手持?jǐn)?shù)字金屬探測器的研究

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字金屬探測器的使用越來越廣泛，技術(shù)也越來越先進(jìn)，出現(xiàn)了很多手持式的數(shù)字金屬探測器。文章探討了金屬探測器中的重要裝置-檢測裝置和手持式金屬探測器中的渦流傳感裝置。

關(guān)鍵詞：數(shù)字；金屬探測器；手持

1 引言

金屬探測器的用途十分廣泛如紡織、食品、服裝、尋寶、礦冶、探雷等領(lǐng)域，金屬探測器作為一種探測類的電子儀器，已在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，軍事上，可探測金屬地雷；在考古上，可用來探測埋有金屬物品的古墓，發(fā)現(xiàn)其中的金銀首飾或金銀財(cái)寶等；在工程建設(shè)上，可探測地面下的金屬埋設(shè)物如管線、管道等；在安檢上，可探測那些隱藏的或隨身攜帶的金屬器械等；在采礦上，可用來探測金屬顆粒等[1]。隨著金屬探測器技術(shù)的發(fā)展，金屬探測器也越來越先進(jìn)，出現(xiàn)了數(shù)字式的探測器，后來為了便于攜帶和使用出現(xiàn)了手持式的數(shù)字金屬探測器，手持?jǐn)?shù)字金屬探測器發(fā)揮出越來越重要的作用。

2 手持?jǐn)?shù)字金屬探測器的檢測裝置

手持?jǐn)?shù)字金屬探測器的檢測裝置的主要作用就是：（1）檢測出目標(biāo)物質(zhì)中是否含金屬雜質(zhì)；（2）可實(shí)現(xiàn)相位檢測；（3）采用先進(jìn)的DSP嵌入系統(tǒng)技術(shù)；（4）可進(jìn)行兩路檢測；（5）能自動調(diào)節(jié)和設(shè)定相關(guān)檢測參數(shù)；（6）能夠調(diào)整金屬的檢測靈敏度；（7）有鍵盤修改參數(shù)界面。下面介紹一下檢測裝置的總體方案和系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 檢測裝置總體方案

手持?jǐn)?shù)字金屬探測器的檢測裝置應(yīng)考慮到如下幾個方面：（1）必須要有相當(dāng)高的靈敏度，能檢出符合精度要求的金屬含量；（2）還要有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，能對外界環(huán)境的各種干擾有抵抗能力，維護(hù)方便；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)檢測數(shù)據(jù)采集、顯示、處理、存儲、標(biāo)記和查詢等任務(wù)；（4） 有較好的靈活性，易于擴(kuò)展[2]。

檢測裝置的開發(fā)過程流程如下：（1）根據(jù)需求編寫任務(wù)說明書；（2）以任務(wù)說明書為根據(jù)，確定技術(shù)指標(biāo)；（3） 確定DSP芯片中的外圍芯片；（4）總體設(shè)計(jì)的軟、硬件設(shè)計(jì)分工：軟、硬件設(shè)計(jì)說明書編寫，軟件編程、調(diào)試，系統(tǒng)集成，硬件電路，硬件調(diào)試；（5） 系統(tǒng)測試、完成樣機(jī)、然后中試、產(chǎn)品測試、進(jìn)行生產(chǎn)。

2.2 檢測裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

手持式數(shù)字金屬探測器主要由兩個部分構(gòu)成：控制裝置和渦流傳感器?？刂蒲b置由檢波電路、濾波電路、正弦波振蕩器、LCD顯示電路、信號處理電路、電源電路等構(gòu)成[3]。手持式數(shù)字式金屬探測器的系統(tǒng)組成過程如下：（1）正弦波振蕩器；（2）傳感器；（3）調(diào)制解調(diào)電路；（4）濾波；（5）信號處理；（6）動作電路。

3 渦流傳感器的原理與設(shè)計(jì)

數(shù)字金屬探測器中的一個重要裝置就是傳感器?，F(xiàn)在傳感器的種類非常多，分類方法也不一樣，通常采用的分類方法主要有兩種：一種按傳感器變換原理進(jìn)行分類；另一種按被測對象參數(shù)進(jìn)行分類。此外，其他的分類方法還有按傳感器材料分類和傳感器是否能產(chǎn)生電動勢進(jìn)行分類等?，F(xiàn)代的手持?jǐn)?shù)字傳感器主要使用的是渦流傳感器。自上個世紀(jì)70年代以來，渦流式傳感器是一種迅速發(fā)展的傳感器，該傳感器是利用電渦流效應(yīng)來進(jìn)行工作的。由于渦流式傳感器的靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、不受等介質(zhì)影響、頻響范圍寬，還能夠進(jìn)行非接觸性測量，適用范圍較廣，因此這種傳感器受到各個領(lǐng)域的重視[4]。目前，渦流傳感器已廣泛用于測量位移、厚度、振動、溫度、轉(zhuǎn)速、硬度等參數(shù)及無損探傷領(lǐng)域等。

