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1、(10)申请公布号 CN 103427764 A (43)申请公布日 2013.12.04 CN 103427764 A *CN103427764A* (21)申请号 201310381504.8 (22)申请日 2013.08.29 H03B 5/20(2006.01) (71)申请人 高玉琴 地址 225500 江苏省泰州市姜堰区姜堰镇锦 都国际花园 C2-304 室 (72)发明人 高玉琴 (54) 发明名称 一种金属探测器用的振荡器 (57) 摘要 一种金属探测器用的振荡器， 该振荡器的结 构包括， 一个对电压信号进行比较的比较电路， 一 产生基准信号电压的设定电路， 一将电感信号转 。
2、换为电压的转换电路 ； 其特征是， 所述的设定电 路在电压比较器的反相输入端形成基准电压 uj， 所述的转换电路由线圈 Lq、 电阻 R 构成在电压比 较器的同相输入端形成按指数曲线变化的电感信 号电压 ur， 使振荡器输出一方波信号 uo， 其频率 由电阻R的阻值r和线圈Lq的电感量lh的比值r/ lh决定。与现有电感、 电容并联谐振振荡器相比， 在振荡频率、 电感量、 电感变化量分别相等的条件 下， 本振荡器频率偏移量比现有的振荡器高出一 倍， 具有较高的灵敏度 ； 本振荡器的输出信号波 形为方波， 信号幅度稳定， 抗干扰能力强。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页。
3、 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103427764 A CN 103427764 A *CN103427764A* 1/1 页 2 1. 一种金属探测器用的振荡器， 它包括一个对电压信号进行比较的比较电路， 一产生 基准信号电压的设定电路， 一将电感信号转换为电压的转换电路 ； 所述的比较电路由电压 比较器 A1、 反相器构成， 电压比较器的输出端与反相器的输入端连接， 反相器的输出端为本 振荡器的输出端 ； 其特征是， 所述的设定电路由电阻 R1、 R2、 RF 构成， 电阻 R1、 。
4、R2、 RF 的一端 与电压比较器反相输入端相连接， 电阻 R1、 R2 的另一端分别与电源 Vcc、 电源地连接， 电阻 RF 的另一端与反相器的输出端连接 ； 所述的转换电路由线圈 Lq、 电阻 R 构成， 线圈 Lq、 电阻 R的一端与电压比较器的同相输入端连接， 线圈Lq的另一端与反相器的输出端连接， 电阻R 的另一端接电源地 ； 所述的设定电路向电压比较器的反相输入端输入基准电压 uj， 所述的 转换电路向电压比较器的同相输入端输入按指数曲线变化的电感信号电压 ur， 当电感信号 电压 ur 小于基准电压 uj 时， 反相器的输出端为高电平 Vog， 当电感信号电压大于基准电压 时，。
5、 反相器的输出端为低电平 Vod， 使振荡器输出一方波信号 uo， 方波信号的频率与电阻 R 的阻值 r 和线圈 Lq 的电感量 lh的比值 r/lh成一正比例关系。 2. 根据权利要求 1 所述的金属探测器用的振荡器， 其特征是， 所述的电压比较器 A1 为 一运算放大器集成电路， 所述的反相器为一反相器集成电路 A2， 反相器集成电路 A2 的输入 端与电压比较器 A1 的输出端连接， 反相器集成电路 A2 的输出端为振荡器的输出端。 3. 根据权利要求 1 所述的金属探测器用的振荡器， 其特征是， 所述的电压比较器 A1 为 一双电压比较器集成电路中的第一电压比较器， 电压比较器 A1 。
6、的输出端通过电阻 R5 连接 到电源 Vcc， 所述的反相器由双电压比较器集成电路的中的第二电压比较器 A3、 电阻 R3、 R4、 R6 构成， 第二电压比较器 A3 的反相输入端与电压比较器 A1 的输出端连接， 电阻 R3、 R4 的一端接第二电压比较器 A3 的同相输入端， 电阻 R3、 R4 的另一端分别接电源 Vcc、 电源地， 第二电压比较器 A3 的输出端通过电阻 R6 连接到电源 Vcc。 权 利 要 求 书 CN 103427764 A 2 1/4 页 3 一种金属探测器用的振荡器 技术领域 0001 本发明涉及一种振荡器， 该振荡器用于金属探测装置上。 背景技术 0002。
