電子高頻金屬探測器原理

　　談起金屬探測器，人們就會(huì)聯(lián)想到探雷器，工兵用它來探測掩埋的地雷。金屬探測器是一種專門用來探測金屬的儀器，除了用于探測有金屬外殼或金屬部件的地雷之外，還可以用來探測隱蔽在墻壁內(nèi)的電線、埋在地下的水管和電纜，甚至能夠地下探寶，發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的金屬物體。金屬探測器還可以作為開展青少年國防教育和科普活動(dòng)的用具，當(dāng)然也不失為是一種有趣的娛樂玩具。

　　工作原理 由金屬探測器的電路框圖可以看出，本金屬探測器由高頻振蕩器、振蕩檢測器、音頻振蕩器和功率放大器等組成。

　　高頻振蕩器

　　由三極管VT1和高頻變壓器T1等組成，是一種變壓器反饋型LC振蕩器。T1的初級(jí)線圈L1和電容器C1組成LC并聯(lián)振蕩回路，其振蕩頻率約200kHz，由L1的電感量和C1的電容量決定。T1的次級(jí)線圈L2作為振蕩器的反饋線圈，其“C”端接振蕩管VT1的基極，“D”端接VD2。由于VD2處于正向?qū)顟B(tài)，對(duì)高頻信號(hào)來說，“D”端可視為接地。在高頻變壓器T1中，如果“A”和“D”端分別為初、次級(jí)線圈繞線方向的首端，則從“C”端輸入到振蕩管VT1基極的反饋信號(hào)，能夠使電路形成正反饋而產(chǎn)生自激高頻振蕩。振蕩器反饋電壓的大小與線圈L1、L2的匝數(shù)比有關(guān)，匝數(shù)比過小，由于反饋太弱，不容易起振，過大引起振蕩波形失真，還會(huì)使金屬探測器靈敏度大為降低。 振蕩管VT1的偏置電路由R2和二極管VD2組成，R2為VD2的限流電阻。由于二極管正向閾值電壓恒定（約0.7V），通過次級(jí)線圈L2加到VT1的基極，以得到穩(wěn)定的偏置電壓。顯然，這種穩(wěn)壓式的偏置電路能夠大大增強(qiáng)VT1高頻振蕩器的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步提高金屬探測器的可靠性和靈敏度，高頻振蕩器通過穩(wěn)壓電路供電，其電路由穩(wěn)壓二極管VD1、限流電阻器R6和去耦電容器C5組成。 振蕩管VT1發(fā)射極與地之間接有兩個(gè)串聯(lián)的電位器，具有發(fā)射極電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，其電阻值越大，?fù)反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，VT1的放大能力也就越低，甚至于使電路停振。RP1為振蕩器增益的粗調(diào)電位器，RP2為細(xì)調(diào)電位器。

　　高頻振蕩器探測金屬的原理

　　調(diào)節(jié)高頻振蕩器的增益電位器，恰好使振蕩器處于臨界振蕩狀態(tài)，也就是說剛好使振蕩器起振。當(dāng)探測線圈L1靠近金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處于臨界態(tài)的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩所需的最低能量而停振。如果能檢測出這種變化，并轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)，根據(jù)聲音有無，就可以判定探測線圈下面是否有金屬物體了。

　　振蕩檢測器

　　振蕩檢測器由三極管開關(guān)電路和濾波電路組成。開關(guān)電路由三極管VT2、二極管VD2等組成，濾波電路由濾波電阻器R3，濾波電容器C2、C3和C4組成。在開關(guān)電路中，VT2的基極與次級(jí)線圈L2的“C”端相連，當(dāng)高頻振蕩器工作時(shí)，經(jīng)高頻變壓器T1耦合過來的振蕩信號(hào)，正半周使VT2導(dǎo)通，VT2集電極輸出負(fù)脈沖信號(hào)，經(jīng)過π型RC濾波器，在負(fù)載電阻器R4上輸出低電平信號(hào)。當(dāng)高頻振蕩器停振蕩時(shí)，“C”端無振蕩信號(hào)，又由于二極管VD2接在VT2發(fā)射極與地之間，VT2基極被反向偏置，VT2處于可靠的截止?fàn)顟B(tài)，VT2集電極為高電平，經(jīng)過濾波器，在R4上得到高電平信號(hào)。由此可見，當(dāng)高頻振蕩器正常工作時(shí)，在R4上得到低電平信號(hào)，停振時(shí)，為高電平，由此完成了對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的檢測。

　　音頻振蕩器

　　音頻振蕩器采用互補(bǔ)型多諧振蕩器，由三極管VT3、VT4，電阻器R5、R7、R8和電容器C6組成?；パa(bǔ)型多諧振蕩器采用兩只不同類型的三極管，其中VT3為NPN型三極管，VT4為PNP型三極管，連接成互補(bǔ)的、能夠強(qiáng)化正反饋的電路。在電路工作時(shí)，它們能夠交替地進(jìn)入導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，產(chǎn)生音頻振蕩。R7既是VT3負(fù)載電阻器，又是VT3導(dǎo)通時(shí)VT4基極限流電阻器。R8是VT4集電極負(fù)載電阻器，振蕩脈沖信號(hào)由VT4集電極輸出。R5和C6等是反饋電阻器和電容器，其數(shù)值大小影響振蕩頻率的高低。