渦流傳感器的理論基礎(chǔ)是電磁場理論，其作用部位為傳感器探頭中的線圈會產(chǎn)生時渦流，傳感器探頭中的線圈會產(chǎn)生出時變磁場，探頭經(jīng)過了被測的成塊金屬導(dǎo)體之后，在金屬導(dǎo)體內(nèi)部就產(chǎn)生渦流，然后可以根據(jù)產(chǎn)生的渦流大小來判斷金屬的厚度、大小等。渦流傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸就測量金屬板的厚度、導(dǎo)體表面中的非導(dǎo)體鍍層厚度、廢金屬板中的金屬鍍層厚度，還能對金屬內(nèi)部實(shí)現(xiàn)無損探傷。其中的反射式渦流傳感器在測量金屬厚度時的過程，就是對線圈中電量參數(shù)的反射過程。通過監(jiān)測線圈變化時電參量的變化，就能測量反射金屬體中金屬的厚度。

3.1 渦流傳感器工作原理

渦流傳感器的內(nèi)部主要由無骨架或有骨架的空心線圈組成，該傳感器的測量基本原理如下。當(dāng)給線圈通上交流電之后，由于存在電流，根據(jù)電磁場相關(guān)理論，在線圈周圍會產(chǎn)生交變磁場，稱為HL，假如被測的金屬導(dǎo)體被放置在這個磁場里，這時就產(chǎn)生了渦流，同時又將產(chǎn)生另一交變磁場，稱為HZ，HL與HZ方向相反，HZ試圖削弱原來的磁場HL，進(jìn)而可能導(dǎo)致探頭內(nèi)的線圈電感量產(chǎn)生變化[5]。電感變化量大小與該導(dǎo)體的幾何形狀、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、電源頻率、線圈參數(shù)及導(dǎo)體間至線圈的距離有關(guān)，假如限制某些參數(shù)不變，只讓其中的一個參數(shù)發(fā)生變化，渦流傳感器便能夠完成對這個參數(shù)的測量工作。在對金屬厚度用傳感器的檢測過程中，只有導(dǎo)體至線圈之間的位移參數(shù)可視為唯一變量，別的參數(shù)都是不變量。假設(shè)金屬導(dǎo)體是均勻材質(zhì)，它的性能是各向同性和線性的，則金屬導(dǎo)體系統(tǒng)和線圈的物理性質(zhì)一般用磁導(dǎo)率、尺寸因子、電導(dǎo)率、頻率和激勵電流I等參數(shù)來進(jìn)行描述。

3.2 渦流傳感器的設(shè)計(jì)過程

根據(jù)電磁場相關(guān)理論，發(fā)射線圈所發(fā)出的交變磁場是在兩個接收線圈進(jìn)行差動連接過程中所產(chǎn)生的反相、同頻、等幅值的一個感應(yīng)電動勢，兩者之間可相消最后形成接收平衡。當(dāng)那些金屬雜質(zhì)的物質(zhì)經(jīng)過傳感器時，在線圈周圍所產(chǎn)生的磁場由于有物質(zhì)進(jìn)入而發(fā)生了變化，我們可以在接收線圈周圍檢測出由于磁場變化而導(dǎo)致的電壓差，采用濾波電路可以濾除一些高頻干擾信號，可以放大所需要的低頻電壓信號，最后傳送給相應(yīng)的報警、顯示電路信號，而引起動作。具體過程如下：振蕩電路，濾波電路，功率放大到發(fā)射電圈；與之平行路徑是接受線圈，解調(diào)電路，平衡調(diào)節(jié)電路，發(fā)射線圈；從接受線圈出來還有一個路徑是接受線圈，解調(diào)電路，濾波、放大電路，顯示、報警。

4 結(jié)論

數(shù)字金屬探測器在生產(chǎn)和生活過程中的使用越來越廣泛，數(shù)字金屬探測器技術(shù)也越來越先進(jìn)，尤其是手持式數(shù)字金屬探測器。本文分析了金屬探測器中的最重要的裝置-檢測裝置的總體方案和系統(tǒng)構(gòu)成，還分析了手持金屬探測器中的傳感裝置-渦流傳感，探討了它的工作原理和設(shè)計(jì)過程，希望能夠?qū)σ院蟮氖殖謹(jǐn)?shù)字金屬探測器有所幫助。

參考文獻(xiàn)

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