【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 D根據(jù)畢奧 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： wlRx IRRx IRrIRdlrRrIRdBdB mrx c os)(2)(224s i n 2322 202322 23 220 22 ??????? ? ?? ??????? ?（ 21） 其中 r??? 0? ， ? 為介質(zhì)的磁導(dǎo)率， r? 為相對(duì)磁導(dǎo)率， 0? 為真空磁導(dǎo)率。 圖 21 環(huán)形載流導(dǎo)線的磁場(chǎng) 由公式（ 21）可知，當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)金屬物時(shí)， 1?r? （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)，由于鐵磁性金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率1?r? ，所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B也會(huì)隨 r? 的增大而增大。 當(dāng)線圈有效探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)非鐵磁性金屬物時(shí)，因?yàn)榉氰F磁性金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率1r?? ，所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會(huì)隨 r? 的減小而減小。另一方面，置于該交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生自行閉合的渦電流，渦流要產(chǎn)生附加的磁場(chǎng) $與外磁場(chǎng)方向相反$會(huì)削弱線圈磁場(chǎng)的變化。金屬的電導(dǎo)率 ? 越大，線圈中通過(guò)的交變電流的頻率 ? 越大，則渦電流強(qiáng)度就越大，對(duì)原磁場(chǎng)的抑制作用越強(qiáng)。 通 過(guò)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(wú)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。 本設(shè)計(jì)正是基于上述理論，尋找一種適合的傳感器來(lái)感應(yīng)金屬的出現(xiàn)而引起的線圈磁場(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。 6 傳感器原理 金屬探測(cè)系統(tǒng)采用的是電渦流傳感器渦流傳感器，此類傳感器具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等等特點(diǎn)。 電渦流傳感器是基于電磁感應(yīng)原理而工作的，但完全不同于電磁感應(yīng)，并且在實(shí)際測(cè)量中要避免電磁感應(yīng)對(duì)其的干擾。電渦流的形成：現(xiàn)假設(shè)有一 線圈中的鐵心是由整塊鐵磁材料制成的，此鐵心可以看成是由許多與磁通相垂直的閉合細(xì)絲所組成，因而形成了許多閉合的回路。當(dāng)給線圈通入交變的電流時(shí)，由于通過(guò)鐵心的磁通是隨著電流做周期性變化的，所以在這些閉合回路中必有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。在此電動(dòng)勢(shì)的作用下，形成了許多旋渦形的電流，這種電流就稱為電渦流。電渦流傳感器的工作原理如圖 22所示 。 當(dāng)線圈中通過(guò)高頻電流 i 時(shí)，線圈周?chē)a(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)作用于金屬體，但由于趨膚效應(yīng)，不能透過(guò)具有一定厚度的金屬體，而僅作用于金屬表面的薄層內(nèi)。在交變磁場(chǎng)的作用下金屬表面產(chǎn)生了感應(yīng)電流 Ie，即為渦流。感應(yīng)電流也產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)并反作用于線圈上，其方向與線圈原磁場(chǎng)方向相反。這兩個(gè)磁場(chǎng)相互疊加，就改變了原來(lái)線圈的阻抗 Z， Z 的變化僅與金屬導(dǎo)體的電阻率 ρ、導(dǎo)磁率 u、激勵(lì)電磁強(qiáng)度 i、頻率 f、線圈的幾何形狀 r 以及線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離有關(guān)。線圈的阻抗可以用如下的函數(shù)式表示： Z=F（ ρ、 u、 i、 f、 d）。當(dāng)被測(cè)對(duì)象的材料一定時(shí)， ρ、 u 為常數(shù)，儀表中的 i、 f、 d 也為定值，于是 Z 就成為距 離 d 的單值函數(shù) 。 電渦流式傳感器的原理圖如圖 22所示。 圖 22 傳感器 的原理圖 該圖由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成線圈 — 7 根據(jù)法拉第定律 ， 當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流 I1 時(shí) ， 線圈周?chē)臻g必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng) H1， 使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 I2， I2 又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng) H2。