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1、金属探测器学士学位论文摘 要金属探测器是专门用来探测金属的仪器，广泛应用于工业生产、安检、娱乐等领域。采用新的原理，设计一个基于单片机的手持金属探测器，利用其检测人们随身携带的金属物品，如小刀、钢笔，甚至可以检测到香烟盒的铝薄。可随身携带，使用方便。本文设计的金属探测是根据电磁感应原理制成的，将一金属置于变化的磁场当中时，根据电磁感应原理就会在金属内部产生涡流，涡流产生的磁场反过来又影响原磁场，这种变化可以转换为频率和幅值的变化，供相关电路进行检测。由电容三点式振荡电路产生正弦波，对其放大和整形后，送入单片机，由单片机探测它频率的变化。当遇见金属时由于电磁感应原理原先建立起来的振荡将受到影响，
2、频率将发生变化，单片机探测到这种变化后进行报警。本文的金属探测器设计了接口，可以和外围的系统进行通讯，实现了与AT89S52管理的液晶显示及键盘组成的外围数据处理与显示模块的通信。对前端探测到的数据进行再处理和分析，并将结果显示在液晶屏幕上，并可以通过键盘对前端的探测精度进行设置。本文完成了系统总体框架的设计，完成了硬件和软件的设计和联合调试。实验证明原理的应用，探测器的设计和制作是成功的，硬件线路设计和加工完好，软件编制正确，完成了操作功能。探测器具有稳定可靠的性能，待制作工艺改进后适于野外、户内和特殊场所的应用，具有应用价值、经济效益和社会效益。关键词：金属探测；电磁感应原理；单片机；涡流
3、；振荡电路ABSTRACTMetal detector is designed to detect metal devices, widely used in industrial production, security, entertainment and other fields. The hand-held metal detector is designed by a new principle, based on MCU. It can detect metal objects carried by people, such as knives, pens, even the al
4、uminum thin in cigarette box. It is portable and easy to use. The metal detector in this paper is designed and made on the principle of electromagnetic induction. A metal be placed in the variable magnetic field, in accordance with the principle of electromagnetic induction, eddy current will be gen
5、erated internally in the metal, eddy current generates a magnetic field in turn affects the original magnetic field, which can be converted to the frequency and amplitude changes in the relevant circuit for testing.Three-point oscillator circuit by the capacitor generates a sine wave, through amplif
6、ication and shaping, into the MCU. The MCU detects the frequency changes. When a metal object existence, the oscillation originally set up will be affected for electromagnetic induction, the frequency will change, the MCU will alarm after detecting the change. This metal detector is designed interfa
7、ce, and can communicate with peripheral systems, as well as implements communication of display module and peripheral data processing composed of liquid crystal display and keyboard of AT89S52 management. It can re-process and analysis the data detected on the front end, display the results on the L
