【正文】 金屬探測(cè)器同樣出現(xiàn)了電路仿制、性能相同、功能繁多、華而不實(shí)的現(xiàn)象。某些所謂生產(chǎn)廠商這種投入小、研發(fā)周期短的商業(yè)行為勢(shì)必導(dǎo)致產(chǎn)品的一致性差，可靠性低以及安檢產(chǎn)品社會(huì)信譽(yù)度降低，設(shè)備從根本上保證不了安檢要求。在70年代，隨著航空業(yè)迅速發(fā)展，劫機(jī)和危險(xiǎn)事件的發(fā)生使航空及機(jī)場(chǎng)安全逐漸受到重視，于是在機(jī)場(chǎng)眾多設(shè)備中金屬探測(cè)門扮演著排查違禁物品的重要角色。同樣在70年代，由于金屬探測(cè)門在機(jī)場(chǎng)安檢中的嶄露頭角，大型運(yùn)動(dòng)會(huì)(如奧運(yùn)會(huì))展覽會(huì)及政府重要部門的安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測(cè)門作為必不可少的安檢儀器。發(fā)展到80年代，監(jiān)獄暴力案件呈直線上升趨勢(shì)，如何及早有效預(yù)防并阻止暴力案件發(fā)生成了監(jiān)獄管理工作中的重中之重，在依靠警員對(duì)囚犯加強(qiáng)管理的同時(shí)，金屬探測(cè)門再次成為了美國、英國、比利時(shí)等發(fā)達(dá)國家監(jiān)獄管理機(jī)構(gòu)必備的安檢設(shè)備，形成平均每300個(gè)囚犯便使用一臺(tái)金屬探測(cè)門應(yīng)用于安全檢查。與此同時(shí)西方興起的“尋寶熱”，也使手持式、便攜式金屬探測(cè)器得到長(zhǎng)足的發(fā)展。進(jìn)入90年代，迅速升溫的電子制造業(yè)成了這個(gè)時(shí)代的寵兒，大型的電子公司為了減少產(chǎn)品流失、結(jié)束員工與公司之間的尷尬局面，陸續(xù)采用金屬探測(cè)門和手持式金屬探測(cè)器作為管理員工行為、減少產(chǎn)品流失的利刃，于是金屬探測(cè)器又有了它新的角色—產(chǎn)品防盜。40多年過去了，金屬探測(cè)器經(jīng)歷了幾代探測(cè)技術(shù)的變革，從最初的信號(hào)模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)直到今天所使用的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測(cè)器簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)切割原理被引入多種科學(xué)技術(shù)成果。無論是靈敏度、分辨率、探測(cè)精確度還是工作性能上都有了質(zhì)的飛躍。應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到了多個(gè)行業(yè)。1．3 金屬探測(cè)器理論依據(jù)金屬探測(cè)器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測(cè)金屬的。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時(shí)，將發(fā)生如下現(xiàn)象和效應(yīng)[3]；圖11 通電線圈工作示意圖（1）線圈介質(zhì)條件的變化：當(dāng)金屬物接近通電線圈時(shí)，將使通電線圈周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，如圖11，對(duì)于半徑為R的單匝圓形電感線圈，當(dāng)其中通過交變電流I=Imcosω時(shí)，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律可計(jì)算出線圈中心軸線上一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為[4]： （11）其中，μ=μ0μr ，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率。對(duì)于緊密纏繞N匝的線圈，線圈中心軸線上一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則為[5]： （12）由公式(12)可知，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)無金屬物時(shí)，μr =1(非金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率)，線圈中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)鐵磁性金屬物時(shí)，μr會(huì)變大，B隨μr也會(huì)變大。（2）渦流效應(yīng)[6]：根據(jù)電磁理論，我們知道，當(dāng)金屬物體被置于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生自行閉合的感應(yīng)電流，這就是金屬的渦流效應(yīng)。渦流要產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)，與外磁場(chǎng)方向相反，削弱外磁場(chǎng)的變化。據(jù)此，將一交流正弦信號(hào)接入繞在骨架上的空心線圈上，流過線圈的電流會(huì)在周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)將金屬靠近線圈時(shí)，金屬產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)的去磁作用會(huì)削弱線圈磁場(chǎng)的變化。金屬的電導(dǎo)率σ越大，交變電流的頻率越大，則渦電流強(qiáng)度越大，對(duì)原磁場(chǎng)的抑制作用越強(qiáng)。通過以上分析可知，當(dāng)有金屬物靠近通電線圈平面附近時(shí)，無論是介質(zhì)磁導(dǎo)率的變化，還是金屬的渦流效應(yīng)均能引起磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化。對(duì)于非鐵磁性的金屬，包括抗磁體(如：金、銀、銅、鉛、鋅等)和順磁體(如錳、鉻、欽等) μr ≈1，σ較大，可以認(rèn)為是導(dǎo)電不導(dǎo)磁的物質(zhì)，主要產(chǎn)生渦流效應(yīng)，磁效應(yīng)可忽略不計(jì)；對(duì)于鐵磁性金屬(如：鐵、鉆、鎳) μr 很大，σ也較大，可認(rèn)為是既導(dǎo)電又導(dǎo)磁物質(zhì)，主要產(chǎn)生磁效應(yīng)，同時(shí)又有渦流效應(yīng)[7]。