根據(jù)愣次定律 ， H2的作用將反抗原磁場(chǎng) H1， 導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。 由上可知 ， 線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被測(cè)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及幾何形狀有關(guān) ， 又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率有關(guān) ， 還與線圈與導(dǎo)體間的距離 x有關(guān)。因此 ， 傳感器線圈受電 渦流影響時(shí)的等效阻抗 Z的函數(shù)關(guān)系式為： Z=F（ρ ， μ ， r， f， x） 式中 :r—— 如果保持上式中其它參數(shù)不變 ， 而只改變其中一個(gè)參數(shù) ， 傳感器線圈阻抗 Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過(guò)與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗 Z 的變化量 ， 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。 基本特性 電渦流傳感器簡(jiǎn)化模型如圖 23所示。模型中把在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán) ， 即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi) ， 模型中 h由以下公式求得： 圖 23 電渦流傳感器簡(jiǎn)化模型 210 )( fuh r???? （ 22） 式中 :f— 根據(jù)簡(jiǎn)化模型 ， 可畫(huà)出如圖 24 所示等效電路圖。圖中 R2 為電渦流短路環(huán)等效電阻 ， 其表達(dá)式為： 8 inrrhR ln22 ??? （ 23） 圖 24 電渦流傳感器等效電路 根據(jù)基爾霍夫第二定律 ， 可列出如下方程： R11?I +jω L11?I jω L2 2?I = 1?U 式中 :ω —— 線圈激磁電流角頻率 ； R L1—— 線圈電阻和電感 ； L2—— 短路環(huán)等效電感 ； R2—— 短路環(huán)等效電阻。 等效阻抗 Z的表達(dá)式為： ])([)( 222222212222221112 LwLRMwLjwRwLR MwRIUZ ?????????eqeq jwLR ?? （ 24） Req—— 線圈受電渦流影響后的等效電阻 ； Leq—— 線圈的等效品質(zhì)因數(shù) Q 值為 Q=eqeqRwL 綜上所述 ， 根據(jù)電渦流式傳感器的簡(jiǎn)化模型和等效電路 ， 運(yùn)用電路分析的基本方法得到的方程式 ， 即為電渦流基本特性。 電渦流形成范圍 1 線圈 — 導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離 x的函數(shù) ， 又是沿線圈半徑方向 r的函數(shù)。當(dāng) x一定時(shí) ， 電渦流密度 J與半徑 r的關(guān)系曲線如圖 25所示。 由圖可知金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。 Jr 為半徑 r 處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。 ①電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑 ras的 ～ 倍范圍內(nèi) ， 且分 9 ②電渦流密度在短路環(huán)半徑 r=0處為零。 圖 25 電渦流密度 J與半徑 r的關(guān)系曲線 ③電渦流的最大值在 r=ras ④可以用一個(gè)平均半徑為 ras（ ras=（ ri+ra） /2）的短路環(huán)來(lái)集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。 2 理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明 ， 當(dāng) x改變時(shí) ， 電渦流密度發(fā)生變化 ， 即電渦流強(qiáng)度隨距離 x的變化而變化。根據(jù)線圈 — 導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用 ， 可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度中 : I1—— 線圈激勵(lì)電流； I2—— 金屬導(dǎo)體中等效電流； x— — 線圈到金屬導(dǎo)體表面距離； ras—— 線圈外徑。 分析表明 : ①電渦強(qiáng)度與距離 x呈非線性關(guān)系 ， 且隨著 x/ras ②當(dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí) ， 只有在 x/ras1(一般取 ～ )的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度。 圖 26所示為透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。在被測(cè)金屬的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈 L1， 在被測(cè)金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈 L2。