為什么它們能“透視”
——金屬探測(cè)功能電路探究活動(dòng)

◎ 熊天則

一、問題的發(fā)現(xiàn)

在日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)看到一些需要進(jìn)行安全檢查的場(chǎng)合，安全人員能夠用儀器檢查身上是否有金屬物品，并且能及時(shí)報(bào)警。比如現(xiàn)在參加高考，在進(jìn)入考場(chǎng)之前監(jiān)考員會(huì)對(duì)參加考試的學(xué)生進(jìn)行檢查。那么這是什么儀器，是怎樣做到這一點(diǎn)的呢？這引起了研究小組的興趣。

為了一探究竟，研究小組通過各種途徑去了解，原來是這些物品內(nèi)部設(shè)計(jì)有金屬探測(cè)和播放電路，所以具有了“透視”的功能。

于是，研究小組在教師的指導(dǎo)下嘗試設(shè)計(jì)制作了這樣一個(gè)電路：它實(shí)現(xiàn)了金屬探測(cè)和報(bào)警功能，而且所用元器件少，制作簡(jiǎn)單，操作也很方便。經(jīng)過改進(jìn)也可以制作出汽車探測(cè)、流量統(tǒng)計(jì)、電梯樓層控制、生產(chǎn)設(shè)備位置檢測(cè)、生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、游樂設(shè)備開發(fā)、金屬接近開關(guān)、人體內(nèi)金屬探測(cè)和山內(nèi)尋金元寶探測(cè)等功能。

二、主要研究過程

在高一通用技術(shù)課中學(xué)習(xí)過相關(guān)知識(shí)，我們首先組成了學(xué)習(xí)小組，并進(jìn)行了分工。小組成員及主要分工見下表。

成員 分工皮遠(yuǎn)耀 喻哲 查找分析、資料沈佳麗 施蓓蕾 購買工具、材料小組合作 電路設(shè)計(jì)、制作沈佳麗 施蓓蕾 撰寫報(bào)告

采用的主要研究方法為：

1.文獻(xiàn)法：主要通過上網(wǎng)檢索，查找相關(guān)資料，尋求所需的知識(shí)；

2.咨詢法：向指導(dǎo)教師咨詢研究遇到的問題；

3.試驗(yàn)法：在設(shè)計(jì)過程中，試驗(yàn)電路的正確性。

金屬探測(cè)電路的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是LC振蕩電路的理解。通過網(wǎng)上查詢和指導(dǎo)教師的介紹，我們選用了LC振蕩電路作為電路的核心器件。該器件技術(shù)成熟，只需搭接少量元器件，即可實(shí)現(xiàn)金屬檢測(cè)和報(bào)警功能。

三、試驗(yàn)電路驗(yàn)證

1.制作材料和工具

(1)元器件的選擇見下表

元器件 介紹PCB板 采用印刷板上的銅皮導(dǎo)線形成電感電容 100UF25V電解電容 104瓷片電容 222滌綸電容三極管 9018 9015 9012各一個(gè)蜂鳴器 SOT塑封封裝有源蜂鳴器 長聲電阻 220k 2.2k定值電阻 100歐藍(lán)白電位器外接電源 2節(jié)5號(hào)干電池、帶開關(guān)電池座

(2)制作工具及材料：電烙鐵、數(shù)字萬用表、剝線鉗、松香、焊錫絲和連接細(xì)導(dǎo)線。

2.工作原理

用表格中介紹的元器件 Q1、L1、L2、C2、C3、R1、W 組成高頻振蕩電路，調(diào)節(jié)電位器W，可以改變振蕩級(jí)增益，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。Q2、Q3組成檢測(cè)電路，電路正常振蕩時(shí)，振蕩電壓交流電壓超過0.6V時(shí),Q2就會(huì)在負(fù)半周導(dǎo)通將C4放電短路，結(jié)果導(dǎo)致Q3截止；當(dāng)探測(cè)線圈L1靠近金屬物體時(shí)，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，使Q2截止，R2給C4充電，Q3導(dǎo)通，推動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。根據(jù)聲音有無，就可以判定探測(cè)線圈下面是否有金屬物體了。

焊接好后的調(diào)試：

L1、L2采用印刷板上的銅皮導(dǎo)線形成電感，無需另外制作電感，電路板用十多個(gè)元件，可靠性很高，一般都能正常工作。安裝好后接上電源，調(diào)節(jié)電位器到剛好不發(fā)聲(不靠近金屬的情況下)，用印刷板制成的電感靠近金屬，此時(shí)應(yīng)該發(fā)聲，遠(yuǎn)離金屬后應(yīng)該停止發(fā)聲，若遠(yuǎn)離不能停止發(fā)聲，就把電位器逆時(shí)針方向調(diào)一下再試，直到符合要求為止。

3.制作過程

電路的制作主要是完成焊接，按照電路原理圖，另外再用22AWG導(dǎo)線焊接即可。焊接時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。

(1)電烙鐵外殼要良好接地，以免感應(yīng)電壓擊穿元器件；

(2)線路的布局要合理，避免導(dǎo)線間的干擾；

(3)揚(yáng)聲器正負(fù)極不可接反，否則揚(yáng)聲器不能正常工作；

(4)兩個(gè)定值電阻2.2K，色環(huán)是紅紅黑棕棕220K，色環(huán)是紅紅黑橙棕；

(5)三個(gè)三極管不能焊錯(cuò)，三個(gè)三極管都是不同型號(hào)的，注意區(qū)分；

(6)供電電壓3到5伏，不能使用舊的電池，需使用兩節(jié)新電池。

四、進(jìn)一步思考

制作完成后，我們利用前面介紹的方法，對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)金屬檢測(cè)性能一般，只能檢測(cè)離得較近較大的金屬。我們查閱了相關(guān)資料，討論分析之后,確定原因主要是線圈制成的電感天線的緣故，我們直接利用PCB板制成電感，使得效果一般。如果利用電感相關(guān)知識(shí)增加Q值，檢測(cè)小金屬性能就能得到提高，或者另外選用更大面積的感應(yīng)天線成品，檢測(cè)距離會(huì)增加，效果會(huì)更加完美。后期我們會(huì)嘗試進(jìn)一步優(yōu)化，并將電路應(yīng)用到具體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中去。

雖然此次我們的設(shè)計(jì)并不完美，但這次研究性學(xué)習(xí)讓我們有了一次全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，受益良多。我們?cè)趧?dòng)手實(shí)踐中學(xué)習(xí)，豐富了知識(shí)，提高了動(dòng)手水平，增強(qiáng)了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。在研究的整個(gè)過程中，小組的每一位成員積極承擔(dān)各自的任務(wù)，制作中互相的配合，出現(xiàn)問題一起查資料、討論，其樂融融，增進(jìn)了同學(xué)間的友誼。這次活動(dòng)也給了我們一次很好的鍛煉機(jī)會(huì)，在感受到產(chǎn)品設(shè)計(jì)不易的同時(shí)，也收獲了成功的喜悅。