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畢業(yè)設(shè)計論文-金屬探測器的研究與設(shè)計-展示頁

2025-06-14 01:00本頁面
  

【正文】 屬物靠近通電線圈平面附近時,無論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化還是金屬的渦流效應(yīng)均能引起磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的變化。 德州學(xué)院 2021 屆 電子信息工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 3 另一方面 ,置于該交變磁場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生自行閉合的渦電流,渦流要產(chǎn)生附加的磁場與外磁場方向相反會削弱線圈磁場的變化。 當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)出現(xiàn)非鐵磁性金屬物時,由于非鐵磁性金屬的相對磁導(dǎo)率1r?? ,所以,磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會隨 r? 的減小而減小。 圖 21 環(huán)形載流導(dǎo)線的磁場 由公式( 21)可知,當(dāng)線圈有效探測范圍 [3]內(nèi)無金屬物時, 1?r? (非金屬的相對磁導(dǎo)率),線圈中心磁感 應(yīng)強(qiáng)度 B 保持不變。 進(jìn)入 20世紀(jì) 90年代,迅速升溫的電子制造業(yè) [2]成了這個時代的寵兒,大型的電子公司為了減少產(chǎn)品的流失、結(jié)束員工與公司之間的尷尬局面,陸續(xù)采用了金屬探測門和手持金 德州學(xué)院 2021 屆 電子信息工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 2 屬探測器,作為管理員工行為、減少產(chǎn)品流失的利刃,于是金屬探測器又有了它的新作用產(chǎn)品防盜。同時,由于金屬探測門在機(jī)場安檢中嶄露頭角,大型運動會、展覽會及政府安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測門。作為探雷器由于軍事的保密需要,隨后的 20年金屬探測器沒有得到大的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。目前還廣泛用于各種大型會議中心、體育場管公檢法、監(jiān)獄系統(tǒng)及娛樂場所的安全檢查和工廠企業(yè) [1]的防偷檢查,甚至用于對高考作弊檢查。該振幅變化量作為探測信號 , 經(jīng)二極管檢波電路,前置電路放大 , 將電壓轉(zhuǎn)換成電流,后把電流轉(zhuǎn)換成頻率,最后將這個變化量轉(zhuǎn)換成音頻信號 , 驅(qū)動揚聲器,使揚聲器所發(fā)的聲音發(fā)生改變 , 音頻信號隨被測金屬物體的大小及距離變化而變化。 德州學(xué)院 2021 屆 電子信息工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 1 提供全套畢業(yè)論文,各專業(yè)都有 金屬探測器的研究與設(shè)計 陳亮 (德州學(xué)院 物電學(xué)院 ,山東德州 253023) 摘 要 金屬探測器是專門用來探測金屬的儀器,廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、安檢、娛樂等領(lǐng)域, 本文設(shè)計的金屬探測是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的,將一金屬置于變化的磁場當(dāng)中時,根據(jù)電磁感應(yīng)原理就會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流,渦流產(chǎn)生的磁場反過來又影響原磁場,這種變化可以轉(zhuǎn)換為頻 率和幅值的變化,供相關(guān)電路進(jìn)行檢測。由正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波,流過探頭線圈產(chǎn)生交變電磁場,在被測金屬物體中感應(yīng)出渦流 , 渦流產(chǎn)生反作用于探頭 , 使探頭線圈阻抗發(fā)生變化 , 從而使探測器的振幅也發(fā)生變化。 關(guān)鍵詞 金屬探測; 電磁感應(yīng)原理; 振蕩電路; 放大電路; 電壓電流轉(zhuǎn)換電路 1 緒論 金屬探測器 是一種專門用來探測金屬的儀器,探測有金屬外殼或金屬部件的地雷,還可以用來探測隱蔽在墻壁內(nèi)部的電線、埋在地下的水管電纜,甚至能夠地下探寶考古,發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的金屬物體。 早在 20世紀(jì) 40年代二戰(zhàn)期間,出于戰(zhàn)爭的需要,軍隊就使用了差拍式金屬探測器來排查地雷。 20世紀(jì) 70年代隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展 ,劫機(jī)和危險事件的發(fā)生使航空和機(jī)場安全逐漸受到重視,于是在機(jī)場眾多設(shè)備中,金屬探測門被用來充當(dāng)排查違禁物品的重要角色。 20世紀(jì) 80年代,監(jiān)獄暴力案件呈直線上升趨勢,如何及早預(yù)防并阻止暴力案件發(fā)生成了監(jiān)獄管理工作中的重中之重,在依靠警員對囚犯加強(qiáng)管理的同時,金屬探測門再次成為了美國、英國、比利時等發(fā)達(dá)國家監(jiān)獄管理機(jī)構(gòu)必備的安檢設(shè)備;與此同時西方興起的 “探寶熱 ”,也使金屬探測器取得了長足的發(fā)展。 