當(dāng)在 L1上加低頻電壓 U1時(shí) ，則 L1上產(chǎn)生交變磁通Φ 1， 若兩線圈間無(wú)金屬板 ， 則交變磁場(chǎng)直接耦合 至 L2中 ， L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓 U2。如果將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間 ， 則 L1 線圈產(chǎn)生的磁通將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流。此時(shí)磁場(chǎng)能量受到損耗 ， 到達(dá) L2的磁通將減弱為Φ′ l， 從而 10 使 L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓 U2下降。金屬板越厚 ， 渦流損失就越大 ， U2電壓就越小。因此 ，可根據(jù) U2 電壓的大小得知被測(cè)金屬板的厚度 ， 透射式渦流厚度傳感器檢測(cè)范圍可達(dá)1～ 100mm， 分辨率為 m， 線性度為 1%。 圖 26 透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 基于單片機(jī)的金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案 金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案根據(jù)它的應(yīng)用的不同而不同，這 里引入兩種與本次設(shè)計(jì)應(yīng)用相進(jìn)的金屬探測(cè)設(shè)計(jì)方案，拿它們與我們的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，以突顯出彼此的優(yōu)缺。 正如綜述里所說(shuō)的數(shù)字金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，本次設(shè)計(jì)所要完成的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于單片機(jī)的手持金屬探測(cè)器。其模型如圖 27所示?？梢钥闯鏊伤牟糠纸M成：高頻振蕩、信號(hào)放大、脈沖轉(zhuǎn)換和信號(hào)的處理與報(bào)警，下面簡(jiǎn)單論述以下各個(gè)模塊的功能。 初看上去在結(jié)構(gòu)上和本次設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器很相近，實(shí)際上它們存在本質(zhì)的差別。首先，兩者在設(shè)計(jì)思想上完全不同， 1）高頻振蕩 這一部分是金屬探測(cè)的基礎(chǔ)，金屬探測(cè)器的原理是：當(dāng)金 屬物體置于變化的磁場(chǎng)當(dāng)中時(shí)，金屬內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流，而渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)影響原磁場(chǎng)。高頻振蕩部分的任務(wù)首先就是產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，它往往由一 LC振蕩電路組成。其次，在遇見(jiàn)金屬后由于金屬內(nèi)部渦流的存在，它的磁場(chǎng)會(huì)影響原有磁場(chǎng)，使原有振蕩電路的振幅和周期都發(fā)生改變。這種改變經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)中有相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M(jìn)行分析判斷。 2）放大電路 振蕩電路所產(chǎn)生的正弦波信號(hào)的幅值是比較小的，因此需要放大才能進(jìn)行再處理。 3）脈沖轉(zhuǎn)換電路 這是本套設(shè)計(jì)方案所獨(dú)有的，它是實(shí)現(xiàn)本次金屬探測(cè)數(shù)字化的橋梁，單片機(jī)只能處理數(shù)字脈 沖信號(hào)，因此振蕩電路所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大不能直接送入單片機(jī)，這一部 11 分只需要一個(gè) TTL門(mén)電路對(duì)放大電路輸出的波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換就行，簡(jiǎn)單但很重要。 4）信號(hào)處理與報(bào)警 這一部分是整個(gè)電路的大腦，所有的電路都是為它服務(wù)，這一部分也是整個(gè)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或其他功能的橋梁。作為整個(gè)電路的大腦，它對(duì)整個(gè)電路所產(chǎn)生的信號(hào)做最終的處理，并根據(jù)處理的結(jié)果決定是否存在金屬，是否要發(fā)出警報(bào)。這一部分處理能力的強(qiáng)弱影響這整個(gè)系統(tǒng)的性能。作為與外部進(jìn)行溝通的橋梁，它可以將金屬探測(cè)的信息發(fā)送給外圍模塊供他們進(jìn)行進(jìn)一步的處理，它同時(shí)也接收外圍 模塊傳送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)，如對(duì)金屬探測(cè)的精度或其他方面進(jìn)行設(shè)置。 