【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 基于電磁感應(yīng)原理工作的，依工作方式主要有：? LC振蕩型三類 [23]。? 脈沖感應(yīng)型；? VLF(very low frequency)連續(xù)波型；其中LC振蕩型主要應(yīng)用在小目標(biāo)近距探測(cè)方面，已較少使用，目前廣泛應(yīng)用的金屬探測(cè)器主要是脈沖感應(yīng)型和VLF連續(xù)波型。脈沖感應(yīng)型和連續(xù)波型金屬探測(cè)器都是通過(guò)探測(cè)被測(cè)金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)確定被測(cè)金屬的有無(wú)及種類。脈沖感應(yīng)型金屬探測(cè)器檢測(cè)波形為隨時(shí)間指數(shù)衰減的波形。由于脈沖感應(yīng)型檢測(cè)波形的特殊性，在很大程度上限制了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在脈沖感應(yīng)型金屬探測(cè)器中的應(yīng)用。VLF連續(xù)波型檢測(cè)波形為有特定相位滯后的正弦波，當(dāng)前有很多數(shù)字信號(hào)處理算法適用于VLF連續(xù)波型，連續(xù)波型金屬探測(cè)器具有廣闊的發(fā)展前景。VLF連續(xù)波型金屬探測(cè)器中，接收線圈上的感生電壓主要受介質(zhì)的磁導(dǎo)率影響。鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很高，即μ1，如鑄鐵為200～400。非鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率近似等于真空中的磁導(dǎo)率，部分非鐵磁性物質(zhì)＜1，如銅、銀的相對(duì)磁導(dǎo)率分別為部分非鐵磁性物質(zhì)＞1。當(dāng)鐵磁性物質(zhì)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率偏大，接收線圈上的感生電壓顯著增大。當(dāng)＜1的非鐵磁性物質(zhì)(如銅、銀) 接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率減小，接收線圈上的感生電壓值減小。當(dāng)＞1的非鐵磁性物質(zhì)(如鉑)接近線圈時(shí)，線圈間介質(zhì)磁導(dǎo)率增加，接收線圈上的感生電壓的的電壓幅值微弱增加 [4]。在技術(shù)進(jìn)步的前提下，今日的金屬探測(cè)器有能力作比以前更多、更為復(fù)雜的工作。整體來(lái)講，當(dāng)今的金屬探測(cè)器已經(jīng)出現(xiàn)了兩種最具特色的技術(shù)功能。其中之一是金屬探測(cè)器的網(wǎng)絡(luò)化功能。具備了這種技術(shù)，人們可以在任何一個(gè)地方連接該金屬探測(cè)器，對(duì)儀器進(jìn)行維修，分析所通過(guò)的人流量，并可根據(jù)治安的好壞或威脅的大小，調(diào)整金屬探測(cè)器的工作靈敏度。所有這一切都可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行操作。金屬探測(cè)器的另一個(gè)技術(shù)進(jìn)步就是分段限時(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，世界幾大著名的金屬探測(cè)器生產(chǎn)廠商，如EIPaso、CeiaUSA、Rangeramp。Metorex等，均投入了相當(dāng)?shù)馁Y金從事這項(xiàng)研究、開(kāi)發(fā)工作。它利用探測(cè)器的側(cè)面或另一儀表盤上的燈光來(lái)指示或顯示出人體中金屬物品的近似位置，可以用在諸如法庭以及其他不允許發(fā)出聲音的地方，雖然關(guān)閉了探測(cè)器的音量，但它仍能顯示并提醒操作人員何時(shí)何處有金屬物品存在。金屬探測(cè)器可以與其他的出入控制裝置，如入口讀卡機(jī)等整合在一起。銀行業(yè)是該出入整合設(shè)備的最大客戶。美國(guó)CeiaUSA公司董事長(zhǎng)ScootDennision不久前曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，他們公司已經(jīng)開(kāi)始著手為美國(guó)的幾大銀行安裝整合式金屬探測(cè)器。他們使用的是一種雙門系統(tǒng)，它具備這樣的功能：在第二道門打開(kāi)之前，銀行或其他機(jī)構(gòu)借助于該系統(tǒng)就能夠斷定正在進(jìn)入的人員是否攜帶有槍支等物品。在該系統(tǒng)中，金屬探測(cè)器與CATV、對(duì)講電話系統(tǒng)、出入控制以及其他安全防范手段整合在一起。并且該金屬探測(cè)器，也可以在獨(dú)立的基礎(chǔ)上與出入控制整合在一起。CeiaUSA公司業(yè)已開(kāi)發(fā)出了一種新技術(shù)，能夠在人員通過(guò)金屬探測(cè)器的時(shí)候自動(dòng)刷卡，不但能探測(cè)人員是否攜帶有武器，而且還能進(jìn)行讀寫校驗(yàn)以確定人員是否能合法進(jìn)入該場(chǎng)所。這種名叫MET卡的產(chǎn)品已于去年9月在美國(guó)上市，它借助于近發(fā)無(wú)線電技術(shù)，可使工作人員騰出雙手，免去了手持勞作之苦。在讀卡的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)可根據(jù)工作性質(zhì)、對(duì)象調(diào)節(jié)安全報(bào)警信號(hào)的閾值。如果是一位警察，他依法可以持有槍支，那么該系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)降低報(bào)警的靈敏度；而對(duì)下一個(gè)通過(guò)探測(cè)器的一般人來(lái)說(shuō)，金屬探測(cè)器將自動(dòng)提高或調(diào)整報(bào)警的靈敏度。MET卡也可以安裝在門框中充當(dāng)跟蹤設(shè)備，用以防止貴重物品的丟失和被盜 [26]。