本設(shè)計(jì)正是基于這樣的理論，來尋找一種適合的傳感器來感應(yīng)線圈的磁場(chǎng)變化，并把磁場(chǎng)信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的控制。正是本著這樣一個(gè)設(shè)計(jì)思路來構(gòu)建系統(tǒng)的硬件電路。1．4 主要性能分析金屬探測(cè)器的工作頻率、靈敏度和穩(wěn)定性是儀器的主要技術(shù)指標(biāo)。1．工作頻率為24KHz，選擇24KHz的超長(zhǎng)波頻率是為了減弱土壤對(duì)電磁波的影響。2．靈敏度分析 由公式(12)即： 可知：（1）檢測(cè)線圈的尺寸對(duì)儀器的靈敏度有影響。探測(cè)器的靈敏度與探測(cè)線圈的尺寸大小有關(guān)，尺寸大即探測(cè)面積大，則線圈中心磁場(chǎng)強(qiáng)度低，在靠近線圈繞組附近磁場(chǎng)強(qiáng)度較高，霍爾元件固定在線圈中心，為了確保通過其磁通量，探測(cè)線圈的尺寸就不宜太大，具體尺寸通過實(shí)驗(yàn)確定。（2）檢測(cè)線圈的匝數(shù)對(duì)儀器的靈敏度有影響。當(dāng)檢測(cè)線圈尺寸一定時(shí)，則匝數(shù)越少其靈敏度越高。但為了確保通過霍爾元件的磁通量，匝數(shù)的減少也是有限的，需通過實(shí)驗(yàn)來確定最佳匝數(shù)[8][9]。3．穩(wěn)定性分析Ⅰ.線圈的雜散電容與人體感應(yīng)電容均可引起頻率變化而產(chǎn)生偽信號(hào)。Ⅱ.環(huán)境溫度的變化，儀器元件參數(shù)也會(huì)改變，影響儀器工作的穩(wěn)定。Ⅲ.應(yīng)盡量減少線圈與電路之間引線的長(zhǎng)度，以減少分布電容，采用屏蔽線減少外界對(duì)其干擾。第2章 硬件電路設(shè)計(jì)2．1 系統(tǒng)組成如圖21所示，整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)以8位單片機(jī)AT89S52作為控制中心，其硬件電路分為兩個(gè)部分，一部分為線圈震蕩電路，包括：多諧振蕩電路，放大電路和探測(cè)線圈；另一部分為控制電路，包括：UGN3503型線性霍爾元件、前置放大電路、峰值檢波電路、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S52單片機(jī)、LED顯示電路、聲音報(bào)警電路及電源電路等[10][11]。探測(cè)線圈放大電路多諧振蕩器 霍爾元件放大峰值檢波A/DCPUAT89S52報(bào)警顯示電源圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)塊圖2．2 電路原理圖根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)塊圖和金屬探測(cè)器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的整體電路圖如圖22所示圖22 基于單片機(jī)控制的智能型金屬探測(cè)器原理圖2．3 硬件電路功能描述（1）線圈振蕩電路圖23 線圈振蕩電路原理圖工作過程中，由555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，產(chǎn)生一頻率為24KHz、占空比為2/3的脈沖信號(hào)。振蕩器的頻率計(jì)算公式為[12]： （21）圖示參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率為24KHz的超長(zhǎng)波頻率是為了減弱土壤對(duì)電磁波的影響。從多諧振蕩器輸出的正脈沖信號(hào)經(jīng)過電容C8輸入到Q1的基極（Q1為β≥125的9013H），使其導(dǎo)通，經(jīng)Q1放大之后，就形成了頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號(hào)輸入到探測(cè)線圈L1中，再線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬間較強(qiáng)的電流，從而使線圈周圍產(chǎn)生恒定的交變磁場(chǎng)。由于在脈沖信號(hào)作用下，Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時(shí)間又非常短，所以非常省電，可以利用9V電池供電[13]。2．3．1 線性霍爾傳感器在電路設(shè)計(jì)中，選用了美國ALLEGRO公司生產(chǎn)的UGN3503U線性霍爾傳感器，來檢測(cè)通電線圈L1周圍的磁場(chǎng)變化。UGN3503U線性霍爾傳感器的主要功能是可將感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)[14]。他的功能框圖和輸出特性示于圖24和圖25。 圖24 UGN3503U的功能框圖 圖25 UGN3503U的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線霍爾元件是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。如圖26所示，在一塊半導(dǎo)體薄片上兩端通一電流I，并加上和片子表面垂直的磁場(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓，如圖26中的UH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。UHdWIB圖26 霍爾效應(yīng)原理圖I這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場(chǎng)，稱作霍爾電場(chǎng)。霍爾電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力相等[11]。這時(shí)，片子兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓UH，霍爾電壓UH可用下式表示： （V） （22）式中RH霍爾常數(shù)（m3C1）；I電流（A）；B磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；d霍爾元件的厚度（m）令KH=RH/d(VA1Wb1m2)，得到UH=KHIB(V) (23)由上式可知，霍爾電壓的大小成正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。KH稱為霍爾元件的靈敏度，它與元件材料的