高 頻 振 蕩 信 號(hào) 放 大 脈 沖 轉(zhuǎn) 換信 號(hào) 處 理 與 報(bào)警電 源 圖 27 手持?jǐn)?shù)字金屬探測(cè)器原理框圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)將影響整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)起著指導(dǎo)性的作用，因此總體設(shè)計(jì)的好壞影響深遠(yuǎn)，這里的軟硬件方案都是經(jīng)過(guò)再三的比較與分析才確定的，硬件和軟件兩個(gè)互相影響，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。由于硬件系統(tǒng)是基礎(chǔ)，是軟件系統(tǒng)得以運(yùn)行的平臺(tái)，因此將它放在前面，先依據(jù)硬件的總體設(shè)計(jì)方案，完成各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，接下來(lái)再根據(jù)軟件模塊的總體方案設(shè)計(jì)程序流程，在硬件電路的基礎(chǔ)之上進(jìn)行調(diào)試 。但在設(shè)計(jì)之初兩個(gè)部分都需經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析，確定總體方案后再分階段進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。 硬件電路設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì)是進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是整個(gè)金屬探測(cè)器中最位重要的部分。它設(shè)計(jì)的好壞決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。本次設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器的框圖如圖 28所示，包括五大部分：線圈振蕩、信號(hào)放大、脈沖產(chǎn)生、中央處理和外圍設(shè)置顯示模塊。 12 圖 28 手持?jǐn)?shù)字金屬探測(cè)器硬件設(shè)計(jì)框圖 。 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1）前端程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 29就是前端軟件的結(jié)構(gòu)圖，從 圖中可以看出前端軟件的主要作用是，頻率測(cè)定、聲光報(bào)警和通訊。它分析判斷前面功能電路傳過(guò)來(lái)的頻率信號(hào)對(duì)它進(jìn)行分析判斷最后決定是否發(fā)出檢測(cè)到金屬的警報(bào)。 圖 29 前端軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 線 圈 振蕩電路 放 大 電 路 脈沖變換電路 CPU AT89C2051 CPU AT89S52 報(bào)警 液晶顯示 鍵盤(pán) 前端軟件 基 準(zhǔn) 頻率測(cè)定 精 度 設(shè)置 頻 率檢 測(cè) 頻率比較 聲 光 報(bào) 警 通 訊 頻率測(cè) 定 比 較 13 2）外圍數(shù)據(jù)處理與顯示程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引入外圍模塊的目的是借助于 PC機(jī)的強(qiáng)大資源或內(nèi)置有大容量編程存儲(chǔ)器的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，從而加強(qiáng)和拓展金屬探測(cè)器的功能。其次，引入了另一中金屬探測(cè)的模式，那就是不需要一定去在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行金屬探測(cè)，將這個(gè)任務(wù)分給在前端進(jìn)行金屬探測(cè)的探測(cè) 小車(chē)，探測(cè)小車(chē)將探測(cè)到的信息通過(guò)無(wú)線模塊即時(shí)的反饋給后臺(tái)的處理系統(tǒng)，而這時(shí)的分析員只需坐在 PC機(jī)前就回對(duì)前端的情況了如指掌。外圍數(shù)據(jù)處理與顯示模塊的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖 210所示。 圖 210 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示軟件結(jié)構(gòu)圖 外圍數(shù)據(jù)處理與顯示 液 晶 顯 示 鍵 盤(pán) 接 收 按 鍵 處 理 通 訊 精度設(shè) 置 建立連 接 14 3 軟件設(shè)計(jì) 硬件電路要完成的任務(wù)是，產(chǎn)生振蕩，并將波形變換為能夠被單片機(jī)處理的方波，接下來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)定、報(bào)警、通訊等都要用程序?qū)崿F(xiàn)最后燒入單片機(jī)。以下是各功能模塊的軟件設(shè)計(jì)。 軟件模塊是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，軟件 部分設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的精度、可用性、方便性和智能性。好的軟件上在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的