基于电感式传感器的金属探测器的设计摘要金属探测器可以感应看不到的东西内的金属夹杂物或埋在地下的金属金属检测器的最简单的形式由一个的振荡器产生一个交变电流穿过线圈产生交变磁场如果一块导电金属接近线圈涡流会感应出的金属并将产生其自己的磁场本设计本着设计简单研发难度小研发周期简单能投入生产的原则设计了这款金属探测器经实际验证该金属探测器工作十分稳定本设计的实现不仅在性能上有所提高还降低了生产成本为以后金属探测器的生产和发展提供了新的思路关键词金属探测器电感式传感器电涡流振荡器王波基于电感式传感器的金属探测器设计TITLEDESIGNOFMETALDETECTORBASEDONINDUCTANCETYPETRANSDUCERMetaldetectorscanbeinducedtoseethingsinsidethemetallicinclusionsorburiedmetalThesimplestformofmetaldetectorbyanoscillatorproducinganalternatingcurrentthroughthecoilproducesalternatingmagneticfieldIfapieceofelectricallyconductivemetalisclosetothecoileddycurrentinductionofmetalandwillproduceitsownmagneticfieldThisdesigninlinewiththesimpledesignresearchanddevelopmentdifficultyissmallsimpledevelopmentcyclescanputintoproductiontheprincipleofthiskindofmetaldetectorisdesignedIthasbeenverifiedbytheactualthemetaldetectorsworkverystableThisdesignimplementationnotonlyontheperformanceimprovementloweringtheproductioncostfortheproductionofmetaldetectorsanddevelopmentprovidesanewtrainofthoughtKeywordsMetalDetectorInductanceTypeTransducerEddyCurrentOscillator级电子信息工程专业毕业论文设计目录摘要IAbstractII1绪论111选题的目的及意义112国内外研究现状113课题的设计目标22电感式传感器分类及原理321电感式传感器322自感式传感器工作原理323差动变压器式传感器工作原理424电涡流式传感器工作原理63金属探测器设计831金属探测基本原理8311高频振荡电路8312电涡流和振荡回路联系9313实物作品的电路设计与调试932探测器灵敏度和稳定性10321灵敏度10322稳定性11结语12参考文献13致谢14级电子信息工程专业毕业论文设计第页共页1绪论11选题的目的及意义金属探测器能够检测周围金属的存在的设备金属探测器可以感应看不到的东西内的金属夹杂物或埋在地下的金属如今金属探测器还大面积的被各种举办大型活动的单位维护社会治安的机关以及国家暴力机关使用用来安全检查一些公司用金属探测器用来防盗搜检现阶段的金属探测器致力于追求高精度低成本在人们的生产生活中起到重要作用就金属探测器的探究来说有极大的实际意义因此有必要对这一课题进行精细周密的研究12国内外研究现状金属探测器在1920年伊始有了现代意义的进步格哈德费舍尔创造性的研制出无线电测向系统