手持式金属探测器设计

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电子电路设计与方案

0 引言

我国人口数量庞大，公共安全问题一直是政府面临的巨

大难题和挑战。在春节、国庆和各种小长假中，人们出行探亲旅游的意愿愈发强烈，但这也更加凸显了交管部门和景区入口等场所面临的巨大安检压力。近年来，我国公共安全管理水平已经得到大幅提升，进行人身安全检查是保障旅客人身安全的重要预防措施，检测手段也逐步多样化，而手式金属探测器就是应用最为广泛的安检设备之一。本文设计了一款基于线圈电磁感应原理进行金属探测的手持式金属探测器，电路采用模拟电子技术设计完成，电路体积小、易于操作使用、实用性强，对于微小金属物品的探测也十分灵敏。

1 探测原理

金属探测器是利用线圈的电磁感应原理来探测金属的，

即利用有交流电通过的线圈，产生周期性变化的磁场，周期性变化的磁场在空间产生涡旋电场，当涡旋电场遇到金属

时，会在金属物体内部感生出涡电流，涡电流又会产生附加的反向磁场，并作用于原磁场，使线圈的输出电压和阻抗发生变化，从而引发探测器发出鸣叫。

2 电路设计与工作原理

■2.1 电路组成

电路、振荡检测电路和报警电路。其中，电源电路用于将一节9V 电池提供的电源转换成各部分功能电路所需要的电源值；高频振荡电路的作用是将电源提供的直流电变为频率一定的交流信号，形成稳定的频率源；振荡检测电路用于检测选频放大电路工作状态的微弱变化；报警电路主要用于产生正常工作的状态指示和探测到金属后的声光报警信息。金属探测器原理框图如图1

所示。

■2.2 电源电路

考虑到该金属探测器设计为手持式，因此在供电源的选

择上采用了简单、可充电的9V 碱性层叠电池，该电池可满

足探测器日常使用需要，又可重复充电使用，大大减少了耗

材损耗，性价比较高，电源电路设计如图2所示。电路工作原理：9V 电源的输出端通过保护二极管D7连接选择开关，通过向上或向下滑动开关触头，选择当前报警模式，如声光报警或振动报警，而无论在哪种报警模式下，由保护稳压管D7输出的9V 电源同步为探测器正常工作指示灯和集成稳压器7805进行供电。其中，状态指示电路由9V 电源与限流电阻R11和绿色发光二极管D1串联构成，用于探测器在正常开机状态下的状态指示；7805与电容C8、C5主要用于DC-DC 变换，得到稳定的5V 电压输出，是较为典型的电源电路。电源电路整体设计简单实用，仅一粒电池搭配几个元器件就可满足各电路设计中对9V、5V 两种不同电源的

设计使用需要。

■2.3 高频振荡电路

手持式金属探测器设计

胡洁微，周宦银，吕子勇，胥飞燕，谢艳辉

（陆军防化学院，北京，102205）

摘要：本文利用线圈的电磁感应原理设计了一款金属探测器，对探测器的主要功能电路进行了设计和工作原理分析，采用虚拟仿真和实际搭建电路两种方式对主要功能电路进行了验证。探测器采用模拟电子技术设计完成，电路结构紧凑、体积小、易于操作使用，对于微小金属物品的探测灵敏度也十分理想。关键词：金属探测器；高频振荡；振荡检测

图1 金属探测电路原理框图

20 | 电子制作 2019年10月

该电路为LC 正弦波振荡电路，通过调节电感L1、电容

C1、C2、C3，可以在集电极的输出端产生几赫兹到几十兆

赫兹的正弦交流电，其中电容C2、C3与电阻R1构成正反馈电路，反馈电压在电容C3两端；三极管Q1构成共基极放大电路，C4作为交流接地电容。通电时，在电路中激起

的微小扰动信号反馈到C3两端，通过设置合适的静态工作点，可使三极管在上电初始阶段工作于放大状态，扰动电压经过三极管放大后再输出到集电极c，因为集电极与基极同相位是正反馈，所以信号不断放大，当到达一定值时，三极管Q1截止，C4开始充电，感应线圈中有电流流过，C2再次开始充电，C3上的电压通过并联的电阻R1放电，e 极的

E E 较器的状态发生翻转。

若电路不报警，则V E >0，该值引入电压比较器的反相

输入端⑥脚，与同相输入端⑤脚比较后，⑦脚输出低电平，并使二极管D6导通，D6导通后⑦脚最终钳位在-500mV

左右，二极管D5截止，-500mV 电位传递到同相输入端③脚，

则①脚比较结果输出低电平，无法触发声光报警电路，电路不报警。

若电路报警，则V E 将降低到0V 以下，即V E <0，该

值引入电压比较器的反相输入端⑥脚，与同相输入端⑤脚比较后，⑦脚输出高电平，使二极管D6截止，经过电阻R19、二极管D5导通，③脚最终被钳位到D5的导通压降

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生报警信号。

■2.5 报警电路

报警电路主要用于检测到金属物质时产生红色光报警

信息和鸣叫或振动声报警信息。声报警电路主要由选择开关S、保护二极管D9、D10、电阻R4、蜂鸣器、偏心电机及开关三极管Q2构成；光报警电路由9V 电源、限流电阻R9、R10、开关三极管Q3和红色发光二极管D2组成，电路如图5所示。触发电路报警的信号由振荡检测电路中的

当集成运放①管脚输出低电平时，电路不报警，此时三

极管Q2、Q3均处于截止状态，声报警电路没有形成通路，

无论蜂鸣器和偏心电机均不响，且低电平信号无法使发光二极管D2导通，所以红色二极管不点亮，只有正常工作的绿色指示灯D1点亮；当集成运放①管脚输出高电平时，电路报警，此时三极管均处于导通状态，则蜂鸣器响或偏心电机振动，且由于发光二极管三极管Q3导通，因此，正常工作的绿色指示灯D1被三极管的集-射极短路、不亮，红色

发光二极管D2因为①脚输出的高电平信号而正向导通、被点亮。

3 结束语

为验证金属探测器电路设计的正确性，本设计中采用

虚拟仿真和实际搭建电路两种方式对主要功能电路进行了验证，虚拟仿真软件采用Multisim10。其中，对图3中的高频振荡电路和图4中的振荡检测电路采用了借助虚拟仿真的手段对电路的主要器件参数进行了设定，并验证了电路原理功能的正确性；对图2中的电源电路和图5中的声光报警电路则采用了实际搭建电路和电路实测的方法进

行功能验证和主要器件参数的确定。电路的PCB 尺寸约为71mm×71mm，十分小巧，该设计通过设定参数，完全可

以实现对微小金属的精准探测。

参考文献

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