自制高頻振蕩金屬探測器

談起金屬探測器,人們就會聯想到探雷器,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的電線、埋在地下的水管和電纜,甚至能夠地下探寶,發現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的用具,當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的初級線圈L1和電容器C1組成LC并聯振蕩回路,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處于正向導通狀態,對高頻信號來說,“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,能夠使電路形成正反饋而產生自激高頻振蕩。振蕩器反饋電壓的大小與線圈L1、L2的匝數比有關,匝數比過小,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),通過次級線圈L2加到VT1的基極,以得到穩定的偏置電壓。顯然,這種穩壓式的偏置電路能夠大大增強VT1高頻振蕩器的穩定性。為了進一步提高金屬探測器的可靠性和靈敏度,高頻振蕩器通過穩壓電路供電,其電路由穩壓二極管VD1、限流電阻器R6和去耦電容器C5組成。 振蕩管VT1發射極與地之間接有兩個串聯的電位器,具有發射極電流負反饋作用,其電阻值越大,負反饋作用越強,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電位器,RP2為細調電位器。

高頻振蕩器探測金屬的原理

調節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,也就是說剛好使振蕩器起振。當探測線圈L1靠近金屬物體時,由于電磁感應現象,會在金屬導體中產生渦電流,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,并轉換成聲音信號,根據聲音有無,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電路和濾波電路組成。開關電路由三極管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。在開關電路中,VT2的基極與次級線圈L2的“C”端相連,當高頻振蕩器工作時,經高頻變壓器T1耦合過來的振蕩信號,正半周使VT2導通,VT2集電極輸出負脈沖信號,經過π型RC濾波器,在負載電阻器R4上輸出低電平信號。當高頻振蕩器停振蕩時,“C”端無振蕩信號,又由于二極管VD2接在VT2發射極與地之間,VT2基極被反向偏置,VT2處于可靠的截止狀態,VT2集電極為高電平,經過濾波器,在R4上得到高電平信號。由此可見,當高頻振蕩器正常工作時,在R4上得到低電平信號,停振時,為高電平,由此完成了對振蕩器工作狀態的檢測。

音頻振蕩器

音頻振蕩器采用互補型多諧振蕩器,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,連接成互補的、能夠強化正反饋的電路。在電路工作時,它們能夠交替地進入導通和截止狀態,產生音頻振蕩。R7既是VT3負載電阻器,又是VT3導通時VT4基極限流電阻器。R8是VT4集電極負載電阻器,振蕩脈沖信號由VT4集電極輸出。R5和C6等是反饋電阻器和電容器,其數值大小影響振蕩頻率的高低。

互補型多諧振蕩器的工作原理

接通電源時,由于VT3基極接有偏置電阻器R1、R3而被正向偏置,假設VT3集電極電流處于上升階段,VT4基極電流隨之上升,導致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VT3的基極入地,又導致VT3基極電流進一步升高。如此反復循環,強烈的正反饋使得VT3、VT4迅速進入飽和導通狀態,VT4集電極處于高電平,使多諧振蕩器進入第一個暫穩態過程。隨著電源通過飽和導通的VT4經R5向C6充電,當VT3基極電流下降到一定程度時,VT3退出飽和導通狀態,集電極電流開始減小,導致VT4集電極電流減小,VT4集電極電位下降,這一過程又進一步加劇了向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,多諧振蕩器翻轉到第二個暫穩態。多諧振蕩器剛進入第二暫穩態時,先前向C6充電的結果,其電容器右端為正,左端為負,現在C6右端對地為低電平,由于電容器C6兩端電壓不能躍變,故VT3基極被C6左端負電位強烈反向偏置,使兩只三極管在較長時間繼續保持截止狀態。在C6放電時,電流從電容器右端流出,主要流經R5、(R8)、R9、VT5發射結入地,又經過電源、R6、R1、R3流回電容器C6左端。直到C6放電結束,電源繼續通過上述回路開始對C6反向充電,C6左端為正。當C6兩端的電位上升至0.7V,VT3開始進入導通狀態,經過強烈正反饋,迅速進入飽和導通狀態,使電路再次發生翻轉,重復先前的暫穩態過程,如此周而復始,電路產生自激多諧振蕩。從電路工作過程可以看出,向C6充電時,充電電阻器R5電阻值較小,因此充電過程較快,電路處在飽和導通狀態時間很短;而在C6放電時,需要流經許多有關電阻器,放電電阻器總的數值較大,因而放電過程較慢,也就是說電路處于截止時間較長。因此,從VT4集電極輸出波形占空比很大,正脈沖信號的脈寬很窄,其振蕩頻率約330Hz 。

功率放大器

功率放大器由三極管VT5、揚聲器BL等組成。從多諧振蕩器輸出的正脈沖音頻信號經限流電阻器R9輸入到VT5的基極,使其導通,在BL產生瞬時較強的電流,驅動揚聲器發聲。由于VT5處于開關工作狀態,而導通時間又非常短,因此功率放大器非常省電,可以利用9V積層電池供電。

調試與使用方法