TM88型金屬探測器工作原理分析

TM88型金屬探測器工作原理分析

[日期：2011-12-07] 來源： 作者：廣西 潘云忠 [字體：大 中 小] 工作原理

TM88型金屬探測器主要由探測頭（亦稱探頭）、振蕩分頻電路、探測發(fā)射電路、選頻放大電路、相位分割電路、相位同步選通放大電路、采樣保持電路（又稱記憶保持電路）、調(diào)諧限幅放大電路、音頻電路、電壓變換電路等組成。它是利用電磁感應(yīng)原理，即交流電通過的線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場，這個磁場能在金屬物體內(nèi)部感生渦電流．渦電流又會產(chǎn)生磁場，反過來影響原來的磁場，經(jīng)探測器相關(guān)電路檢測放大等處理后控制相關(guān)電路發(fā)出報警聲。TM88型金屬探測器的電路原理如附圖所示。其工作原理如下：

1．探頭（密封在一個圓型的塑料盒內(nèi)）。它由接收線圈L5、發(fā)射線圈L3、反饋線圈LA以及諧振電容C51等組成。其中反饋線圈LA與發(fā)射線圈L3反向串聯(lián)和C51-起形成LC諧振電路，把發(fā)射電路送來的交流信號選頻后向空中發(fā)射。

反饋線圈阻L4與接收線圈L5繞在同一線圈上．發(fā)射電磁信號在未檢測到金屬信號時，發(fā)射線圈參數(shù)與接收線圈參數(shù)處于一個平衡穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)探頭發(fā)射線圈13產(chǎn)生的交變磁場接觸到金屬物體時，其磁場發(fā)生變化，印發(fā)射線圈固有參數(shù)會隨著金屬物體性質(zhì)（如鐵質(zhì)與非鐵質(zhì)金屬）的不同或接近金屬的距離不同而發(fā)生變化。反饋線圈lA將這些變化信號感應(yīng)至接收線圈L5．接收線圈L5將這些變化信號選頻后送入后級選頻放大電路進一步處理。

2．振蕩分頻電路。它由U9(CD4060)與外圍元件組成。

其中U9的(10)、(11)、(12)腳與外圍晶振x等元件構(gòu)成3.9MHz主振頻率，經(jīng)內(nèi)部分頻后由(13)腳與(14)腳輸出約6.99kHz和13.98kHz的方波信號至發(fā)射電路。

(6)腳輸出約27kHz方波信號至電壓變換電路。

(1)腳與(2)腳輸出約874Hz和437Hz的方波信號至音頻電路。

3．探測發(fā)射電路。由QlO~QL14、B3,L2C45、C46、D23-D26等組成。010為發(fā)射前置倒相電路，Qll、Q12與Q13、Q14等組成復(fù)合式推挽功率放大電路，經(jīng)放大的高頻信號由B3次級輸出。B3次級線圈與C45組成LC并聯(lián)諧振；L2與C46組成LC串聯(lián)諧振。經(jīng)選頻后得到的高頻交流信號通過電纜線送入探頭內(nèi)的發(fā)射線圈向空間輻射。二極管D23~D26等構(gòu)成與門電路，使U9內(nèi)部分頻器輸出至發(fā)射管的方波占空比降低，發(fā)射管導(dǎo)通時間縮短，以降低發(fā)射管的功耗。

4．U1(NEC5534)與外圍元件等構(gòu)成放大倍數(shù)約80dB的前置低噪聲選頻放大器。它對被測信號頻率的放大增益最高，非被測信號頻率放大倍數(shù)較低。經(jīng)Ul放大的信號送人后級相位分割電路進行放大處理。

5．相位分割電路。它由雙運放U2(LM412)與外圍元件構(gòu)成。其中U2A將前級送來的信號進行反相放大，放大后送至下一級電路進行相位調(diào)節(jié)、選通和放大（該路用作金屬性質(zhì)的識別）。U2B將前級送來的信號進行同相放大，放大后送至下一級電路進行相位調(diào)節(jié)、選通和放大（該路用作全金屬探測，稱地平衡）。