用于精准的定位和引路这个系统工作的非常好但费舍尔注意到地形上含有岩矿石的地区有异常现象他认为无线电波束可能被金属扭曲如此一来理论上就可以使用在射频上的共振的搜索线圈来检测金属1925年他被授予金属探测器的第一项专利紧接着在20世纪70年代科技在进步金属探测器有了新的历史任务安全搜检其大面积的用于机场安全搜检边境检查以及警察办案也就是今时今日大家所常见的金属探测器最开始的样子这就是说这个社会对安检的理解已经上升到了一个全新的层面这样一来安检这个人们陌生的行业就这么敲开了市场的大门由于我国安检业的蓬勃繁荣成长我国金属探测器制造厂家大批的涌现出来但外国研制的探测器一贯据有我国大部分市场机场原则性的不使用国产的金属探测器之所以造成这个局面主要原因是国产金属探测器技术上有瑕疵进而得不到有关部门签发的许可证书实际情况是我国金属探测器的技术攻关和制造最近这些年有了长足的进步一大批贪图蝇头小利的公司由于在研制环节投机取巧导致产品质量下降进而口碑不好产品本质上达不到安检标准民航业取得长足进步的同时犯罪分子和恐怖分子的视线逐渐转移到客机上他们做出一些危及旅客人身安全的行为使世界各大航空公司以及机场不得不把安全检查摆在头等位置这样一来机场就越来越重视金属探测门的应用了在1970年到1980年基于电感式传感器的金属探测器设计第页共页这十年间因为金属探测器在实际生活中尤其是在各航空公司的安全搜查中的效果极其明显一些比较正式盛大的活动和当局的安保逐步重视起来金属探测器发挥的至关重要的作用1980年伊始监狱服刑人员大面积持械斗殴的事件越来越多相关方面对待此类恶性事件严肃了起来怎样预防此类恶性事件的发生摆上了议事日程除了狱警在强化对在押人员管束之外金属探测器又一次当作对服刑人员安全管理不可或缺的辅助装置1990前后电子信息产品备受关注一些规模较大的企业为了控制住员工偷盗公司产品这一局面逐渐开始把金属探测器应用到产品防盗领域这一举措效果极其明显如此一来金属探测器又被赋予了新的历史任务从最初的金属探测器问世到现今随着技术的革新不论从哪个方面来说它都比当初的产品拥有更优越的性能因此它也普及到了许多产业13课题的设计目标本文叙述的金属探测器是基于电磁感应原理凭着电感式传感器来完成对金属的搜索然后转换成声音信号实现如下功能探测有金属外壳或金属部件的物体探测掩藏在墙体中的电线分布地面下的管道和电缆级电子信息工程专业毕业论文设计第页共页2电感式传感器分类及原理电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移压力流量振动等转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化测量是以电磁感应原理为基础完成的紧接着通过设计好的用来测量这些数据的电路把这些数据转换为电压或电流的增减量并且输出这样的设备就叫做电感传感器电感式传感器有很多优点运行稳定基本不会受到外界干扰测得准零点不漂移耐用等但也有缺点面对移动较快的物体时测值精度低显示的数值两个极值相差大时分辨率和示值准确度会下降等此类传感器可以完成数据的隔空输送在如今自动控制工业盛行的时代被大面积引入电感式传感器种类很多将被测量的增减量转变成自感L变动的传感器一般叫做自感式传感器将被测量的增减量转变成互感系数改动的传感器叫做差动变压式传感器其他另有基于涡流原理的电涡流式传感器22自感式传感器工作原理这类传感器是通过自感量的改动来完成衡量构造如图21所示它由三个独立的部件线圈铁芯和衔铁组装而成铁芯和运动的磁体由导磁物质如硅或坡莫做成铁芯和运动磁体两者间存在气隙气隙的距离记做传感器的活动的部件与运动的磁体连接被测量有增减量的时候运动的磁体会有一段位移这样一来磁路中磁阻会发生