7、 在金属探测器中通常采用电感、 电容并联谐振振荡器作为探测金属的传感器， 所 述的电感、 电容并联谐振振荡器的电路类型主要有变压器反馈正弦波振荡器、 电容反馈正 弦波振荡器等几种， 所述的电感为一线圈， 当线圈靠近金属体时， 线圈的电感量会发生变 化， 从而使谐振频率发生偏移， 根据频率的变化可探测出金属体。 这种振荡器的振荡频率对 电感量变化的灵敏度较低， 当电感量变化时产生的频率偏移量较小， 同时该振荡器产生的 频率信号较弱， 抗干扰性能低。 发明内容 0003 本发明要解决的技术问题是， 提高金属探测用的振荡器的灵敏度和抗干扰性能。 0004 本发明解决技术问题的技术方案是提供一种金属探。
8、测器用的振荡器， 该振荡器的 结构包括， 一个对电压信号进行比较的比较电路， 一产生基准信号电压的设定电路， 一将电 感信号转换为电压的转换电路 ； 所述的比较电路由电压比较器 A1、 反相器构成， 电压比较 器的输出端与反相器的输入端连接， 反相器的输出端为本振荡器的输出端 ； 其特征是， 所述 的设定电路由电阻 R1、 R2、 RF 构成， 电阻 R1、 R2、 RF 的一端与电压比较器反相输入端相连 接， 电阻 R1、 R2 的另一端分别与电源 Vcc、 电源地连接， 电阻 RF 的另一端与反相器的输出端 连接 ； 所述的转换电路由线圈 Lq、 电阻 R 构成， 线圈 Lq、 电阻 R 。
9、的一端与电压比较器的同相 输入端连接， 线圈Lq的另一端与反相器的输出端连接， 电阻R的另一端接电源地 ； 所述的设 定电路在电压比较器的反相输入端形成基准电压 uj， 所述的转换电路在电压比较器的同相 输入端形成按指数曲线变化的电感信号电压 ur， 当电感信号电压 ur 小于基准电压 uj 时， 反相器的输出端为高电平 Vog， 当电感信号电压大于基准电压时， 反相器的输出端为低电平 Vod， 使振荡器输出一方波信号uo， 方波信号的频率与电阻R的阻值r和线圈Lq的电感量lh 的比值 r/lh成一正比例关系。 0005 与现有电感、 电容并联谐振振荡器相比， 在振荡频率、 电感量、 电感变化。
10、量分别相 等的条件下， 本发明振荡器频率偏移量比现有的振荡器高出一倍， 具有较高的灵敏度 ； 同时 本发明振荡器的输出信号波形为方波， 与正弦波信号相比信号幅度稳定， 抗干扰能力强 ； 本 发明振荡器的线路结构简单， 制造成本低。 附图说明 0006 图 1 为本发明第一实施例的电路原理图。 0007 图 2 为本发明第二实施例的电路原理图。 0008 图 3 为本发明的电路工作时的波形图。 0009 在图 3 中粗实线表示本振荡器输出信号 uo 的波形， 细实线表示电感信号电压 ur 说 明 书 CN 103427764 A 3 2/4 页 4 的波形， 虚线表示基准电压 uj 的波形。 具。
11、体实施方式 0010 现结合附图说明本发明的具体实施方式。 0011 一种金属探测器用的振荡器包括， 一个对电压信号进行比较的比较电路， 一产生 基准信号电压的设定电路， 一将电感信号转换为电压的转换电路 ； 所述的比较电路由电压 比较器 A1、 反相器构成， 电压比较器 A1 的输出端与反相器的输入端连接， 反相器的输出端 为本振荡器的输出端 ； 其特征是， 所述的设定电路由电阻 R1、 R2、 RF 构成， 电阻 R1、 R2、 RF 的 一端与电压比较器A1的反相输入端相连接， 电阻R1、 R2的另一端分别与电源Vcc、 电源地连 接， 电阻 RF 的另一端与反相器的输出端连接 ； 所述。
12、的转换电路由线圈 Lq、 电阻 R 构成， 线圈 Lq、 电阻 R 的一端与电压比较器的同相输入端连接， 线圈 Lq 的另一端与反相器的输出端连 接， 电阻 R 的另一端接电源地 ； 所述的设定电路向电压比较器的反相输入端输入基准电压 uj， 所述的转换电路向电压比较器的同相输入端输入按指数曲线变化的电感信号电压 ur， 当电感信号电压 ur 小于基准电压 uj 时， 反相器的输出端为高电平 Vog， 当电感信号电压大 于基准电压时， 反相器的输出端为低电平 Vod， 使振荡器输出一方波信号 uo， 方波信号的频 率 f 与电阻 R 的阻值 r 和线圈 Lq 的电感量 lh的比值 r/lh成一。