6．相位同步選通放大電路。它由四運放Ul0（TL084）、比較器Ull(LM393)、雙運放U3(LM412)、電子開關(guān)U13(CD4053)、場效應(yīng)管Q15、Q16(K246)等組成。其中UlOA、UlOB、UllA、015、U3B與U13等構(gòu)成地平衡電路的相位調(diào)節(jié)與選通放大；R11、R12、C13等組成地平衡系統(tǒng)直流信號濾波器；W2為地平衡電路的相位調(diào)節(jié)電位器。ULOC、UlOD、UllB、U3A、Q16與U13等構(gòu)成金屬識別探測的相位調(diào)節(jié)與選通放大；R13、R14、C14等組成識別系統(tǒng)直流信號濾波器；WI為金屬識別電路系統(tǒng)的相位調(diào)節(jié)電位器�！暗仄胶狻焙汀弊R別”通過操作方式開關(guān)Kl-2切換；撥至“地平衡”擋時，“地平衡”相位調(diào)節(jié)電路UIOA、UlOB、Ull工作．C21耦合送來的發(fā)射信號進入相位同步選通電路進行相位調(diào)節(jié)后，由Ull控制U13同步選通探頭所檢測到的同相位純金屬信號通過（與此通過的假信號被濾波電路濾掉），得到純金屬直流信號通過送人下一級電路進一步處理。在全金屬探測過程中，可通過調(diào)節(jié)W2微調(diào)相位來排除地下土壤層的“礦化反應(yīng)”�！暗V化反應(yīng)”是由構(gòu)成土壤的各種礦物質(zhì)對探頭發(fā)出的電磁波造成的影響，使儀器發(fā)出假信號，迷惑操作人員。

操作人員可通過調(diào)節(jié)W2．利用假信號與純金屬信號存在相位差的關(guān)系，同步選通將它們區(qū)別分開，使真正金屬信號通過，達到排除地面“礦化反應(yīng)”的影響，使探測頭從空間靠近地面時不會發(fā)出報警聲，只有在遇到金屬時才會發(fā)出報警信號，從而提高探測深度和精度。當(dāng)K1-2撥在“識別”擋時，“識別”相位調(diào)節(jié)電路UlOC.UlOD、Ull、Q16工作，由C23耦合送來的發(fā)射信號送入相位同步電路進行相位調(diào)節(jié)，與前級送來的接收信號進行相位比較等處理后，同步選通同相位純金屬信號通過，經(jīng)濾波器濾波后得到純直流金屬信號送至下一級電路進一步處理。調(diào)節(jié)W2可以選擇鐵質(zhì)金屬和非鐵質(zhì)金屬（又稱有色金屬）信號通過。之所以能識別金屬性質(zhì)，是因為當(dāng)產(chǎn)生交變電流的`線圈靠近金屬物體時，由于線圈周圍的交變磁場存在，在金屬物體上便會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流常稱為渦電流，其數(shù)值大小除與交變電流的頻率有關(guān)外，還跟金屬物體的導(dǎo)電率有關(guān)。有色金屬導(dǎo)電性較好，導(dǎo)電率較大。鐵質(zhì)金屬導(dǎo)電性差，導(dǎo)電率較小。導(dǎo)電率越小，渦電流越大，所引起的能量損耗也越大。渦電流所產(chǎn)生的磁場又反作用于原磁場，使探頭線圈的原有參數(shù)發(fā)生變化。

有色金屬使原線圈的LC諧振回路諧振頻率升高，鐵質(zhì)金屬使LC回路的諧振頻率降低。這樣調(diào)節(jié)識別電位器W2，可以改變選通電路的相位，讓不同性質(zhì)的金屬相位信號通過。

7．采樣保持電路又稱記憶保持電路。金屬探測器為高放大倍數(shù)直流放大器，它會受外界信號的干擾或愛溫度等因素的影響，使直流放大器產(chǎn)攔漂移而無法正常工作。為此TM88型金屬探測器在直流放大器輸出和輸入端之間加入了一個采樣保持電路。它實際為反饋伺服電路。

