一種智能井蓋探測儀

胡仁昱

摘要：本文介紹了井蓋探測儀的工作原理及其硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。并且找出在交變磁場中井蓋因渦流效應(yīng)和磁化效應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)信號特性，利用此特性，加以嵌入式信號處理技術(shù)的先進(jìn)手段以實(shí)現(xiàn)探測目的。此探測儀具有較強(qiáng)的背景抑制能力和較高的探測靈敏度，對于提高井蓋的綜合探測性能有重要現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：井蓋探測儀;渦流效應(yīng);嵌入式系統(tǒng);數(shù)字信號處理;MCU控制電路

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0230-02

井蓋探測儀是一款外觀堅(jiān)實(shí)耐用且易于使用的金屬探測儀[1]。它具有較高的探測靈敏度，用于完成各類探測任務(wù)。它主要用于建筑業(yè)、土木工程、道路建設(shè)以及市政公共事業(yè)如燃?xì)夂凸┧畽C(jī)構(gòu)。它探測所有金屬物包括一些小型非鐵磁類金屬物?？梢圆檎业铰裨跒r青下的閥門井蓋和檢修井，以及地面附近的埋地金屬管道和埋地信標(biāo)等。當(dāng)儀器開啟時(shí)，儀器本身可自動調(diào)節(jié)以適應(yīng)周圍環(huán)境。在一定范圍內(nèi)電子補(bǔ)償系統(tǒng)可抑制瀝青層和地磁效應(yīng)對其的影響。本文介紹了井蓋等金屬目標(biāo)探測技術(shù)，對井蓋等隱蔽金屬目標(biāo)探測新一代設(shè)備做了一些介紹。

1 理論推導(dǎo)

據(jù)金屬渦流探測原理，采用電感電容諧振發(fā)射平衡性天線，在發(fā)射天線周圍產(chǎn)生交變磁場B=B₀cosωt，其中[B]場強(qiáng)與接收天線處于平面垂直，在接收天線中電平為ε。

同時(shí)法拉第定律和麥克斯韋方程式為

即形成平衡性發(fā)射天線。

在發(fā)射天線周圍產(chǎn)生交變磁場中的金屬由于渦流效應(yīng)或磁效應(yīng)，會產(chǎn)生另一個(gè)磁場，破壞原交變磁場的磁力線分布，該場又稱二次場[3]。由于兩個(gè)發(fā)射天線的電感量和天線外形不一致，它們所形成的磁場強(qiáng)度B不同，金屬目標(biāo)產(chǎn)生的二次場會打破兩個(gè)天線內(nèi)交變磁場的動態(tài)平衡，在接收天線產(chǎn)生相應(yīng)的電平：

ε_m=N_RA_RωB₁

B₁為金屬目標(biāo)垂直接收天線的磁場強(qiáng)度。

通過以上理論推導(dǎo)，我們以金屬井蓋進(jìn)行探測，通過接收天線探測進(jìn)行區(qū)分達(dá)到快速查找到隱藏的閥門井蓋、檢修井和金屬標(biāo)識物的目的。

2 井蓋探測儀的設(shè)計(jì)

井蓋探測儀可以利用數(shù)字信號處理技術(shù)，從頻域上分析金屬相位特性，將地面干擾、金屬目標(biāo)，外界電磁干擾分為低頻、中頻，高頻信號，通過FFT變換進(jìn)行頻譜分析，取其有用的中頻目標(biāo)信號計(jì)算目標(biāo)的金屬相位特性值。因而可以從原理上消除地面和電磁的干擾。采用液晶顯示方式，即時(shí)顯示被探測金屬的種類，提高了界面的人性化。包括探頭電路、相敏檢波電路、數(shù)據(jù)采集及數(shù)字信號處理（DSP或ARM）電路、MCU控制電路。整機(jī)方框圖如下圖1所示。

