金属探测器的研究与设计Word格式文档下载.docx

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目前还广泛用于各种大型会议中心、体育场管公检法、监狱系统及娱乐场所的安全检查和工厂企业[1]的防偷检查，甚至用于对高考作弊检查。

早在20世纪40年代二战期间，出于战争的需要，军队就使用了差拍式金属探测器来排查地雷。

作为探雷器由于军事的保密需要，随后的20年金属探测器没有得到大的技术发展和应用领域的拓展。

20世纪70年代随着航空工业的迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空和机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中，金属探测门被用来充当排查违禁物品的重要角色。

同时，由于金属探测门在机场安检中崭露头角，大型运动会、展览会及政府安全保卫工作中开始启用金属探测门。

20世纪80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重，在依靠警员对囚犯加强管理的同时，金属探测门再次成为了美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备；

与此同时西方兴起的“探宝热”，也使金属探测器取得了长足的发展。

进入20世纪90年代，迅速升温的电子制造业[2]成了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品的流失、结束员工与公司之间的尴尬局面，陆续采用了金属探测门和手持金属探测器，作为管理员工行为、减少产品流失的利刃，于是金属探测器又有了它的新作用产品防盗。

2金属探测理论依据

2.1电磁感应原理

金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的，对于如图2-1所示的半径为R的单匝圆形电感线圈，当其中通过交变电流时，线圈周围空间会产生交变磁场D根据毕奥-萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度B为：

（2-1）

其中，为介质的磁导率，为相对磁导率，为真空磁导率。

图2-1环形载流导线的磁场

由公式（2-1）可知，当线圈有效探测范围[3]内无金属物时，（非金属的相对磁导率），线圈中心磁感应强度B保持不变。

当线圈有效探测范围内出现铁磁性金属物时，由于铁磁性金属的相对磁导率，所以，磁感应强度B也会随的增大而增大。

当线圈有效探测范围内出现非铁磁性金属物时，由于非铁磁性金属的相对磁导率，所以，磁感应强度B也会随的减小而减小。

由此可见，金属的出现会使介质的磁导率发生变化，从而引起线圈周围的磁感应强度变化。

另一方面，置于该交变磁场中的金属导体内会产生自行闭合的涡电流，涡流要产生附加的磁场与外磁场方向相反会削弱线圈磁场的变化。

金属的电导率越大，线圈中通过的交变电流的频率越大，则涡电流强度就越大，对原磁场的抑制作用越强。

通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质磁导率的变化还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。

本设计正是基于上述理论，寻找一种适合的传感器来感应金属的出现而引起的线圈磁场变化并把磁场信号的变化转变成电信号的变化，从而实现单片机的控制。

2.2传感器原理

根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。

根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。

电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应宽等特点，应用极其广泛[4]。

一、电涡流式传感器的工作原理

图2-2由传感器线圈和被测导体组成线圈—导体系统。

根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流，又产生新的交变磁场。

根据愣次定律，的作用将反抗原磁场，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。

由上可知，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。

而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关，还与线圈与导体间的距离x有关。

因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为：

Z=F（ρ，μ，r，f，x）

式中:

r——线圈与被测体的尺寸因子。

如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数[5]，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。

通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。

图2-2传感器的原理图

二、基本特性

电涡流传感器简化模型如图2-3所示。

模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h由以下公式求得：

（2-2）

式中：

f—线圈激磁电流的频率。

根据简化模型，可画出如图2-4所示等效电路图。

图中为电涡流短路环等效电阻，其表达式为：

（2-3）

图2-3电涡流传感器简化模型图2-4电涡流传感器等效电路

根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：

ω——线圈激磁电流角频率；

、——线圈电阻和电感；

——短路环等效电感；

——短路环等效电阻。

等效阻抗Z的表达式为：

（2-4）

——线圈受电涡流影响后的等效电阻；

——线圈受电涡流影响后的等效电感。

线圈的等效品质因数Q值为Q=

综上所述，根据电涡流式传感器的简化模型和等效[6]电路，运用电路分析的基本方法得到的方程式，即为电涡流基本特性。

三、电涡流形成范围

1）电涡流的径向形成范围

线圈—导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。

当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图2-5所示。

由图可知金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。

Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度。

①电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。

②电涡流密度在短路环半径r=0处为零。

图2-5电涡流密度J与半径r的关系曲线

③电涡流的最大值在r=附近的一个狭窄区域内。

④可以用一个平均半径为的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。

2）电涡流强度与距离的关系

理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。

根据线圈—导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度中:

