電子高頻金屬探測器原理

　　

　　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，除了用於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牆壁內的電線、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

　　由三極體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並聯振蕩迴路，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。由於VD2處於正嚮導通狀態，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，由於反饋太弱，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和二極體VD2組成，R2為VD2的限流電阻。由於二極體正向閾值電壓恆定（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，其電路由穩壓二極體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，甚至於使電路停振。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，恰好使振蕩器處於臨界振蕩狀態，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，由於電磁感應現象，會在金屬導體中產生渦電流，使振蕩迴路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處於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，並轉換成聲音信號，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

　　振蕩檢測器由三極體開關電路和濾波電路組成。開關電路由三極體VT2、二極體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集電極輸出負脈衝信號，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，又由於二極體VD2接在VT2發射極與地之間，VT2基極被反向偏置，VT2處於可靠的截止狀態，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

　　音頻振蕩器採用互補型多諧振蕩器，由三極體VT3、VT4，電阻器R5、R7、R8和電容器C6組成。互補型多諧振蕩器採用兩隻不同類型的三極體，其中VT3為NPN型三極體，VT4為PNP型三極體，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，振蕩脈衝信號由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，由於VT3基極接有偏置電阻器R1、R3而被正向偏置，假設VT3集電極電流處於上升階段，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。如此反覆循環，強烈的正反饋使得VT3、VT4迅速進入飽和導通狀態，VT4集電極處於高電平，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，由於電容器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，使兩隻三極體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，電源繼續通過上述迴路開始對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，重複先前的暫穩態過程，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，也就是說電路處於截止時間較長。因此，從VT4集電極輸出波形佔空比很大，正脈衝信號的脈寬很窄，其振蕩頻率約330Hz 。

　　功率放大器

　　功率放大器由三極體VT5、揚聲器BL等組成。從多諧振蕩器輸出的正脈衝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。由於VT5處於開關工作狀態，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

　　金屬探測器電路除了靈敏度調節電位器外，沒有調整部分，只要焊接無誤，電路就能正常工作。整機在靜態，也就是揚聲器不發聲時，總電流約為10mA，探測到金屬揚聲器發出聲音時，整機電流上升到20mA。一個新的積層電池可以工作20～30小時。

　　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迴路是否正常，穩壓二極體VD1穩定電壓5.5～6.5V之間，VD2極性不要焊反。探測碟內振蕩線圈初次級及首尾端不要焊錯。

　　金屬探測器使用前，需要調整探測杆的長度，只要將黑膠通旋鬆，推拉膠通套管至適宜的長度，再旋轉膠內通管，使電纜線繞緊，並使手柄尖端朝上，最後將黑膠通旋緊，鎖住膠通套管。這樣，手握探測器手柄時，大拇指正好緊挨靈敏度調節電位器。

　　調整金屬探測器靈敏度時，探測碟（振蕩線圈）要遠離金屬，包括帶鋁箔的紙張，然後旋轉靈敏度細調電位器旋鈕（FINE TUNING）打開電源開關，並旋轉到一半的位置，再調節粗調電位器旋鈕（TUNING），使揚聲器音頻叫聲停止，最後再微調細調電位器，使揚聲器叫聲剛好停止，這時金屬探測器的靈敏度最高。用金屬探測器探測金屬時，只要探測碟靠近任何金屬，揚聲器便會發出聲音，遠離到一定位置叫聲自動停止。

　　本公司設計的金屬探測器有較高的靈敏度，用它探測大塊金屬時，探測碟距金屬物體20cm揚聲器就會發出聲音，小到曲別針，甚