由振蕩電路產(chǎn)生6Khz左右的正弦信號作為發(fā)射信號，從發(fā)射源中引出兩路頻率與發(fā)射頻率完全相同的參考信號，形成兩者之間有120度相位差的檢波信號，探頭上布有兩路半徑不同的接收線圈，相位相差180度;將兩路檢波信號分別與兩路接收信號相乘，形成四路相敏檢波信號。由于金屬渦流效應(yīng)，不同屬性金屬會對應(yīng)不同的信號相位[4]。對相同接收天線分成雙路信號相位的檢測和處理，決定了可分辨井蓋等金屬探測能力。兩路信號的強(qiáng)弱和相位差決定了金屬的相對大小和金屬的深度。探測器的接收信號經(jīng)過初級放大和檢波電路，再經(jīng)過二次放大，將信號按相位不同分成八路不同的可用信號，經(jīng)采樣電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)入DSP小系統(tǒng)計(jì)算。計(jì)算后信號進(jìn)行數(shù)字濾波并進(jìn)行傅立葉變換，取其3—15的中頻分量，將兩路信號的對應(yīng)分量相加，再做除法，根據(jù)已存的金屬目標(biāo)數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行比較，以此獲得被探測各類金屬的屬性;提取的雙路金屬目標(biāo)信號的大小和相位差決定被探測金屬的相對大小和深度。井蓋探測儀中央處理系統(tǒng)采用主從架構(gòu)，MCU單片機(jī)作為控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)電源管理，鍵盤響應(yīng)等人機(jī)界面接口，DSP處理器系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集，數(shù)據(jù)信號采集處理、FFT變換，處理后的數(shù)據(jù)傳送給嵌入式處理器進(jìn)行顯示。

3 井蓋探測儀關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信號處理技術(shù)

由振蕩電路產(chǎn)生6.5KHZ脈沖信號作為發(fā)射信號，從發(fā)射源本振引出兩路相位相差120度的信號作為檢波信號，這兩路信號頻率與發(fā)射信號頻率完全相同。經(jīng)過測試得出：不同屬性的金屬在被探測的時(shí)候，都能表現(xiàn)出不同相位。當(dāng)金屬目標(biāo)物經(jīng)過天線時(shí)，接收天線線圈接收到進(jìn)入的金屬目標(biāo)信號，該信號需初級放大和信號檢波后再二次放大，后輸入八路模擬開關(guān)，經(jīng)過A/D采樣后，進(jìn)入DSP進(jìn)行處理。DSP對該信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理后對目標(biāo)進(jìn)行搜索識別[5]，再進(jìn)行傅立葉變換，取其中的中頻分量，將兩路信號的對應(yīng)分量相加，再做除法，根據(jù)內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析，從而準(zhǔn)確地判斷被探測金屬的種類。數(shù)字信號處理的A/D采樣數(shù)據(jù)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集，采集的數(shù)據(jù)為每秒鐘128點(diǎn)，十六位，被放置在輸入緩沖區(qū)內(nèi)。當(dāng)三路128點(diǎn)數(shù)據(jù)采集完畢后首先進(jìn)行有無目標(biāo)檢測，如果存在目標(biāo)則進(jìn)行目標(biāo)大小及深度計(jì)算，并將其拷貝到FFT運(yùn)算的緩沖區(qū)進(jìn)行FFT運(yùn)算。經(jīng)過FFT運(yùn)算后的數(shù)據(jù)，取其3-15Hz的中頻分量，并且符合收斂特性，即|s（n）|> |s（n+1）|，且s（n）<0， s（n+1）>0，n=3-15Hz將兩路信號的對應(yīng)分量相加，再做除法，根據(jù)已存的金屬目標(biāo)數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行比較，以此獲得被探測各類金屬的屬性。另外，可通過兩路接收信號的大小和相位差得出金屬的相對大小和深度。

3.2 天線平衡技術(shù)

井蓋探測儀的兩個(gè)發(fā)射天線線圈電感量、外形，以及天線線圈間分布電容等影響，使接收天線接收到信號因?yàn)榘l(fā)射天線無法達(dá)到平衡而存在剩余電平相對較大[6]，該電平經(jīng)過信號放大后容易飽和，造成探測儀無法工作，另外由于外界環(huán)境等各類因素的干擾，需對天線引入補(bǔ)償電路進(jìn)行平衡。