8、CD screen, and can set the progress detected on the front by the keyboard .Based on the design principles and requirements, this article completes the design of the overall framework of the system, completes the six hardware design and general production, completes the software design and programmin
9、g, achieves features of metal detector measurements, of dynamic display of test results and data Output, completes the hardware and software co-debugging and parameter measurement. This article basically achieves the expected goals of design and production, and plans a late development.Keywords: met
10、al detector; electromagnetic induction; MCU; eddy current; oscillation circuit目 录1 绪 论11.1 研究背景与研究意义11.1.1发展过程11.1.2 研究意义21.1.3主要应用场所21.2研究现状31.3 主要研究内容及成果特色51.3.1 主要研究内容51.3.2 成果特色51.4 论文结构安排62 总体设计72.1 探测金属的理论依据72.2 传感器原理82.2.1 电涡流式传感器的工作原理82.2.2 基本特性92.2.3 电涡流形成范围102.2.4 低频透射式涡流厚度传感器122.3 基本原理122
11、.3.1 差拍式检测电路122.3.2 自激感应式检测电路132.3.3 耗能式(功率吸收式)检测电路142.4 基于单片机的金属探测器的设计方案152.5 同类产品比较162.5.1 MD898K金属探测器162.5.2 基于霍尔器件的数字金属探测器162.6 系统设计182.6.1 硬件电路设计182.6.2 软件结构设计193 硬件单元电路设计213.1 振荡电路设计213.2 放大电路和脉冲变换电路223.3 单片机系统233.4 外围设置与显示系统244 软件模块设计294.1 前端软件设计294.2 外围数据处理与显示模块设计325 实现与性能分析355.1 硬件电路焊接与调试35
12、5.1.1 振荡电路的焊接与调试355.1.2 放大电路与脉冲转换电路的焊接与调试365.1.3 单片机系统的焊接与调试375.1.4 外围数据处理与显示模块的焊接与调试385.2 软件模块的调试与集成405.2.1 前端金属探测模块的调试与集成405.2.2 外围数据处理与显示模块的调试与集成425.3 系统性能分析445.3.1 基准频率测定方法的优缺点分析445.3.2 金属探测的精度445.3.3 金属探测的功能测试456 结论与展望476.1 结 论476.2未来工作展望48致 谢49参考文献50附 录52附录一 系统实物图52附录二 系统总体电路图54附录三 防抖动键盘处理源程序5
13、6附录四 前端金属探测部分源程序59附录五 外围金属探测精度设置源程序641 绪 论1.1 研究背景与研究意义金属探测器是一中专门用来探测金属的仪器，除了探测有金属外壳或金属部件的地雷以外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内部的电线、埋在地下的水管电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。目前还广泛用于各种大型会议中心、汇展场管、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的防偷检查，甚至用于对高考禁带物品的检查。1.1.1发展过程早在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
14、发展和应用领域的拓展。世界上第一台工业金属探测器诞生于1960年，步入工业时代的最初的金属探测器主要用于工矿业，是检查矿产纯度和提高效益的得力助手。随着社会的发展，犯罪案件的数量也在上升，金属探测器被引入一个新的应用领域安全检查，也就是今天所使用的金属探测门的雏形，它的出现意味着人类对安全认识已步入一个新纪元。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
15、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。1.1.2 研究意义“9.11”事件发生后反恐成为国际社会的一个重要的议题。爆炸案、恐怖活动的猖獗使恐怖分子成了各
16、国安全部门重点打击的对象。此时国际社会“安全防范”的认识也提高到了一个新的高度，受“9.11”事件的影响各行各业加强了保安工作的部署，金属探测器也成功渗透到公共娱乐场所等行业。然而此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检要求，安检人员需要的是一种能准确判定物品藏匿位置的安检产品。于是多区位金属探测技术孕育而生，它的诞生是金属探测器历史上又一次变革，由原来单一的磁场分布变成了现在互相叠加而又相对独立的多个磁场，再根据人体工程学把人体分为多个区段使之与人体相对应，相应的区段在金属探测门上形成相对的区域，这样金属探测门便拥有了报警定位功能。高考和各种认证考试是庄严和神圣的，一些犯罪分子采用高科技
