電磁波能量轉換及其傳感器的制作

作者/林德耀、葉輕舟，福建工程學院 信息科學與工程學院(福建福州350118)

電磁波能量轉換及其傳感器的制作

作者/林德耀、葉輕舟，福建工程學院 信息科學與工程學院(福建福州350118)

在人們生活的空間里彌漫著各種各樣摸不著、看不見的電磁波，無聲無息地為人類的各種文明活動提供了有效的傳播平臺，可以說人們需要它、離不開它，如人們所擁有的手機、衛星電視等通信設備，其信息的傳遞媒介就是電磁波，它總是以電場和磁場垂直交替出現的方式由近及遠地向周圍空間傳播出去。但人們所需的這種電磁波能量是微弱的，其場強不得超過240/Wcmμ ()，否則周圍過量的電磁波會造成環境污染影響人們的身心健康，因此把“多余”能量的電磁波進行收集處理等措施已迫在眉睫。本文闡述了如何利用電磁波的屬性將其能量進行有效的收集、轉換與存儲，作者希望在這“變廢為寶”方面能起到拋磚引玉的作用；以及如何利用電磁波屬性制作成多種傳感器的基本原理。詳細敘述了非接觸式供電，低耗測速傳感器，銅、鐵礦金屬探測傳感器的設計.制作與調試的全過程。

電磁波；能量收集；存儲；金屬傳感器

常見的電磁波一般是由高頻振蕩電路產生的，輸出具有特定頻率和幅度的高頻正弦波振蕩信號，以逼近光速度進行傳播，它可以作為信息傳播的載體，各種信息可寄生調制其內傳送至遠方；電磁波是以能量的形式對外輻射，由于空氣介質的損耗，隨著傳播距離的增大而逐漸減弱，這給電磁波的收集工作造成一定的難度，本文闡述了在同等的空間間隔情況下，如何對電磁波的能量進行最大化的收集與存儲；同時利用金屬材料銅能屏蔽電場，鐵能屏蔽磁場的特性所設計傳感器進行深度剖析。

1.電磁波的頻率劃分

不同頻率的電磁波其屬性是有區別的，俗話說，知己知彼才能百戰不殆。我們要使電磁波更好地被人們所利用，首先就必須要了解電磁波的頻率分布。我國的無線電頻率分布如表1所示。

表1 中國無線電頻率分配及傳播特性表

2.電磁波的常見電路

產生電磁波的電路很多，有LC高頻振蕩器、MCU控制的頻率合成電路、微波發生器，等等，這些電路所產生的電磁波，因頻率不同其屬性也不同可供人們在不同的應用電路中選用。下面介紹兩款常見的電磁波產生電路。

■2.1 LC高頻振蕩器

LC高頻振蕩器有變壓器耦合、電感三點式、電容三點式等方式，圖1為常用的（西勒）電容三點式振蕩器為例進行分析，其中圖1（a）為西勒振蕩器的原理圖，圖1（b）為西勒振蕩器的等效圖。

圖1（a）中電阻R1、R2、R3分別為三極管VT1上、下偏置電阻和發射機電阻，為滿足振蕩器VT1的幅度條件而設置的，一個典型值當Vcc取12V,三個電阻的阻值分別為15k、2.2k、680Ω。

圖1 LC西勒振蕩器

圖1（b）中，三極管VT1的be結電容為Cbe，bc結的電容為Cbc，ce結的電容為Cce，那么兩兩并聯后，其各自的容量分別為C3’=C3+Cbe，C4’=C4+Cce，設兩者相串后的電容為C3、4’

設電容C3、4’與三極管VT1結電容Cbc相并后的電容為Cn，那么

由于 C2<

則LC回路的振蕩頻率

從式（4）中可以看出，振蕩頻率主要取決于回路電感L和電容C2的值，三極管結電容的影響可忽略不計，因此振蕩頻率較為穩定。

■2.2 頻率合成電路

頻率合成技術的發展歷經了直接模擬頻率合成 (DAS)鎖相環頻率合成 (PLL) 和直接數字合成 (DDS) 的三個階段?，FDAS技術基本上已淘汰，DDS技術已在通信、雷達、電子對抗和儀器儀表等領域得到廣泛的應用，PLL技術由于成本低、頻率變換調試靈活、輸出頻率精度高，廣泛應用于電視廣播、通信等領域。