13、正比例关系， 即 ： f kr/lh， f 为频率， k 为一设定系数， 与基准电压 uj 的高、 低电平的差值大小有关。 0012 图1所示的第一实施例中， 所述的电压比较器A1为一运算放大器集成电路或电压 比较器集成电路， 在本实施例中， 选用运算放大器集成电路， 其型号为 OP07， 所述的反相器 为一反相器集成电路A2其型号为CD4069， 反相器集成电路A2的输入端与电压比较器A1的 输出端连接， 反相器集成电路 A2 的输出端为振荡器的输出端。 0013 图 2 所示的第二实施例中， 所述的电压比较器 A1 为一双电压比较器集成电路 （其 型号为 LM339） 中的第一电压比较器，。
14、 电压比较器 A1 的输出端通过电阻 R5 连接到电源 Vcc， 所述的反相器由双电压比较器集成电路的中的第二电压比较器 A3、 电阻 R3、 R4、 R6 构成， 第 二电压比较器 A3 的反相输入端与第一电压比较器 A1 的输出端连接， 电阻 R3、 R4 的一端接 第二电压比较器的同相输入端， 电阻 R3、 R4 的另一端分别接电源 Vcc、 电源地， 第二电压比 较器 A3 的输出端通过电阻 R6 连接到电源 Vcc。电阻 R3、 R4 为第二电压比较器 A3 的同相 输入端提供一偏置电压， 该偏置电压略大于反相器输出的低电平电压。在第二实施例中反 相器由电压比较器构成可进一步提高振荡。
15、器的输出信号的稳定性和带负载能力。 0014 所述的电源 Vcc 为输出电压 +5V 的稳压电源 , 为振荡器提供工作电源。 0015 现参照图 3 的波形图说明本振荡器的工作原理 ： 在时间轴上的 T0 段 ： 当上电瞬间， 线圈中的电流不能突变为 0， 电阻 R 中无电流， 电感 信号电压ur为0， 基准电压uj大于电感信号电压ur， 反相器的输出端为高电平Vog， 通过电 阻RF的反馈使基准电压uj进一步抬高， 基准电压uj的值为2/3 Vog， 随后线圈中的电流上 升， 电感信号电压 ur 也成正比例的上升， 上升规律如式 1 所示 ： ur Vog （1 e-t/） （1） 式 1 。
16、中， Vog 振荡器输出的高电平 ； t 电感信号电压 ur 变化的时间 ； 时间常 数 ； =lh r， lh为线圈的电感量， r 为电阻 R 的阻值。 0016 在时间轴上的 T1 段 ： 当电感信号电压 ur 大于基准电压 uj 时， 反相器的输出端为 说 明 书 CN 103427764 A 4 3/4 页 5 低电平 Vod， 通过电阻 RF 的反馈使基准电压 uj 被拉低， 基准电压 uj 的值降为 1/3 Vog， 随 后线圈中的电流下降， 电感信号电压 ur 也成正比例的下降， 由于低电平 Vod 的幅值很小可 视为 0， 因此电感信号电压 ur 下降规律可用式 2 表示 ： 。
17、ur 2/3 Vog （e-t/） （2） 式 2 中， 2/3Vog 为基准电压 uj 的高电平。 0017 在时间轴上的 T2 段 ： 当电感信号电压 ur 小于基准电压 uj 时， 反相器的输出端又 为高电平 Vog， 通过电阻 RF 的反馈使基准电压 uj 抬高， 基准电压 uj 的值为 2/3 Vog， 电感 信号电压 ur 上升， 上升规律用式 3 表示 ： ur （Vog 1/3Vog） （1 e-t/） 1/3Vog （3） 式 3 中， 1/3Vog 为基准电压 uj 的低电平。 0018 在时间轴上的 T3 段， 波形变化情况与时间轴上的 T1 段相同， 在时间轴上的 T4。