改变然后线圈的电感量就会发生变换所以仅需知道电感量的变动值就可以知道运动磁体位移量的变化这就是变磁阻式传感器的工作原理图21自感式传感器构造原理图基于电感式传感器的金属探测器设计第页共页按照对电感的定义电感量可由下式可知LIWI21式中线圈总磁链I通过线圈的电流W线圈的匝数穿过线圈的磁通由磁路欧姆定律得IWRm22式中Rm为磁路总磁阻就变隙式传感器来说由于气隙非常非常小我们理想的把气隙里面磁场看作是匀称的若果磁路磁损小到可以让我们不算在考虑范围内磁路总磁阻就可以这样表达Rml11A1l22A220A023式中1铁芯材料的导磁率2衔铁材料的导磁率l1磁通通过铁芯的长度l2磁通通过衔铁的长度A1铁芯的截面积A2衔铁的截面积0空气的导磁率A0气隙的截面积气隙的厚度一般气隙的磁阻和铁芯和运动磁体的相比前者会很大即20A0l11A120A0l22A224因而式25可写为Rm20A025联立式21式22及式25可得LW2RmW20A0226根据式26线圈匝数为常数电感L是气隙厚度和气隙截面积A0的函数就是LfA0若是A0不改动只调整那么L是单函数如许变气隙式电感传感器就构造完成若是距离稳定调整A0那么L为A0的单函数这样就构造成了变面积式电感传感器23差动变压器式传感器工作原理通过被检测的增减量转变成线圈互感变动的传感器叫做互感传感器差动变压器本级电子信息工程专业毕业论文设计第页共页身就是变压器初级线圈传递交流电压在次级线圈中出现感应电压一对次级线圈接成差动的结构这样就组成差动变压器如将变压器的构造进一步优化铁芯实现互动将被测量的增减量转变成铁芯的位置变化这样就组装成了差动变压器式传感器因此差动变压器是把被测量转变成初次级绕组的互感量变化设备螺线管式差动变压器的构造布局有两段式和三段式如图22ab所示它由初级线圈一对刺激线圈和位于线圈圆心的柱形铁芯等构成它们当中一对次级线圈反方向串联组成差动布局在理想条件下其等效电路如图23所示当初级线圈接通激励电压时按照变压器的运行方式在一对次级绕组中就应该出现感应电势因为变压器两次级绕组反向串联所以U2E21E220就是说差动变压器输出为零当运动的磁体朝上方迁移时互感量的大小关系是M1M2所以E21变大但E22变小反之E22增加E21减小因为U2E21E22所以当E21E22随着衔铁位移变化时也必将随变化图23展示了差动变压器输出电压与运动磁体位置变化之间的联系曲线下图实线是理想中特性曲线虚线是现实试验得出从图23就能得出差动变压器式传感器有零点残存电压这样一来传感器的特性曲线不会过原点实际特性曲线和理想特性相比是不一样的图22螺线管式差动变压器结构示意图两段式b三段式基于电感式传感器的金属探测器设计第页共页图23差动变压器输出电压额特性曲线24电涡流式传感器工作原理此课题很多地方都有法拉第电磁感应定律的身影块状金属导体在不停在磁场内切割磁感线导体里面会出现旋涡形状电流它被叫做电涡流此类状况被叫做电涡流效应电涡流式传感器的制作方式很多当然也可以依据电涡流效应来制作金属导体里面出现的涡流有趋肤效应由电涡流在导体里面渗透状态电涡流传感器大致有高频反射低频透射两种可就原理看这两种很相似图24电涡流式传感器原理图图24是电涡流传感器的工作运行图当传感线圈通上交变电流后因为电流会改变线圈附近会出现交变磁场让这个磁场里面被测物出现电涡流电涡流因此出现一个交级电子信息工程专业毕业论文设计第页共页变磁场和原磁场相抵消一些所以会出现传感器线圈电感量阻抗品质因数改变情况就是线圈等效阻抗出现改变的状况这些的改变和导体电阻率磁导率形状都有联系同时和线圈参数激磁电流频率f也有联系并且和线圈和导体距离有关系因此可写为ZFrf27上面式子里面r是线圈和导体的尺寸因子若式子里面某一数值