17、技术进行舞弊，从中牟利。为了防止考场作弊根据国务院发布单位内部治安保卫条例，监考人员在高考考场里使用金属探测器符合相关规定，它将作为一项常规措施载入我国考试监考制度中4。1.1.3主要应用场所金属探测器大致分为四种类型：1）工业型金属探测器安装在冶金、烧结、水泥、玻璃、造纸、化工、卷烟等工厂和矿山生产线的自动传送皮带上，用以检测矿石、烟草等原料中混入的废金属，保护破碎机不受损坏17。2）安全型金属探测器随着交通、旅游、金融和娱乐事业的发展，在机场、银行、珠宝店和珠宝制造厂、贵金属矿、贵金属加工厂等，需要对过往人员进行检测，以使贵重物品不丢失及排除危险品、枪支等48。3）生活型金属探测器随着人们
18、生活水平的提高，对于衣食住行的关注越来越多，在食品加工、食品包装、成衣制作、纺织制品、木材加工等，需要对其加工过程或者出厂产品进行检测，是否含有细微金属颗粒或金属碎屑，是否达到国际食品技术委员会HACCP(危害分析及临界控制点)基本准则的相应要求，防止对人们的生命安全造成不必要的伤害22。城市的发展，使得地下管线越来越多，在一些原始资料缺失的情况下，金属探测器可以帮助我们查清其走向。随着人们居住条件的改善，房间装修是必修课，人们都会根据需要对原建的水电线路作修改和添加。而这样的埋墙线路或管线是没有图纸和标识的，后期的安装中如果电钻打到电线和水管上时，轻者造成麻烦和损失，重者危及人的安全。利用金
19、属探测器查清位置是必要的。一些人有探秘的梦想和热情，在野外游玩带有金属探测器，即便没有探到宝贝，也可以锻炼身体和满足好奇心。4）军用型金属探测器现代局部战争中，人们埋下了上亿颗地雷，只有利用军用型金属探测器排查和销毁这些地雷，才能保证居民的生命和财产的安全。1.2研究现状金属探测器按其功能和市场应用的不同可分为以下几种： 通道式金属探测器(简称安检门)； 手持式金属探测器28 29； 便携式金属探测器； 台式金属探测器； 工业用金属探测器； 水下金属探测器4。金属探测器是基于电磁感应原理工作的，依工作方式主要有： LC振荡型三类23。 脉冲感应型； VLF(very low frequency
20、)连续波型；其中LC振荡型主要应用在小目标近距探测方面，已较少使用，目前广泛应用的金属探测器主要是脉冲感应型和VLF连续波型。脉冲感应型和连续波型金属探测器都是通过探测被测金属感应电流产生的二次磁场确定被测金属的有无及种类。脉冲感应型金属探测器检测波形为随时间指数衰减的波形。由于脉冲感应型检测波形的特殊性，在很大程度上限制了数字信号处理技术在脉冲感应型金属探测器中的应用。VLF连续波型检测波形为有特定相位滞后的正弦波，当前有很多数字信号处理算法适用于VLF连续波型，连续波型金属探测器具有广阔的发展前景。VLF连续波型金属探测器中，接收线圈上的感生电压主要受介质的磁导率影响。铁磁性物质的磁导率很
21、高，即1，如铸铁为200400。非铁磁性物质的磁导率近似等于真空中的磁导率，部分非铁磁性物质1，如铜、银的相对磁导率分别为0.99990、0.999974。部分非铁磁性物质1，如铂的相对磁导率为1.00026。当铁磁性物质接近线圈时，线圈间介质磁导率偏大，接收线圈上的感生电压显著增大。当1的非铁磁性物质(如铜、银)接近线圈时，线圈间介质磁导率减小，接收线圈上的感生电压值减小。当1的非铁磁性物质(如铂)接近线圈时，线圈间介质磁导率增加，接收线圈上的感生电压的的电压幅值微弱增加4。在技术进步的前提下，今日的金属探测器有能力作比以前更多、更为复杂的工作。整体来讲，当今的金属探测器已经出现了两种最具特
22、色的技术功能。其中之一是金属探测器的网络化功能。具备了这种技术，人们可以在任何一个地方连接该金属探测器，对仪器进行维修，分析所通过的人流量，并可根据治安的好坏或威胁的大小，调整金属探测器的工作灵敏度。所有这一切都可以远距离进行操作。金属探测器的另一个技术进步就是分段限时技术的出现，世界几大著名的金属探测器生产厂商，如EIPaso、CeiaUSA、Ranger&Metorex等，均投入了相当的资金从事这项研究、开发工作。它利用探测器的侧面或另一仪表盘上的灯光来指示或显示出人体中金属物品的近似位置，可以用在诸如法庭以及其他不允许发出声音的地方，虽然关闭了探测器的音量，但它仍能显示并提醒操作人员何时
23、何处有金属物品存在。金属探测器可以与其他的出入控制装置，如入口读卡机等整合在一起。银行业是该出入整合设备的最大客户。美国CeiaUSA公司董事长ScootDennision不久前曾经说过，他们公司已经开始着手为美国的几大银行安装整合式金属探测器。他们使用的是一种双门系统，它具备这样的功能：在第二道门打开之前，银行或其他机构借助于该系统就能够断定正在进入的人员是否携带有枪支等物品。在该系统中，金属探测器与CATV、对讲电话系统、出入控制以及其他安全防范手段整合在一起。并且该金属探测器，也可以在独立的基础上与出入控制整合在一起。CeiaUSA公司业已开发出了一种新技术，能够在人员通过金属探测器的时