——线圈激励电流；

——金属导体中等效电流；

x——线圈到金属导体表面距离；

——线圈外径。

分析表明:

①电涡强度与距离x呈非线性关系，且随着x/的增加而迅速减小。

②当利用电涡流式传感器[7]测量位移时，只有在x/（一般取0.05～0.15）的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。

3设计思路与总体方案

3.1设计思路

利用金属物体对电磁信号产生涡流效应的原理：

电涡流效应：

由法拉第电磁感应原理可知：

一个块金属导体置于变化的磁场中或在磁场中切割磁力线运动时，导体内部会产生闭合的电流，这种电流像水中的旋涡，故称为电涡流，这种现象叫做电涡流效应。

设计思路：

利用控头线圈产生交变电磁场在被测金属物体中感应出涡流，涡流产生反作用于探头，使探头线圈阻抗发生变化，从而使探测器的振幅也发生变化。

该振幅变化量作为探测信号，经放大，变换后换成间音频信号，驱动音响电路发声，音频信号随被测金属物体的大小及距离变化而变化。

3.2总体方案方框图

检波器

振荡器

图3-1金属探测器原理框图

4单元电路的设计

4.1振荡器

一、RC文氏电桥振荡电路原理

RC文氏电桥振荡器的电路如图4-1所示，RC串并联网络是正反馈网络，由运算放大器、R3和R4负反馈网络构成放大电路。

图4-1RC文氏电桥振荡器

C1R1和C2R2支路是正反馈网络，R3R4支路是负反馈网络。

C1R1、C2R2、R3、R4正好构成一个桥路，称为文氏桥。

RC串并联选频网络的选频特性

RC串并联网络的电路如图4-2所示。

RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。

图4-2RC串并联网络

RC串并联网络的传递函数为

（4-1）

当输入端的电压和电流同相时，电路产生谐振，也就是公式4-1是实数，虚部为0。

令公式4-1的虚部为0，即可求出谐振频率。

（1）谐振频率

（4-2）

对于文氏RC振荡电路，一般都取R=R1=R2，C=C1=C2时，于是谐振角频率:

（2）频率特性

幅频特性

（4-3）

（3）相频特性

（4-4）

文氏RC振荡电路正反馈网络传递函数的幅度频率特性曲线和相位频率特性曲线如图4-3所示。

（a）幅频特性曲线（b）相频特性曲线

图4-3RC串并联网络的频率响应特性曲线

（4）反馈系数

当满足R=R1=R2，C=C1=C2条件，且当f=f0时的反馈系数

（4-5）

此时反馈系数与频率f0的大小无关，此时的相角 

F=0。

文氏RC振荡电路可以通过双连电位器或双连电容器来调节振荡电路的频率[8]，即保证R=R1=R2，C=C1=C2始终同步跟踪变化，于是改变文氏桥RC振荡电路的频率时，不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。

根据振荡条件丨AF丨＞1，在谐振时，放大电路的电压增益应该Au=3。

RC串并联网络的反馈信号加在运算放大器的同相输入端，运算放大器的电压增益由R3和R4确定，是电压串联负反馈，于是应有

（4-6）

振荡的建立和幅度的稳定

（5）振荡的建立

所谓振荡的建立，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡输出。

由于电路中存在噪声，噪声的频谱分布很广，其中也包括f0及其附近一些频率成分。

由于噪声的随机性，有时正有时负，有时大一些有时小一些。

为了保证这种微弱的信号，经过放大通过正反馈的选频网络，使输出幅度愈来愈大，振荡电路在起振时应有比振荡稳定时更大一些的电压增益，即丨AF丨＞1，所以Auf＞3，丨AF丨＞1称为起振条件。

（6）通过热敏元件稳定输出幅度

加入R3、R4支路，电路是串联电压负反馈，其放大倍数。

若Auf始终大于3，振荡电路的输出会不断加大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度不再增加，但振荡电路的输出会产生失真。

所以应该在起振时使Auf＞3，而当振起来以后，应使Auf=3。

解决这个问题必须要自动地改变运算放大器的增益，起振时，增益大于3，起