改变另外数值没有改变阻抗Z会是改变数值的单值的函数利用测量电路检验阻抗Z如何改变就能检验这个改变的数值如何变化从而完成对此数值的检测图25电涡流示意图此电涡流产生磁场和最先的交变磁场方向相反将最先的交变磁场减弱如图25所示如果将若在图中I1通上交变电流与I1变大的同时会出现方向与I2相同的电涡流它们有I2kdI1dt的联系I2数值如果是负就意味着方向是反的这些数值是固有的我们根本对这些东西做变动但是信号频率f是可以控制的因此当我们把频率提升来让dI1dt的值上升得到想要的稍强的电涡流进而产生更大电涡流使能量尽可能的耦合到金属板上基于电感式传感器的金属探测器设计第页共页3金属探测器设计31金属探测基本原理通过电磁感应和交流电通过线圈来制造出一个变化很快的磁场出现的电场附近如果存在金属则出现涡电流由此就可以检测到金属发射线圈流过电流后出现磁场与电动机出现磁场类似磁场的极性与线圈平面互相垂直由于电流的方向改变磁场的极性跟着变动也就说若线圈与地面平行则磁场方向将不停改变时而与地面垂直往下时而往上与磁场方向不断改变的同时它将和周围所有物体作用造成物体出现极其弱小的磁场物体产生的磁场极性和发射线圈磁场极性是相反的如果因发射线圈而出现的磁场方向与地面垂直向下则目标物产生的磁场就与地面垂直向上因用于发射的线圈出现磁场根本影响不到用于接收的线圈可用作接收的线圈会受到因地面以下物所出现的磁场影响这样一来接收线圈位于地面以下物体的上面线圈则出现微弱电流引发探测器发出鸣声311高频振荡电路根据电涡流效应如果想进行金属检测高频振荡线圈就一定要出现在电路中线圈部分系统里要想得到高频振荡波形有外来的激进或者正反馈放大器自激励两种方法考虑到电路简单便于制作等因素如图31所示高频振荡电路包括L1L2还有它们中间互感M组成反馈的回路三极管和它们的同一端相连就组成了正反馈图31高频振荡电路级电子信息工程专业毕业论文设计第页共页312电涡流和振荡回路联系图32说明了振荡回路内电流电流的联系线圈周围出现金属物体因L1出现的磁场与因电涡流出现的磁场是相反的因此会相抵一些也就是说L1L2互感M改变由此L2的反馈电流减小三极管基极电流减小晶体管具有非线性同时此部分系统具有自稳幅特点它们或许可以取得一个稳态并减小振幅来继续运作或许越过晶体管正常运作范畴造成幅度无法完成停止振动图32振荡回路中的电流关系313实物作品的电路设计与调试如图33Q1L1L2C2C3R1W组成高频振荡电路改变滑动变阻器W阻值可以改变振荡效果让振荡器保持临界状态也就是说振荡器刚刚要开始振动Q2Q3组成检测电路振荡电路正常运作振荡交流电压大于06VQ2则将于负半周接通将C4短路然后让Q3断电探测元件L1与被测物体接近时导体内部将出现涡电流振荡电路内部损耗会上升正反馈效果降低此时振荡效果降低能量也随之减少不足以完成振荡而停止振动令Q2截止R2给C4充电Q3通电推动蜂鸣器发声由蜂鸣器是否发声来检测此处有没有金属32探测器灵敏度和稳定性探测器的技术特性包括其灵敏度稳定性通常情况下矿山里面常见的探测器灵敏度稍低但食品药品领域的探测器灵敏度会相对较高目前的探测器还不能做到灵敏度和稳定性都很高与此同时在保证稳定性的前提下只能降低其灵敏度就目前状况来看在生产领域对探测器灵敏度的要求一直得不到满足今后在这方面还需基于电感式传感器的金属探测器设计第页共页要再加大研究力度图33整体电路图321灵敏度目前市面上有很多的探测器种类他们运行的原理不尽相同所以如何去确定灵敏度也不同干扰它的几大原因列明如下1仪器工作的频率振荡回路LC影响仪器工作频率在选定电容后影响灵敏度的原因是电路一般来说灵敏度随着频率而变化但频率上升空间是有一定范围的频率增大会造成线圈电容对其影响变大这样就导致线圈的电