　　互補(bǔ)型多諧振蕩器的工作原理

　　接通電源時(shí)，由于VT3基極接有偏置電阻器R1、R3而被正向偏置，假設(shè)VT3集電極電流處于上升階段，VT4基極電流隨之上升，導(dǎo)致VT4集電極電流劇增，VT4集電極電位隨之迅速升高，由VT4輸出的電流通過與之相連的R5向C6充電，流經(jīng)VT3的基極入地，又導(dǎo)致VT3基極電流進(jìn)一步升高。如此反復(fù)循環(huán)，強(qiáng)烈的正反饋使得VT3、VT4迅速進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，VT4集電極處于高電平，使多諧振蕩器進(jìn)入第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)過程。隨著電源通過飽和導(dǎo)通的VT4經(jīng)R5向C6充電，當(dāng)VT3基極電流下降到一定程度時(shí)，VT3退出飽和導(dǎo)通狀態(tài)，集電極電流開始減小，導(dǎo)致VT4集電極電流減小，VT4集電極電位下降，這一過程又進(jìn)一步加劇了向C6充電電流迅速減小，VT3基極電位急劇降低而使VT3截止，VT4集電極迅速跌至低電平，多諧振蕩器翻轉(zhuǎn)到第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。多諧振蕩器剛進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，先前向C6充電的結(jié)果，其電容器右端為正，左端為負(fù)，現(xiàn)在C6右端對(duì)地為低電平，由于電容器C6兩端電壓不能躍變，故VT3基極被C6左端負(fù)電位強(qiáng)烈反向偏置，使兩只三極管在較長時(shí)間繼續(xù)保持截止?fàn)顟B(tài)。在C6放電時(shí)，電流從電容器右端流出，主要流經(jīng)R5、（R8）、R9、VT5發(fā)射結(jié)入地，又經(jīng)過電源、R6、R1、R3流回電容器C6左端。直到C6放電結(jié)束，電源繼續(xù)通過上述回路開始對(duì)C6反向充電，C6左端為正。當(dāng)C6兩端的電位上升至0.7V，VT3開始進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，經(jīng)過強(qiáng)烈正反饋，迅速進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使電路再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，重復(fù)先前的暫穩(wěn)態(tài)過程，如此周而復(fù)始，電路產(chǎn)生自激多諧振蕩。從電路工作過程可以看出，向C6充電時(shí)，充電電阻器R5電阻值較小，因此充電過程較快，電路處在飽和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間很短；而在C6放電時(shí)，需要流經(jīng)許多有關(guān)電阻器，放電電阻器總的數(shù)值較大，因而放電過程較慢，也就是說電路處于截止時(shí)間較長。因此，從VT4集電極輸出波形占空比很大，正脈沖信號(hào)的脈寬很窄，其振蕩頻率約330Hz 。

　　功率放大器

　　功率放大器由三極管VT5、揚(yáng)聲器BL等組成。從多諧振蕩器輸出的正脈沖音頻信號(hào)經(jīng)限流電阻器R9輸入到VT5的基極，使其導(dǎo)通，在BL產(chǎn)生瞬時(shí)較強(qiáng)的電流，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。由于VT5處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時(shí)間又非常短，因此功率放大器非常省電，可以利用9V積層電池供電。

　　調(diào)試與使用方法

　　金屬探測器電路除了靈敏度調(diào)節(jié)電位器外，沒有調(diào)整部分，只要焊接無誤，電路就能正常工作。整機(jī)在靜態(tài)，也就是揚(yáng)聲器不發(fā)聲時(shí)，總電流約為10mA，探測到金屬揚(yáng)聲器發(fā)出聲音時(shí)，整機(jī)電流上升到20mA。一個(gè)新的積層電池可以工作20～30小時(shí)。

　　新焊接的金屬探測器如果不能正常工作，首先要檢查電路板上各元器件、接線焊接是否有誤，再測量電池電壓及供電回路是否正常，穩(wěn)壓二極管VD1穩(wěn)定電壓5.5～6.5V之間，VD2極性不要焊反。探測碟內(nèi)振蕩線圈初次級(jí)及首尾端不要焊錯(cuò)。

　　金屬探測器使用前，需要調(diào)整探測桿的長度，只要將黑膠通旋松，推拉膠通套管至適宜的長度，再旋轉(zhuǎn)膠內(nèi)通管，使電纜線繞緊，并使手柄尖端朝上，最后將黑膠通旋緊，鎖住膠通套管。這樣，手握探測器手柄時(shí)，大拇指正好緊挨靈敏度調(diào)節(jié)電位器。

　　調(diào)整金屬探測器靈敏度時(shí)，探測碟（振蕩線圈）要遠(yuǎn)離金屬，包括帶鋁箔的紙張，然后旋轉(zhuǎn)靈敏度細(xì)調(diào)電位器旋鈕（FINE TUNING）打開電源開關(guān)，并旋轉(zhuǎn)到一半的位置，再調(diào)節(jié)粗調(diào)電位器旋鈕（TUNING），使揚(yáng)聲器音頻叫聲停止，最后再微調(diào)細(xì)調(diào)電位器，使揚(yáng)聲器叫聲剛好停止，這時(shí)金屬探測器的靈敏度最高。用金屬探測器探測金屬時(shí)，只要探測碟靠近任何金屬，揚(yáng)聲器便會(huì)發(fā)出聲音，遠(yuǎn)離到一定位置叫聲自動(dòng)停止。

　　本公司設(shè)計(jì)的金屬探測器有較高的靈敏度，用它探測大塊金屬時(shí)，探測碟距金屬物體20cm揚(yáng)聲器就會(huì)發(fā)出聲音，小到曲別針，甚