24、候自动刷卡，不但能探测人员是否携带有武器，而且还能进行读写校验以确定人员是否能合法进入该场所。这种名叫MET卡的产品已于去年9月在美国上市，它借助于近发无线电技术，可使工作人员腾出双手，免去了手持劳作之苦。在读卡的基础上，该系统可根据工作性质、对象调节安全报警信号的阈值。如果是一位警察，他依法可以持有枪支，那么该系统就会自动降低报警的灵敏度；而对下一个通过探测器的一般人来说，金属探测器将自动提高或调整报警的灵敏度。MET卡也可以安装在门框中充当跟踪设备，用以防止贵重物品的丢失和被盗26。前面所讲的是金属探测器的最新情况，金属探测器经过40多年的发展其技术上已经发生了几次飞跃，人类已经步入到数字
25、化时代，金属探测器也顺应这一时代的现状，无论是金属探测器的网络化还是出入整合技术，都需要强大的数字电路对信息进行分析处理，在进行传送控制。因此在这种前提下进行数字金属探测器的设计是顺应时代发展和需求的。本次金属探测器是一种基于单片机的数字金属探测器，其对金属的判断报警都是在数字单片机内完成的，可拓展性强，在对其加入外围功能电路后也能实现网络化和出入整合。1.3 主要研究内容及成果特色金属探测器的工作原理简单的讲就是利用电磁感应原理，让交流电通过电感线圈，产生迅速变化的磁场，该磁场能在被检测的金属物体内部产生感生涡流3。涡流反过来有影响原来的磁场，引发探测器报警。1.3.1 主要研究内容根据本课
26、题工作的实际背景，研制出一个物美价廉的金属检测装备，重点应研究和解决以下几个方面的问题：1）原理分析收集金属探测器原理和产品的资料，进行金属探测器资料整理和分析利用。2）完成系统设计根据调研结果和可行性分析设计系统总体框架，初步设想探测信号的产生采用LC三点式振荡产生正弦波，经放大，滤波，整形产生所需信号。使得系统的探测信号有良好的抗干扰性。3）完成硬件方案的设计制作硬件设计涉及：LC振荡器、放大器、滤波器、中断计时、单片机电路、输出电路（报警或显示）六部分组成。4）软件方案的设计软件设计要求完成：测量功能、动态显示检测结果、数据输出功能。5）系统联合调试与参数测试完成硬件和软件的联合调试，以
27、及参数测量。1.3.2 成果特色该课题的关键技术在于信号的检测、传输和软件的识别，以及实现方法的讨论。目前这些在金属探测器领域都有值得摸索的知识点，国内在该项技术上仍是一个空白。该课题涉及传感器技术、通讯技术、单片机和C语言编程等，具有一定的综合性和复杂性。本文所完成的设计将要努力实现以下特点：必须具有足够高的灵敏度，能检测出满足精度要求的金属杂质；必须具有足够高的稳定度，能抵抗各种外界环境的干扰，维护方便；快速完成检测数据采集、处理、显示、存储和标记等任务；有良好的人机对话界面，可以灵活的修改参数，有记忆功能；易于扩展，有较好的灵活性。1.4 论文结构安排第一章绪论讨论金属探测器的发展历史、
28、应用场所、研究现状，分析课题研究内容和成果特色。第二章总体设计首先讨论金属探测的原理，然后进行本设计金属探测器的方案论证，通过主流技术方案介绍和分析，提出基于单片机的的设计方案，并且简述其可行性，同时提出硬件单元电路设计和软件结构设计。第三章硬件系统设计介绍硬件单元电路具体设计。第四章软件系统设计介绍软件具体设计。第五章实现与性能分析介绍硬件单元电路实现设计系统软件设计和实现，调试过程，以及基准频率测定方法的优缺点分析。第六章总结与展望介绍金属探测器总体设计的实现结论，并提出改进措施。2 总体设计金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器，除了用于探测有金属外壳或金属部件的地雷之外，还可以用来探测
29、隐蔽在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。金属探测器自诞生至今40多年过去了，金属探测器经历了几代金属探测的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术，再到今天的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种技术成果中。无论是灵敏度、分辨率、探测精度还是在工作性能上都得到了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高延伸到多个行业27。2.1 探测金属的理论依据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I=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
30、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19由公式（2-1）可知，当线圈有效探测范围内无金属物时，（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$与
31、外磁场方向相反$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
32、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。2.2.1 电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的原理图如图2-2所示。该图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I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，导致
