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

電磁波能量轉(zhuǎn)換及其傳感器的制作

作者/林德耀、葉輕舟，福建工程學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)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(jī)、衛(wèi)星電視等通信設(shè)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(xiàn)的方式由近及遠(yuǎn)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(qiáng)不得超過240/Wcmμ ()，否則周圍過量的電磁波會造成環(huán)境污染影響人們的身心健康，因此把“多余”能量的電磁波進(jìn)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(jìn)行有效的收集、轉(zhuǎn)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(xì)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(shè)計.制作與調(diào)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(chǎn)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(jìn)行傳播，它可以作為信息傳播的載體，各種信息可寄生調(diào)制其內(nèi)傳送至遠(yuǎn)方；電磁波是以能量的形式對外輻射，由于空氣介質(zhì)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(jìn)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(shè)計傳感器進(jìn)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(qū)別的，俗話說，知己知彼才能百戰(zhàn)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(chǎn)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(fā)生器，等等，這些電路所產(chǎn)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(yīng)用電路中選用。下面介紹兩款常見的電磁波產(chǎn)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(jìn)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(fā)射機(jī)電阻，為滿足振蕩器VT1的幅度條件而設(shè)置的，一個典型值當(dāng)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(jié)電容為Cbe，bc結(jié)的電容為Cbc，ce結(jié)的電容為Cce，那么兩兩并聯(lián)后，其各自的容量分別為C3’=C3+Cbe，C4’=C4+Cce，設(shè)兩者相串后的電容為C3、4’

設(shè)電容C3、4’與三極管VT1結(jié)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(jié)電容的影響可忽略不計，因此振蕩頻率較為穩(wěn)定。

■2.2 頻率合成電路

頻率合成技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)了直接模擬頻率合成 (DAS)鎖相環(huán)頻率合成 (PLL) 和直接數(shù)字合成 (DDS) 的三個階段?，F(xiàn)DAS技術(shù)基本上已淘汰，DDS技術(shù)已在通信、雷達(dá)、電子對抗和儀器儀表等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，PLL技術(shù)由于成本低、頻率變換調(diào)試靈活、輸出頻率精度高，廣泛應(yīng)用于電視廣播、通信等領(lǐng)域。

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

圖2 鎖相環(huán)（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?nèi)荻O管VD1，互感線圈T1等構(gòu)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(wěn)頻過程如下：三極管VT1輸出的高頻振蕩信號經(jīng)互感線圈T1的次級通過電容C1耦合至預(yù)分頻器MC12022AP進(jìn)行預(yù)分頻，預(yù)分頻后輸入到分頻兼鑒相器MC145152AP，按單片機(jī)MCU輸出的數(shù)字控制信號進(jìn)行再次分頻，分頻后與MC145152AP外置晶振的基準(zhǔn)分頻信號進(jìn)行比較，當(dāng)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(nèi)部會把頻率的誤差轉(zhuǎn)化為相位的誤差，從而輸出誤差電壓，經(jīng)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?nèi)荻O管VD1的負(fù)端，從而不斷改變變?nèi)荻O管VD1的容量達(dá)到改變其頻率的目的，直至壓控振蕩器輸出頻率達(dá)到設(shè)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(fā)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(zhuǎn)換的一個典型案例如圖3所示。無線充電器發(fā)射部分如圖3（a）所示。

在圖3（a）中，由NE555構(gòu)成振蕩信號發(fā)生器、三極管VT1功率驅(qū)動電路和三極管VT2諧振功率放大器三部分組成。采用NE555構(gòu)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(dāng)電位器RT1從一個極端（最大值）調(diào)到另一個極端（最小值）時，依據(jù)式（5）振蕩頻率計算如下：

(a)當(dāng)電位器RT1調(diào)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(diào)到最小值0Ω

f02=1.443/(3+2×6.8)?0.00015

f02≈ 580（kHz）

因此，可通過調(diào)整電位器RT1使振蕩頻率處于495kHz。

3.1.2 末級功放的設(shè)計與制作

末級功放諧振線圈設(shè)計、制作與調(diào)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(dāng)電容C4從一個極端最大值調(diào)到另一個極端最小值時，諧振頻率的計算如下：