天線補(bǔ)償電路硬件示意圖如圖2所示，將發(fā)射天線發(fā)射信號進(jìn)行180°移相，在補(bǔ)償電路中加入電阻傳感器，將傳感器的采樣電壓送到接收天線的補(bǔ)償回路，通過幅度調(diào)節(jié)補(bǔ)償可變電位器阻值使補(bǔ)償與接收電路之間相差達(dá)到180°，這樣調(diào)節(jié)可變電位器阻值大小，使接收天線的剩余電平相抵消，圖2的補(bǔ)償電位器用數(shù)字電位器集成電路替代，由MCU單片機(jī)采樣剩余電平后控制數(shù)字電位器自動調(diào)節(jié)補(bǔ)償，以達(dá)到天線平衡的工作模式。

同時(shí)為消除因環(huán)境溫度變化、元器件老化等因素造成的通道直流工作點(diǎn)的漂移，采用了自動跟蹤反饋技術(shù)，以自動補(bǔ)償工作點(diǎn)的漂移。該技術(shù)能使系統(tǒng)長時(shí)間處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的跟蹤技術(shù)，目的在于消除由于外部環(huán)境影響引起的直流漂移。擬采用電平實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，增加電路校零方式，此電路由DSP小系統(tǒng)控制，它對校零的補(bǔ)償電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤并自動補(bǔ)償。

3.3 背景抑制技術(shù)

本井蓋探測儀天線探頭采用調(diào)制連續(xù)波發(fā)射、接收的傳感體制和全波相敏檢波技術(shù)，用于提取多種特征信息。由于金屬中產(chǎn)生的渦電流的強(qiáng)度與工作頻率有關(guān)，而背景產(chǎn)生的渦電流的強(qiáng)度在多種工作頻率下的各類分量可以互相抵消，因此，井蓋等金屬目標(biāo)探測技術(shù)通過對工作頻率下對應(yīng)的接收信號電阻分量和電抗分量的相消處理，就能很好地抑制背景信號，而對各類金屬目標(biāo)都具有較高的探測靈敏度;同時(shí)電路采用發(fā)射接收天線進(jìn)行剩余電平檢測，并采取電平循環(huán)跟蹤[7]有效補(bǔ)償了環(huán)境等因素引起的電平漂移，實(shí)現(xiàn)精確定位和高分辨率;背景學(xué)習(xí)功能使井蓋等金屬探測技術(shù)具有智能控制能力，通過對作業(yè)現(xiàn)場背景相位特征信息的實(shí)時(shí)采集，自動調(diào)整與該背景特征相關(guān)的增益控制參數(shù)，從而消除該背景對探測器的干擾。該技術(shù)使探測器無論在何種背景環(huán)境狀況下，都能最大深度、最大靈敏度識別目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文通過硬件和軟件兩方面論述了井蓋探測儀的設(shè)計(jì)方法，天線補(bǔ)償、背景學(xué)習(xí)和信號采集處理是關(guān)鍵幾項(xiàng)技術(shù)，保證本探測儀實(shí)時(shí)探測和精確定位，為井蓋探測儀目標(biāo)探測提供了一種可行的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魯光宇. 金屬探測器技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 地學(xué)儀器， 1992（1）.

[2] BURCH I A， DEAS R M， PORT D M. MINED area detection overview[C]. Proc. of SPIE， 2002（4742）： 562-573.

[3] Acero J， A lonso R， Barragan L A. et al Magnetic vector potential based model for eddy-cruuent loss calculation in round-wire planar windings[J]. IEEE Transactions on Manetics， 2006， 42（9）： 2152-2158.

[4] 丁天懷， 陳祥林. 電渦流傳感器陣列測試技術(shù)[J]. 測試技術(shù)學(xué)報(bào)， 2006（3）.

[5] 陳娟. 數(shù)字式金屬探測器的研究[D]. 南昌大學(xué)， 2007.

[6] 劉國強(qiáng). Ansoft工程電磁場有限元分析[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2005.

[7] 賀桂芳. 一種新型智能金屬探測儀的設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2006（1）： 13-15.