手持數字金屬探測器的研究

摘 要：隨著科學技術的發展，數字金屬探測器的使用越來越廣泛，技術也越來越先進，出現了很多手持式的數字金屬探測器。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。

關鍵詞：數字；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、探雷等領域，金屬探測器作為一種探測類的電子儀器，已在各個領域廣泛應用，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，發現其中的金銀首飾或金銀財寶等；在工程建設上，可探測地面下的金屬埋設物如管線、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的發展，金屬探測器也越來越先進，出現了數字式的探測器，后來為了便于攜帶和使用出現了手持式的數字金屬探測器，手持數字金屬探測器發揮出越來越重要的作用。

2 手持數字金屬探測器的檢測裝置

手持數字金屬探測器的檢測裝置的主要作用就是：（1）檢測出目標物質中是否含金屬雜質；（2）可實現相位檢測；（3）采用先進的DSP嵌入系統技術；（4）可進行兩路檢測；（5）能自動調節和設定相關檢測參數；（6）能夠調整金屬的檢測靈敏度；（7）有鍵盤修改參數界面。下面介紹一下檢測裝置的總體方案和系統構成。

2.1 檢測裝置總體方案

手持數字金屬探測器的檢測裝置應考慮到如下幾個方面：（1）必須要有相當高的靈敏度，能檢出符合精度要求的金屬含量；（2）還要有相當高的穩定性，能對外界環境的各種干擾有抵抗能力，維護方便；（3）能夠實現檢測數據采集、顯示、處理、存儲、標記和查詢等任務；（4） 有較好的靈活性，易于擴展[2]。

檢測裝置的開發過程流程如下：（1）根據需求編寫任務說明書；（2）以任務說明書為根據，確定技術指標；（3） 確定DSP芯片中的外圍芯片；（4）總體設計的軟、硬件設計分工：軟、硬件設計說明書編寫，軟件編程、調試，系統集成，硬件電路，硬件調試；（5） 系統測試、完成樣機、然后中試、產品測試、進行生產。

2.2 檢測裝置的系統構成

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

3 渦流傳感器的原理與設計

數字金屬探測器中的一個重要裝置就是傳感器。現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行分類；另一種按被測對象參數進行分類。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生電動勢進行分類等。現代的手持數字傳感器主要使用的是渦流傳感器。自上個世紀70年代以來，渦流式傳感器是一種迅速發展的傳感器，該傳感器是利用電渦流效應來進行工作的。由于渦流式傳感器的靈敏度高、結構簡單、不受等介質影響、頻響范圍寬，還能夠進行非接觸性測量，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、轉速、硬度等參數及無損探傷領域等。

渦流傳感器的理論基礎是電磁場理論，其作用部位為傳感器探頭中的線圈會產生時渦流，傳感器探頭中的線圈會產生出時變磁場，探頭經過了被測的成塊金屬導體之后，在金屬導體內部就產生渦流，然后可以根據產生的渦流大小來判斷金屬的厚度、大小等。渦流傳感器能夠實現無接觸就測量金屬板的厚度、導體表面中的非導體鍍層厚度、廢金屬板中的金屬鍍層厚度，還能對金屬內部實現無損探傷。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的反射過程。通過監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。當給線圈通上交流電之后，由于存在電流，根據電磁場相關理論，在線圈周圍會產生交變磁場，稱為HL，假如被測的金屬導體被放置在這個磁場里，這時就產生了渦流，同時又將產生另一交變磁場，稱為HZ，HL與HZ方向相反，HZ試圖削弱原來的磁場HL，進而可能導致探頭內的線圈電感量產生變化[5]。電感變化量大小與該導體的幾何形狀、磁導率、電導率、電源頻率、線圈參數及導體間至線圈的距離有關，假如限制某些參數不變，只讓其中的一個參數發生變化，渦流傳感器便能夠完成對這個參數的測量工作。在對金屬厚度用傳感器的檢測過程中，只有導體至線圈之間的位移參數可視為唯一變量，別的參數都是不變量。假設金屬導體是均勻材質，它的性能是各向同性和線性的，則金屬導體系統和線圈的物理性質一般用磁導率、尺寸因子、電導率、頻率和激勵電流I等參數來進行描述。

3.2 渦流傳感器的設計過程

根據電磁場相關理論，發射線圈所發出的交變磁場是在兩個接收線圈進行差動連接過程中所產生的反相、同頻、等幅值的一個感應電動勢，兩者之間可相消最后形成接收平衡。當那些金屬雜質的物質經過傳感器時，在線圈周圍所產生的磁場由于有物質進入而發生了變化，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，功率放大到發射電圈；與之平行路徑是接受線圈，解調電路，平衡調節電路，發射線圈；從接受線圈出來還有一個路徑是接受線圈，解調電路，濾波、放大電路，顯示、報警。

4 結論

數字金屬探測器在生產和生活過程中的使用越來越廣泛，數字金屬探測器技術也越來越先進，尤其是手持式數字金屬探測器。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構成，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計過程，希望能夠對以后的手持數字金屬探測器有所幫助。

參考文獻

[1]劉慧娟.一種新型智能金屬探測器[J]. 北方交通大學學報. 2001（01） ：75～78.

[2] Mohammad S.Sharawi，，Mohammad I.Sharawi.Design and Implementation of a Low Cost VLF Metal Detector With Metal-Type Discrimination Capabilities. IEEE International Conference on Singnal Processing and Communications . 2007

[3] 周學才，李傳芳.一種新型高穩定度金屬探測及保護系統[J].電測與儀表. 1997（04）

[4] 陳娟.數字式金屬探測器的研究[D].南昌大學.2007：68～84.

[5] Sadao Yamazaki，，Hiroshi Nakane，Akio Tanaka.Basic Analysis of a Metal Detector. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement . 2002

[6] 王學之.手持金屬探測器的相關研究[J].電測與儀表. 2007（06）