33、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、磁导率以及几何形状有关，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：图2-2 传感器的原理图19Z=F（，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，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。2.2.2 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
34、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R2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：R1+jL1-jL2=式中:线圈激磁电流角频率；R1、L1线圈电阻和电感；L2短路环等效电感；R2短路环等效电阻。等效阻抗Z的表达式为： （2-4）Req线圈受电涡流影响后的等效电阻；Leq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
35、式传感器的简化模型和等效电路，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。2.2.3 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。电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。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19电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。可以用一个平均半
36、径为ras（ras=（ri+ra）/2）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:I1线圈激励电流；I2金属导体中等效电流；x线圈到金属导体表面距离；ras线圈外径。分析表明:电涡强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。2.2.4 低频透射式涡流厚度传感器图2-6所示为透射式涡
37、流厚度传感器结构原理图。在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，则L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁场直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。此时磁场能量受到损耗，到达L2的磁通将减弱为l，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，U2电压就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度，透射式涡流厚度传感器检测范围可达1100mm，分辨率为0.1m，线性度为1%。图2-6 透射式涡流厚度传感器结构原理图2
38、.3 基本原理2.3.1 差拍式检测电路差拍式金属探测器的方框图如图2-7所示，由探测振荡器产生的频率为f1的振荡频率、频率为f2的参考频率、混频器、滤波器、放大器、输出电路（报警或显示）六部分组成。其中它包括了两个振荡器频率，经过混频器对频率进行处理后，得到(f1+f2)和(f1-f2)，再经过高频滤波器滤波得到需要的差频信号，经放大器放大直接送给输出电路。探测振荡器的振荡频率：f1= （2-5）图2-7 差拍式电路框图18从上式看出，当振荡电路的参数确定以后，振荡频率与电感量L和不变的电容C有关，电感量的增减与被测物体的性质和大小有关。当被探测物体是铁磁性材料时，由于导磁率高，使探测线圈的
39、总电感量增加，变成L+；当被检测物体是非磁性材料的金属，由于金属物体的涡流损耗，使探测线圈的电感量减少，变成L-，通常，它们的大小取决于被探测物体的性质和形状。参考振荡器的振荡频率f2略大于f1，f1与f2在混频器中混频，可得到两种频率，即(f1+f2)和(f2-f1)。再通过滤波器选取需要的差频信号(f2-f1)送入放大器，经放大后输出，推动灯光显示或者声音报警。最初的军用探雷器就是采用这样的原理工作的。2.3.2 自激感应式检测电路自激振荡式金属探测器多数采用LC振荡器作为金属物体的探测电路，工厂或矿山应用较多。其检测电路框图如图2-8所示。图2-8 自激感应式电路框图18探测线圈安装在输