阻值上升从而就变得不那么容易发现金属频率在检测金属的过程中起着很重要的作用同时在频率的选取上也很复杂要严格按照当时的外部情况检测的物体的具体情况并反复实验来选取2检测线圈的尺寸一般来说线圈可以制成圆椭圆或方形线圈的大小影响着仪器灵敏度线圈大检测时掠过面积就大这样一来线圈中间的灵敏度变得较小线圈周围灵敏度就变得较大3检测线圈的匝数由实验经验得出线圈的大小不变匝数数值小它的灵敏度就会上升因为振荡条件的局限性并且和另外的数值也须相呼应这样一来匝数不可随意削减一般来说都是用实验的方法来决定匝数稳定性稳定性与下列因素有关1根据振荡频率公式电感变化导致振荡频率的改变和级电子信息工程专业毕业论文设计第页共页电容变化导致振荡频率的改变效果是相同的因此制作线圈时应把线圈屏蔽再与地想接2探测器运做期间因为外部因素的改变部分元器件的数值随之变化从而导致系统的稳定性变化为此要采取一定措施基于电感式传感器的金属探测器设计第页共页结语本设计首先介绍了探测金属探测的理论依据当有金属靠近通电线圈平面附近时将发生线圈介质条件和涡流效应两个现象根据电磁感应原理来设计金属探测器硬件电路的设计包括高频振荡电路滑动变阻器检测电路声音报警电路探测线圈通过这些电路及电子元件将磁场强度信号变为电压信号推动蜂鸣器发声通过本次毕业设计使我了解基于电感式传感器的原理组件的生产及金属探测器的应用还有电感式传感器的一些优缺点通过这段时间的学习我更加了解到金属探测器的重要性它为安检及其它相关行业提供了可靠的保障此外我还认识到电感式传感器的金属探测器的几个缺点其探索深度不广受环境影响无法排除一切干扰在探测深度较深时很无能为力级电子信息工程专业毕业论文设计第页共页参考文献1吴炜严利平鲍志业陈科电感传感器金属探测定位系统设计J新器件新技术2015554602魏翔宇浅谈传感器在金属探测方面的发展与应用J研究探讨2014911183HpatiAYLDC1000DatasheetEBOL201412httpwwwhpaticom4洪文峰魏立峰智能金属探测器设计J工矿自动化201339441435邱玉泉刘世伟陈小波苏勇勇段钊金属检测报警系统的设计与研究J学术研究全面感知2016328316王剑锋基于LDC1000电感到数字转换器的金属探测器J新特器件201523181671697郑忠楷蒋学程罗志灶基于电涡流效应的金属探测器的设计与分析J实验技术术201311054158王茹茹宋开宏明军潘煜天吴振飞基于开放线圈系统金属探测仪传感器的特性分析J电子科学与工程20153833553779王小红基于平衡线圈技术的金属探测器设计D辽宁辽宁科技大学201610吴文池李成林潘潇刘国华金属物体探测定位装置J测量与控制20152323859111任景平孟立凡窦超金属探测仪系统设计与实现J技术与应用20142009212512杨勇曲晓东刘志珍侯延进一种改进的高灵敏度金属检测系统J硬件纵横20143317232913吴先球基于闭合式圆形线圈系统金属探测仪传感器的研究D安徽安徽大学201614FreescaleFreescaleKinetisMK60DatasheetEBOL201412httpwwwfreescalecom15王丽梅左莹莹双直线电机XY平台的模糊滑模轮廓控制J电气自动化201441315基于电感式传感器的金属探测器设计第页共页致谢在论文完成之际我要感谢我的指导老师侯晓云老师论文从选题结构安排文字处理直至最终定稿的全过程无一不是在侯晓云老师的悉心指导严格要求和亲切关怀下完成的另外还要感谢大学四年所遇到的每一位老师有了你们对知识的无私奉献让我在大学期间不仅学到了很多专业知识更让我学会了如何做人与做事最后对毕业设计中给我帮助的指导教师答疑人员以及同学们表示深深的谢意