單片機MCU控制的數字鎖相環頻率合成（PLL）電路如圖2所示，其輸出的電磁波頻率穩定度高，精度可達10–5～ 10–6。

圖2 鎖相環（PLL）頻率合成電路

工作原理：如圖2所示，三極管VT1、電容C2、C3、C5、C6,變容二極管VD1，互感線圈T1等構成電容三點式的壓控振蕩器，振蕩頻率與2.1所述雷同不贅述。穩頻過程如下：三極管VT1輸出的高頻振蕩信號經互感線圈T1的次級通過電容C1耦合至預分頻器MC12022AP進行預分頻，預分頻后輸入到分頻兼鑒相器MC145152AP，按單片機MCU輸出的數字控制信號進行再次分頻，分頻后與MC145152AP外置晶振的基準分頻信號進行比較，當兩者頻率一致時，無誤差輸出；但兩者頻率不一致時，其鑒相器內部會把頻率的誤差轉化為相位的誤差，從而輸出誤差電壓，經有源濾波器OP07放大濾波后輸出直流電壓至振蕩器LC回路的變容二極管VD1的負端，從而不斷改變變容二極管VD1的容量達到改變其頻率的目的，直至壓控振蕩器輸出頻率達到設計者的期望值為止。

3.無線充電器及其制作方法

■3.1 無線充電器發射部分

3.1.1 振蕩頻率的計算

無線充電器是電磁波能量轉換的一個典型案例如圖3所示。無線充電器發射部分如圖3（a）所示。

在圖3（a）中，由NE555構成振蕩信號發生器、三極管VT1功率驅動電路和三極管VT2諧振功率放大器三部分組成。采用NE555構成振蕩頻率約為495kHZ 的方波信號，

圖3 無線充電器電路

振蕩頻率估算公式如下：

C1單位取μF，電阻單位看kΩ,頻率單位即為kHz。

當電位器RT1從一個極端（最大值）調到另一個極端（最小值）時，依據式（5）振蕩頻率計算如下：

(a)當電位器RT1調到最大值4.7kΩ時

f01=1.443/(4.7+3+2×6.8)?0.00015

f01≈ 452（kHz）

(b)電位器RT1調到最小值0Ω

f02=1.443/(3+2×6.8)?0.00015

f02≈ 580（kHz）

因此，可通過調整電位器RT1使振蕩頻率處于495kHz。

3.1.2 末級功放的設計與制作

末級功放諧振線圈設計、制作與調試：末級功放管采用BU407功率管，諧振線圈要求用直徑為 0.8mm 的漆包線密繞 19 圈，直徑約為 7cm，實測電感值約為 150μH。取電容C3為680pF，半可變電容C4為5/30pF，當電容C4從一個極端最大值調到另一個極端最小值時，諧振頻率的計算如下：

（a）當電容C4為最大值30pF時，諧振頻率：

（b）當電容C4為最小值5pF時，諧振頻率:

調試：（1）調電位器RT1，測推動級發射極電壓波形，其電壓波形所含的振蕩頻率應為495kHz；（2）將電位器RT2至有效阻值于最大狀態，緩慢調整電位器RT2的阻值，使末級輸出最大即可；（3）緩慢調節半可變電容C4的容量再次使末級輸出信號最大，且諧振頻率處于495kHz。

■3.2 無線充電器接收部分

無線充電器接收部分如圖3（b）所示。接收回路L2、C5、C6其參數及其制作方法與前述3.1相同，諧振于495kHz。當LC線圈兩端接收到來自于發射端的495kHz電磁波信號時，讓電路處于并聯諧振狀態，LC兩端產生的電壓幅度最大，經VD1～VD4橋式整流 ，電容C7濾波后形成直流電壓，通過電阻R6對蓄電池進行充電,電阻R7發光二極管VD5是充電指示電路，本電路充電電壓可達5V，最大充電電流可達100mA。

電路調試：緩慢調節半可變電容C5,使L2兩端電壓最大即可。

4.低耗測速傳感器

■4.1 低耗測速傳感器制作

電磁波低耗測速傳感器如圖4所示，其中圖4（a）為低耗測速傳感器電路圖，圖4（b）為電容三點式振蕩器等效圖，圖4（c）為套在被測電機主軸上的檢測圓盤。

圖4 電磁波低耗測速傳感器

檢測圓盤是由普通的印制板外形加工成圓盤形狀，圓盤一半保留銅箔，另一半則去除銅箔，中間挖一個小洞，剛好能嵌套在電機的主軸上。如果被測電機為小型的如電腦風扇的電機，檢測圓盤的半徑2厘米就足夠了。

在振蕩回路等效電路圖4（b）中，頻率的計算方法與2.1雷同，不贅述，其振蕩頻率50～80MHz即可。

■4.2 低耗測速傳感器原理與調試

本制作所述的調試方法，是將振蕩器調到臨界振蕩狀態。調試步驟如下：緩慢調節電位器RT1，用示波器測三極管VT1發射極波形，用萬用表監測其發射極電壓，讓上述兩者波形和電壓都逐漸減少，直到波形剛好消失為止，此時應將電位器RT1往相反方向調整，使波形剛好出現為止，在供電電壓為3～5V情況下,三極管VT1振蕩波形出現，VT1集電極電流僅為0.9mA左右，故可稱之為臨界、低耗振蕩器。