該電路由U4~U6、Q17(K246)、Q18(K246)等組成。其中U6(CA3140)為伺服反饋電路，它的正輸入端接地，負(fù)輸入端由R24、C17連接至輸出端，構(gòu)成一個反向積分放大器。直流放大器U4(OP07)的輸出漂移電壓始終由U6自動控制反向調(diào)節(jié)。U6為手動伺服電路，在探測前，按下記憶按鈕K3，Q18導(dǎo)通，則U4的輸出端通過R16、R20、Q18迅速加到U6的負(fù)輸入端，使U6反向調(diào)節(jié)U4而迅速回歸零（保證U4霉輸出）。

U5(LM393)與D29、D30等組成自動跟蹤伺服電路，無論U4出現(xiàn)正或負(fù)漂移，U5始終自動跟蹤U6的負(fù)輸入端，保證U4在無探測時為零輸出。

直流電表接在U4輸出端，作探測和直流工作狀態(tài)指示。

8，調(diào)諧限幅放大電路。它由U7(OP07)、U8(OP07)、W4、D3、D4等組成。其中U7為放大器，U8為限幅器。前級送來的直流信號經(jīng)W3（稱靈敏度調(diào)節(jié)器）、R30、R31加到U7的負(fù)輸入端；W4稱臨界聲調(diào)節(jié)器，即在使用時，調(diào)節(jié)W4使儀器剛好發(fā)出微弱的聲音（這種聲音稱為臨界聲）。U7的輸出端通過R33加到U8的負(fù)輸入端．R37、R38分壓所得的基準(zhǔn)電壓加到U8的正輸入端。當(dāng)U7輸出電壓低于U8正輸入端的基準(zhǔn)電壓時，U8輸出端為正，D4載止，對U7正輸入端無影響，保證U7能正常放大。如U7輸出端輸出電壓高于U8正輸入端基準(zhǔn)電壓時．U8輸出為負(fù)，D4導(dǎo)通，使U7正輸出端的電位降低，則其輸出電壓也隨之降低，這樣達到了限幅作用．保證末級功放不會過載損壞。

9．音頻電路。它由Q4(BS170)、Q5(9014)、Q6(D882)等組成。U9內(nèi)部分頻信號分別由(1)、(2)腳輸出。經(jīng)D21、D22、R87構(gòu)成的與門電路得到占空比為1/4、頻率約440Hz的音頻方波信號加到場效應(yīng)管Q4的柵極，對限幅電路送至Q4漏極的直流信號進行調(diào)制，經(jīng)Q5、Q6放大后，送人喇叭發(fā)出報警聲。

10．該機的供電由兩組電源組成。其中12V電源為音頻電路和發(fā)射電路供電，整個電路裝在一塊小電路板上（稱為小板）；6V電源為信號處理電路供電，整個電路裝在一塊大電路板上（稱為大板）。該機設(shè)置兩組電壓變換電路。一組由Q7(9014)、Q8(9014)、Q9(D882)、B2等組成，將12V電源變換為穩(wěn)定的13V電源供小板發(fā)射電路供電。另一組由Q1(9014)、Q2(9014)、Q3(D882)、Bl等組成，它將6V電源變換為穩(wěn)定的13V電壓，并經(jīng)U12(OP07)與R67、R68等構(gòu)成電壓跟隨器，轉(zhuǎn)換為正負(fù)6,5V電源供大板電路供電。

兩組電源變換器的啟動脈沖由U9內(nèi)部將振蕩信號分頻后由(6)腳獲得，變換后的電壓分別由各自的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電阻W5、W6調(diào)整決定。

發(fā)光二極管Dll、D12分別為6V、12V電源電量指示，當(dāng)各自電壓低于一定值時，發(fā)光二極管熄滅，表示電量不足，需更換電池。

K4為設(shè)定／常規(guī)選擇開關(guān)，當(dāng)撥在設(shè)定時，Q17(K246)導(dǎo)通，采樣保持電路的反饋伺服電路反應(yīng)加快，促使它迅速反向調(diào)節(jié)U4快速歸零，達到快速檢測金屬位置。使用該擋后，探測深度會受到一定影響。

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