40、送矿石或其它物料的传送带上作为振荡器振荡回路的电感。由于在冶金矿山中应用较多，所以要求此振荡器对磁性矿石的影响有一定的抑制作用，对于弱磁性的锰钢件具有一定的探测灵敏度。振荡器在正常情况下输出等幅的交流电压，检波后为不变的直流电压，因而输出微分信号为零。当金属物体经过线圈时，振荡器信号的振幅降低后又恢复，检波后的直流电压产生一个降低的波动，经微分电路微分后，将有脉冲信号输出。此脉冲信号经放大器放大后，推动继电器动作，输出接点信号控制金属物体取出装置，并进行显示或报警。2.3.3 耗能式(功率吸收式)检测电路门框式金属探测器属于此种类，它可分辨出金属的性质、大小，并可对监视对象实现连续监视，对预定
41、物休发出预警。与一般金属探测器不同，它为多频率的。门框式金属探测器由四部分组成:激励电路、激励线圈、信号测量和处理电路、指示和报警电路。根据电磁场理论，发射线圈产生的交变磁场在两个差动连接的接收线圈中分别产生一个同频、反相、等幅的感应电动势，两者相消即形成接收平衡。当含有金属杂质的产.品通过传感器时，线圈周围的磁场由于产品的进入发生变化，在接收线圈处检测出这个磁场变化引起的电压差，通过滤波电路滤除高频于扰信号，放大所需的低频电压信号，送给相应的显示、报警电路信号引起动作。平衡式探测器的另一个特点在于它的传感器部分比其他形式的传感器多采用了一个平衡补偿线圈。根据以往的设计经验可知，电子元件有一定
42、的使用寿命和工作范围，当工作环境复杂时，很容易受到外界的干扰，不能按正常特性工作。当传感器的接收信号山于外界干扰产生较大变化时，检波信号必然要受到影响。根据自动控制理论中的闭环负反馈控制原理，要保证输出信号受外界干扰减小的话，需要增加对自身输入信号的补偿，所以在这里增加一个补偿线圈。如图2-9所示。补偿线圈的信号来源于我们的检波信号的直流分量，与接收线IN的信号形成一个负反馈的闭环系统。 图2-9 平衡式检测电路框图18如图2-10所示是接收线圈侧的结构示意图，它的优点在于接收线圈采用了两路，一路用来输出，另一路用来调节平衡。图2-10 接收线圈一侧结构示意图通过以上的分析可知，平衡式检测电路
43、工作特性更稳定，并能有效的去除外界带来的电磁干扰或由于震动、冲撞引起的磁场变化带来的干扰。在这个方案中还有其他比较有特色的地方，在以后的硬件部分内容中进一步阐述。2.4 基于单片机的金属探测器的设计方案金属探测器的设计方案根据它的应用的不同而不同，这里引入两种与本次设计应用相进的金属探测设计方案，拿它们与我们的设计方案进行对比，以突显出彼此的优缺。正如综述里所说的数字金属探测器的设计是顺应时代发展，本次设计所要完成的任务是实现一个基于单片机的手持金属探测器。其模型如图2-11所示。可以看出它由四部分组成：高频振荡、信号放大、脉冲转换和信号的处理与报警，下面简单论述以下各个模块的功能。初看上去在
44、结构上和本次设计的金属探测器很相近，实际上它们存在本质的差别。首先，两者在设计思想上完全不同，1）高频振荡这一部分是金属探测的基础，金属探测器的原理是：当金属物体置于变化的磁场当中时，金属内部就会产生涡流，而涡流所产生的磁场又会影响原磁场。高频振荡部分的任务首先就是产生变化的磁场，它往往由一LC振荡电路组成。其次，在遇见金属后由于金属内部涡流的存在，它的磁场会影响原有磁场，使原有振荡电路的振幅和周期都发生改变。这种改变经转换后送入单片机，单片机中有相应的程序对其进行分析判断。2）放大电路振荡电路所产生的正弦波信号的幅值是比较小的，因此需要放大才能进行再处理。3）脉冲转换电路这是本套设计方案所独
45、有的，它是实现本次金属探测数字化的桥梁，单片机只能处理数字脉冲信号，因此振荡电路所产生的信号经放大不能直接送入单片机，这一部分只需要一个TTL门电路对放大电路输出的波形进行转换就行20，简单但很重要。4）信号处理与报警这一部分是整个电路的大脑，所有的电路都是为它服务，这一部分也是整个探测器实现网络化或其他功能的桥梁。作为整个电路的大脑，它对整个电路所产生的信号做最终的处理，并根据处理的结果决定是否存在金属，是否要发出警报。这一部分处理能力的强弱影响这整个系统的性能。作为与外部进行沟通的桥梁，它可以将金属探测的信息发送给外围模块供他们进行进一步的处理，它同时也接收外围模块传送过来的控制信号，如对
46、金属探测的精度或其他方面进行设置。2.5 同类产品比较2.5.1 MD898K金属探测器MD898K金属探测器的组成模块图如图2-12所示。看上去在结构上和本次设计的金属探测器很相近，实际上它们存在本质的差别。两者在设计思想上完全不同，MD898K金属探测器是模拟信号处理的模拟金属探测器，而此次要实现的金属探测器信号的处理和报警都在数字单片机内完成。在可拓展性方面MD898K没有可拓展性而言，因为每一部分的单元电路紧密的联系在一起，即使可以扩展也要对整个电路进行重新设计，而且设计的难度相对很大。而本次设计，将频率信号转换为数字信号供数字单片机进行分析，单片机提供了很多I/O口可以很方便的和其他
47、单片机进行通讯，加入串口通信模块后还可以直接和PC机进行通讯，借助于PC机强大存储和网络资源对数据进行再分析在处理，就可以完善金属探测的性能，并且借助于PC机的强大功能可以使探测的精度得到新的改善。2.5.2 基于霍尔器件的数字金属探测器图2-13是另一种数字探测器的设计方案，虽然是基于单片机的数字式金属探测器，但是在探测原理上与本次采用的方法存在这很大的差别，它的基本思想是这样的，在电感线圈的中心固定一霍尔器件，用于探测磁场的变化并能将信号转换为电压信号，这样在没有遇见金属物体时送入单片机的电压是一固定值，当遇见金属物体时，由于电磁感应现象磁场强度会发生变化，这时霍尔器件将此变化转换为电压信号供单片机进行判断，霍尔