振蕩電路所產生的高頻信號，即電磁波，而電磁波總是以電場與磁場的垂直交替方式向外傳播。待測電機主軸套上檢測圓盤，檢測圓盤置于圖4（a）振蕩線圈L1上方，兩者通電后，電機開始旋轉，當檢測圓盤的銅箔置于振蕩線圈L1上方時，銅箔吸收了電磁波中的電場能，迫使L1、C振蕩回路的等效電感量減少，Q值降低，因本電路是處于臨界振蕩狀態，導致電路立即停振；當檢測圓盤無銅箔面置于L1線圈上方時，電路又恢復起振，如此周而復始地重復著。即電機每旋轉一圈都會出現起振與停振兩種狀態各一次，剛好為一個周期。這樣在電機旋轉一圈中，半圈時間內有振蕩電壓輸出，另一個半圈時間內無輸出電壓，此電壓從三極管VT1的發射極輸出經電容C5耦合，電阻R4、二極管VD1、電容C7整流濾波后形成半周期內有直流電壓，另一半周期無直流電壓輸出，相當于電機旋轉一圈輸出一個脈沖電壓，再經過波形整形電路整形后輸送給51單片機進行電機轉速計數信號的處理并由液晶顯示屏顯示出電機的轉速。

5.銅、鐵礦金屬探測傳感器

■5.1 工作原理

銅、鐵礦金屬探測傳感器如圖5所示，其中圖5（a）為銅鐵礦金屬探測傳感器電原理圖，圖5（b）為振蕩電路等效圖圖5（c）為外形圖。

工作原理：銅礦與鐵礦金屬探測傳感器電路是從圖4 電磁波低耗測速傳感器電路基礎上改進而來的，依據電磁波的屬性，當探測線圈L1靠近金屬銅時，其電感量L1會減少，同理當探測線圈靠近金屬鐵時，其電感量L1會增大。我們把顯示終端做成頻率計，這就意味著當頻率計升高時，被測周圍存在金屬—銅；反之，當頻率計降低時，被測周圍存在金屬—鐵。

本作品的振蕩頻率取低頻段（200kHz），讓電路處于深度振蕩狀態，當探測線圈L1即使零距離地靠近金屬銅或鐵，電路始終都處于振蕩狀態，終端顯示只體現頻率的升高與降低或“金屬銅”與“金屬鐵”的字樣。

圖5 銅、鐵礦金屬探測傳感器

諧振頻率的計算：從圖4（b）等效電路中Cx選陶瓷可調電容器，型號為CVC06–120pF,容量26～120pF，令Cx=50pF,那么 C1+ Cx = 150(p F),若忽略三極管結電容的影響，總電容C近似為：

■5.2 銅、鐵礦傳感器的制作

探測傳感器諧振線圈L1的制作，諧振線圈要求用直徑為 0.8mm 的漆包線沿圖5（c）的底盤塑料骨架直徑約 14cm上，密繞 191 圈，實測電感值約為 3mH。

■5.3 銅、鐵礦傳感器的調試

（1）靜態工作點調試：將圖5（a）中L1線圈短路，電路處于停振狀態，調三極管VT1的發射極電壓為2V,那么其發射極的電流：

（2）動態振蕩波形的調試：將示波器的測試探頭搭接于三極管VT1的發射極，調可變電容Cx，所測發射極電壓波形頻率為200kHz，電壓值不低于2Vpp，在電壓最大值的情況下，振蕩頻率誤差允許在±10%。

（3）銅升和鐵升的驗證實驗，分別將一塊100×100的銅板和鐵板放置在地面不同的地方，當探測傳感器L1由遠及近地靠近銅板時，振蕩頻率應逐漸升高，允許振蕩電壓幅值也減少，但不得出現停振；同理，當探測傳感器L1由遠及近地靠近鐵板時，振蕩頻率應逐漸降低，允許振蕩電壓幅值也減少，但不得出現停振，此時銅礦與鐵礦傳感器制作完成，可進行后續的電路設計，如將采集的信號進行A/D轉化再輸送給單片機進行數據處理，LCD液晶實時顯示其頻率，頻率增為銅礦、頻率減為鐵礦，同時在電路設計方面可增設當利用本裝置探測到周邊有金屬銅或鐵礦存在時啟動現場告警功能。

6.展望

電磁波遍布在整個宇宙空間，合理的利用電磁波可造福于人類，否則它就會對人們構成傷害，如空中雷電瞬間會產生極強的電磁波，能使通信中斷，毀傷人和物。如果能把空中有害的或多余的電磁波收集起來，以綠色能源的表現形式為人們所用其意義重大。希望讀者對本文的深度解讀，能有更多的科技工作者投入到研究電磁波上來，讓人們的明天會更美好。

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