2 金屬探測理論依據(jù) 電磁感應(yīng)原理 金屬探測器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測金屬的,對于如圖 21 所示的半徑為 R的單匝圓形電感線圈,當(dāng)其中通過交變電流oswlI mcI?時,線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場D 根據(jù)畢奧 薩伐爾定律可計算出線圈中心軸線上 一點的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 為: wlRxIRRxIRrIRdlrRrIRdBdB mrx c os)(2)(224s i n 232220232223220 22??????? ? ????????? ? ( 21) 其中 r??? 0? , ? 為介質(zhì)的磁導(dǎo)率, r? 為相對磁導(dǎo)率, 0? 為真空磁導(dǎo)率。 當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時,由于鐵磁性金屬的相對磁導(dǎo)率 1?r? ,所以,磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會隨 r? 的增大而增大。由此可見,金屬的出現(xiàn)會使介質(zhì)的磁導(dǎo)率發(fā)生變化,從而引起線圈周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化。金屬的電導(dǎo)率 ? 越大,線圈中通過的交變電流的頻率 ? 越大,則渦電流強(qiáng)度就越大,對原磁場的抑制作用越強(qiáng)。 本設(shè)計正是基于上述理論,尋找一種適合的傳感器來感應(yīng)金屬的出現(xiàn)而引起的線圈磁場變化并把磁場信 號的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化,從而實現(xiàn)單片機(jī)的控制。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量,另外還具有體積小,靈敏度高,頻率響應(yīng) 寬等特點,應(yīng)用極其廣泛 [4]。 根據(jù)法拉第定律,當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流 1I時,線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場 1H,使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 2, I又產(chǎn)生新的交變磁場 2H。 由上可知,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)。因此,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: Z=F( ρ, μ, r, f, x) 式中 :r——線圈與被測體的尺寸因子。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。模型中把在被測 金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效2R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 由以下公式求得: 210 )( fuh r???? ( 22) 式中 : f—線圈激磁電流的頻率。圖中 2R為電渦流短路環(huán)等效電阻,其表達(dá)式為: inrrhR ln22 ??? ( 23) 德州學(xué)院 2021 屆 電子信息工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 5 圖 23 電渦流傳感器簡化模型 圖 24 電渦流傳感器等效電路 根據(jù)基爾霍夫第二定律,可列出如下方程: 1..2. 11. 11 jwjw UILILIR ??? 式中 : ω——線圈激磁電流角頻率; 1R、 L——線圈電阻和電感; 2——短路環(huán)等效電感; ——短路環(huán)等效電阻。 線圈的等效品質(zhì)因數(shù) Q 值為 Q=eqeqRwL 綜上所述,根據(jù)電渦流式傳感器的簡化模型和等效 [6]電路,運用電路分析的基本方法得到的方程式,即為電渦流基本特性。當(dāng) x 一定時,電渦流密度 J 與半徑 r 的關(guān)系曲線如圖 25 所示。 Jr 為半徑 r 處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。 ② 電渦流密度在短路環(huán)半徑 r=0 處為零。 ④ 可以用一個平均半徑為))(( 2/rrrr aiasas ??的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流(圖中陰影部分)。根據(jù)線圈 —導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用,可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度中 : 1I——線圈激勵電流; 2——金屬導(dǎo)體中等效電流; x——線圈到金屬導(dǎo)體表 面距離; asr——線圈外徑。 ② 當(dāng)利用電渦流式傳感器 [7]測量位移時,只有在 x/ 1as(一般取 ~ )的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度。 設(shè)計思路 : 利用控頭線圈產(chǎn)生交變電磁場在被測金屬物體中感應(yīng)出渦流 , 渦流產(chǎn)生反作用于探頭 , 使探頭線圈阻抗發(fā)生變化 , 從而使探測器的振幅也發(fā)生變化 。 總體方案方框圖
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