自制金属探测器

概述：在电路基础和大学物理中，讲到过金属中的涡流现象。金属在交变的电磁场中，由于磁力线切割导体，会产生涡流。涡流也会产生电磁场，反过来影响周围的电磁场。利用这个原理，就可以检测到交变磁场中是否有金属存在。

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知识点：三极管电流源，运放整流电路，比较器，涡流检测

所需物料：

电路原理图：

原理介绍。Q1三极管作为电流源，信号源控制Q1电流源对线圈进行驱动。信号源设置为3V直流偏置，4Vpp的峰峰值，频率10KHz。

         这样Q1中的电流直流部分为

（3V-0.7V）/R5=（3000-700）mV/100Ω=23mA

        Q1中的交流部分为

4V/R5=4Vpp/100Ω= 40mApp

        如果要增加Q1中的驱动电流。则减小R5的阻值。

        再来看一下线圈的耦合方式。

        放置线圈时，先固定A线圈，然后左右移动B线圈，调整B线圈和A的重回部分C的大小。这样A产生的磁力线可以在B线圈相消（实际中调节使尽量相消）。这样当有金属物体从线圈上方经过，则会产生涡流，并扰乱B的磁力线平衡。这样B的输出就会产生信号（实际中是有金属时信号幅度会变大）。

        信号的检测是使用了均值检测电路，先将线圈B感应的信号用U1A进行放大，然后经过整流电路U1B和U1C，整流后经过RC低通，检测信号中的直流值。最后用U1D对直流进行放大。（注，用信号源输出直流来调节U1D的直流偏置，使没有金属时U1D输出尽可能的为零。这样U1D只放大需要的直流信号。）有金属在的时候，这个直流值会增大。

硬件实物图：

调试测试过程：

        从原理图来看，本电路具有清晰的级数，每一级的输入和输出是调试信号检测的重点。所以，调试本电路，采用逐级调试的方法。断开每一级，从第一级开始调试，正常后再连接后级，以此类推。直到联调成功。

        线圈驱动调试。

        使用双路示波器进行双踪测量。同时观察信号源和三极管的E极。根据测试结果查看是否到达设定的直流和交流值。

开启电源给电路供电

设置信号源S1给电路提供激励信号

        打开示波器观察信号，在测量区点击右键，添加AIN1和AIN2这两个通道的直流值和峰峰值测量值。

        可以看到通道2的直流在2.26V ≈ 2.3V的计算值。峰峰值 AIN1为4.08Vpp，AIN2为3.93Vpp，两者近似相等。波形无明显失真，三极管正常驱动线圈。

        第二步，调节U1A的放大器。

        并且调节线圈的距离。使检测线圈的磁力线尽量抵消。输出幅度最小。

        先用双踪示波器观察U1A的输入和输出，检测放大功能是否正常。可以看到放大器输出信号无失真，放大倍数用交流有效值计算，gain= 72.85/0.936=77.8倍。跟理论计算 1+100k/1k= 101倍有差别。考虑到频率在10k，uA741的带宽1M，在放大100倍时受到了放大器带宽的影响，达不到101倍的放大。从工程角度看，70多倍的放大也够用了。

        调节线圈A和B之间的距离

        也就是调节重合区域的大小。（小技巧，调节时先用手放置在一个差不多的位置，然后贴上胶布，再用木杆或者塑料杆轻推B线圈重合区域的边沿，直到信号输出最小。）

        接下来测试调试均值检测部分。

        跟前面的放大器先断开，使这一级单独工作。用S2提供测试信号，4路示波器同时测量，观察整个波形变化和峰值检测的过程。

        信号源的设置，小技巧：先设置低频 500Hz用于测试，这样可以排除运放的带宽限制带来的波形失真，便于跟理论计算对应。功能正常后，再输入高频。运放的带宽，二极管的关断和导通速度，都会影响波形。只要平均值能跟随信号峰峰值线性变化就可以使用。

        示波器的测量结果。可以看到，U1C是反向加法器，将AIN1信号和AIN2信号相加后，就得到整流后的信号。并且整流后信号AIN3的直流和AIN4的直流很接近。说明RC滤波器成功将AIN3的直流取出。（R2值得精确性影响AIN3红色信号峰值得高低匹配）

        调试直流放大级

        将前面测试好的电路连接起来。准备测试直流放大级U1D。用AIN１测试RC滤波后进入U1D正相端的直流，用AIN2测试输出。用信号源S2输出直流来调零。这个时候线圈上方不要有金属。

        先用AIN1测试直流值，再将测试的直流值数字配置到信号源，然后细调信号源直流。（注意AIN2的Y轴档位要变化，因为直流量发生较大变化）

        AIN1测试直流61.2mV，所以信号源S2先配置61mV，然后再根据AIN2的测试结果调节到64mV。使AIN2尽量接近0.

         调试比较器

        调零完毕后，将比较器接入电路，调节电位器电压AIN2处，比没有金属时的直流高出100mV。这样当有金属时，AIN1处的电压升高，高过AIN2处电压时，比较器输出高，LED灯发光。

总结：

        通过以上步骤的示例，相信同学们已经将电路联调成功。工程中，逐个单元调试，逐级调试，是一个有效的方法。信号源和示波器在调试中由信号源提供已知信号，示波器观察电路在已知信号下是否正常。所以在制作电路前，应该先会理论分析电路，知道什么样的波形是正确的。也可以通过仿真来了解电路的工作情况和原理。这样在实际中才能游刃有余。

        这个金属探测小制作，将所学的电路基础，模拟电子线路的几个基本原理融合在一起，既学习了电路的应用，又制作出一个好玩的工具。充分说明模电不难学不无聊。