（a）當(dāng)電容C4為最大值30pF時，諧振頻率：

（b）當(dāng)電容C4為最小值5pF時，諧振頻率:

調(diào)試：（1）調(diào)電位器RT1，測推動級發(fā)射極電壓波形，其電壓波形所含的振蕩頻率應(yīng)為495kHz；（2）將電位器RT2至有效阻值于最大狀態(tài)，緩慢調(diào)整電位器RT2的阻值，使末級輸出最大即可；（3）緩慢調(diào)節(jié)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(shù)及其制作方法與前述3.1相同，諧振于495kHz。當(dāng)LC線圈兩端接收到來自于發(fā)射端的495kHz電磁波信號時，讓電路處于并聯(lián)諧振狀態(tài)，LC兩端產(chǎn)生的電壓幅度最大，經(jīng)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(jìn)行充電,電阻R7發(fā)光二極管VD5是充電指示電路，本電路充電電壓可達(dá)5V，最大充電電流可達(dá)100mA。

電路調(diào)試：緩慢調(diào)節(jié)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(jī)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(jī)的主軸上。如果被測電機(jī)為小型的如電腦風(fēng)扇的電機(jī)，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(diào)試

本制作所述的調(diào)試方法，是將振蕩器調(diào)到臨界振蕩狀態(tài)。調(diào)試步驟如下：緩慢調(diào)節(jié)電位器RT1，用示波器測三極管VT1發(fā)射極波形，用萬用表監(jiān)測其發(fā)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(yīng)將電位器RT1往相反方向調(diào)整，使波形剛好出現(xiàn)為止，在供電電壓為3～5V情況下,三極管VT1振蕩波形出現(xiàn)，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(chǎn)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(jī)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(jī)開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)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(tài)，導(dǎo)致電路立即停振；當(dāng)檢測圓盤無銅箔面置于L1線圈上方時，電路又恢復(fù)起振，如此周而復(fù)始地重復(fù)著。即電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈都會出現(xiàn)起振與停振兩種狀態(tài)各一次，剛好為一個周期。這樣在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈中，半圈時間內(nèi)有振蕩電壓輸出，另一個半圈時間內(nèi)無輸出電壓，此電壓從三極管VT1的發(fā)射極輸出經(jīng)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(nèi)有直流電壓，另一半周期無直流電壓輸出，相當(dāng)于電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖電壓，再經(jīng)過波形整形電路整形后輸送給51單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速計數(shù)信號的處理并由液晶顯示屏顯示出電機(jī)的轉(zhuǎn)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(chǔ)上改進(jìn)而來的，依據(jù)電磁波的屬性，當(dāng)探測線圈L1靠近金屬銅時，其電感量L1會減少，同理當(dāng)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(dāng)頻率計升高時，被測周圍存在金屬—銅；反之，當(dāng)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(tài)，當(dāng)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(tài)，終端顯示只體現(xiàn)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(diào)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(jié)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(diào)試

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

（2）動態(tài)振蕩波形的調(diào)試：將示波器的測試探頭搭接于三極管VT1的發(fā)射極，調(diào)可變電容Cx，所測發(fā)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(dāng)探測傳感器L1由遠(yuǎn)及近地靠近銅板時，振蕩頻率應(yīng)逐漸升高，允許振蕩電壓幅值也減少，但不得出現(xiàn)停振；同理，當(dāng)探測傳感器L1由遠(yuǎn)及近地靠近鐵板時，振蕩頻率應(yīng)逐漸降低，允許振蕩電壓幅值也減少，但不得出現(xiàn)停振，此時銅礦與鐵礦傳感器制作完成，可進(jìn)行后續(xù)的電路設(shè)計，如將采集的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化再輸送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)計方面可增設(shè)當(dāng)利用本裝置探測到周邊有金屬銅或鐵礦存在時啟動現(xiàn)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(gòu)成傷害，如空中雷電瞬間會產(chǎn)生極強(qiáng)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(xiàn)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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