18、 段， 波形变化情况与时间轴上的T2段相同， 如此类推， 可知振荡器输出信号uo为一方波脉冲信 号。 0019 本振荡器的方波脉冲信号的频率 f 与电阻 R 的阻值 r 和线圈 Lq 的电感量 lh的比 值 r/lh成一正比例关系， 即 ： fkr/lh， k为一设定系数， 与基准电压uj的变化差值大小有关， 变化差值越大振荡 频率越低 ； 通过选择电阻 R1、 R2、 RF 的阻值可设定基准电压 uj 的高电平和低电平。本振荡 器输出高电平 Vog 的幅值为 4.5V， 当电阻 R1、 R2、 RF 的阻值相等时， 基准电压 uj 的高电平、 低电平分别被设定为反相器输出高电平 Vog 的 。
19、2/3 和 1/3， 设定系数 k 为 0.72 ； 电阻 R 的阻 值 r 取 560， 线圈 Lq 的电感量 lh取 15mH， 本振荡器的振荡频率为 27kHZ。为方便振荡器 的频率的设定调整， 所述的电阻 RF 的阻值设为可调。所述的线圈 Lq 用线径 0.49mm 漆包线 绕成直径 30cm 的线圈， 圈数 150 匝。 0020 现有的金属探测装置中的振荡器为电感、 电容并联谐振的 LC 振荡器， 其振荡频率 f1 的表达式为 ： f1 1 / 2(lh1 C) 1/2 （4） 式 4 中 lh1 为 LC 振荡器的线圈电感量， C 为电容的电容量。 0021 当 LC 振荡器线圈。
20、靠近金属时其电感量增加， 电感增量为 lh ， 这时电感量为 lh2 ， lh2 lh1 +lh ， LC 振荡器的振荡频率 f2 为 ： f2 1 / 2(lh2 C) 1/2 （5） 其频率偏移比为 ： f / f2 (f2 f1 ) / f2 1 (1+ lh / lh1 ) 1/2 1 (1+ 0.5lh / lh1 ) 0.5lh / lh1 (6) 式 6 是在比值 （lh / lh1 ） 1 的情况下 （通常 lh 小于 lh1 ） 得出的近似表达 值， 根据式 6 可得出现有振荡器的频率偏移量为 ： f 0.5 f2 lh / lh1 （7） 。 0022 本发明振荡器的振荡频。
21、率 f1 的表达式为 ： f1 k r / lh1 （8） 说 明 书 CN 103427764 A 5 4/4 页 6 式 8 中， k 为一设定系数与基准电压 uj 的变化差值大小有关， r 为电阻 R 的阻值， lh1为 线圈 Lq 的电感量， 设定系数 k 和电阻 R 均为常数。 0023 当线圈 Lq 靠近金属时其电感量增加， 电感增量为 lh， 这时电感量为 lh2， lh2 lh1+lh， 本发明振荡器的振荡频率 f2 的表达式为 ： f2 k r / lh2 （9） 其频率偏移量为 ： f f2 f1 (k r / lh2) (k r / lh1) k r 1/ (lh1+lh。
22、 ) 1/ lh1 k r / (lh1+lh ) lh / lh1 (10) 对式 10 进行整理， 可得 ： f f2lh / lh1 （11） 。 0024 在振荡频率 （f2、 f2 ） 、 电感量 （lh1、 lh1 ） 、 电感变化量 （lh、 lh ） 分别相等的条 件下， 将式 7 和式 11 进行对比， 可知本发明振荡器的频率偏移量 f 要比现有技术的振荡 器频率偏移量 f 高出一倍。需要说明的是式 7 中的系数 “0.5” 是在比值 lh / lh1 趋向于 0 的情况下导出的， 如果比值 lh / lh1 增大的话， 式 7 中的系数要小于 0.5。因 此本发明的振荡器与。
23、现有技术的振荡器相比具有较高的灵敏度。 0025 本振荡器可与一频率计配套使用， 由于本振荡器的输出信号为方波脉冲， 因此无 需对该输出信号进行放大、 整形， 可直接接频率计的输入端。 由于本振荡器具有较高的灵敏 度， 其探测范围较大， 当振荡器的线圈远离金属体时， 频率计显示频率 f1， 在 4 平方米的范 围内， 当振荡器的线圈向金属体靠近时， 频率计检测到的频率 f2 会发生渐变， 可对金属体 进行定位。 说 明 书 CN 103427764 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103427764 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103427764 A 8 。