前面所講的是金屬探測(cè)器的最新情況，金屬探測(cè)器經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展其技術(shù)上已經(jīng)發(fā)生了幾次飛躍，人類已經(jīng)步入到數(shù)字化時(shí)代，金屬探測(cè)器也順應(yīng)這一時(shí)代的現(xiàn)狀，5無(wú)論是金屬探測(cè)器的網(wǎng)絡(luò)化還是出入整合技術(shù)，都需要強(qiáng)大的數(shù)字電路對(duì)信息進(jìn)行分析處理，在進(jìn)行傳送控制。因此在這種前提下進(jìn)行數(shù)字金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展和需求的。本次金屬探測(cè)器是一種基于單片機(jī)的數(shù)字金屬探測(cè)器，其對(duì)金屬的判斷報(bào)警都是在數(shù)字單片機(jī)內(nèi)完成的，可拓展性強(qiáng)，在對(duì)其加入外圍功能電路后也能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和出入整合。 主要研究?jī)?nèi)容及成果特色金屬探測(cè)器的工作原理簡(jiǎn)單的講就是利用電磁感應(yīng)原理，讓交流電通過(guò)電感線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)能在被檢測(cè)的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流 [3]。渦流反過(guò)來(lái)有影響原來(lái)的磁場(chǎng)，引發(fā)探測(cè)器報(bào)警。 主要研究?jī)?nèi)容根據(jù)本課題工作的實(shí)際背景，研制出一個(gè)物美價(jià)廉的金屬檢測(cè)裝備，重點(diǎn)應(yīng)研究和解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1）原理分析收集金屬探測(cè)器原理和產(chǎn)品的資料，進(jìn)行金屬探測(cè)器資料整理和分析利用。2）完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)調(diào)研結(jié)果和可行性分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框架，初步設(shè)想探測(cè)信號(hào)的產(chǎn)生采用 LC三點(diǎn)式振蕩產(chǎn)生正弦波，經(jīng)放大，濾波，整形產(chǎn)生所需信號(hào)。使得系統(tǒng)的探測(cè)信號(hào)有良好的抗干擾性。3）完成硬件方案的設(shè)計(jì)制作硬件設(shè)計(jì)涉及：LC 振蕩器、放大器、濾波器、中斷計(jì)時(shí)、單片機(jī)電路、輸出電路（報(bào)警或顯示）六部分組成。4）軟件方案的設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)要求完成：測(cè)量功能、動(dòng)態(tài)顯示檢測(cè)結(jié)果、數(shù)據(jù)輸出功能。5）系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試與參數(shù)測(cè)試完成硬件和軟件的聯(lián)合調(diào)試，以及參數(shù)測(cè)量。 成果特色該課題的關(guān)鍵技術(shù)在于信號(hào)的檢測(cè)、傳輸和軟件的識(shí)別，以及實(shí)現(xiàn)方法的討論。目前這些在金屬探測(cè)器領(lǐng)域都有值得摸索的知識(shí)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)在該項(xiàng)技術(shù)上仍是一個(gè)空白。6該課題涉及傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、單片機(jī)和C語(yǔ)言編程等，具有一定的綜合性和復(fù)雜性。本文所完成的設(shè)計(jì)將要努力實(shí)現(xiàn)以下特點(diǎn)：①必須具有足夠高的靈敏度，能檢測(cè)出滿足精度要求的金屬雜質(zhì)；②必須具有足夠高的穩(wěn)定度，能抵抗各種外界環(huán)境的干擾，維護(hù)方便；③快速完成檢測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)和標(biāo)記等任務(wù)；④有良好的人機(jī)對(duì)話界面，可以靈活的修改參數(shù)，有記憶功能；⑤易于擴(kuò)展，有較好的靈活性。 論文結(jié)構(gòu)安排第一章緒論討論金屬探測(cè)器的發(fā)展歷史、應(yīng)用場(chǎng)所、研究現(xiàn)狀，分析課題研究?jī)?nèi)容和成果特色。第二章總體設(shè)計(jì)首先討論金屬探測(cè)的原理，然后進(jìn)行本設(shè)計(jì)金屬探測(cè)器的方案論證，通過(guò)主流技術(shù)方案介紹和分析，提出基于單片機(jī)的的設(shè)計(jì)方案，并且簡(jiǎn)述其可行性，同時(shí)提出硬件單元電路設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹硬件單元電路具體設(shè)計(jì)。第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹軟件具體設(shè)計(jì)。第五章實(shí)現(xiàn)與性能分析介紹硬件單元電路實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，調(diào)試過(guò)程，以及基準(zhǔn)頻率測(cè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析。第六章總結(jié)與展望介紹金屬探測(cè)器總體設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)結(jié)論，并提出改進(jìn)措施。72 總體設(shè)計(jì)金屬探測(cè)器是一種專門用來(lái)探測(cè)金屬的儀器，除了用于探測(cè)有金屬外殼或金屬部件的地雷之外，還可以用來(lái)探測(cè)隱蔽在墻壁內(nèi)的電線、埋在地下的水管和電纜，甚至能夠地下探寶，發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的金屬物體。金屬探測(cè)器自誕生至今40多年過(guò)去了，金屬探測(cè)器經(jīng)歷了幾代金屬探測(cè)的變革，從最初的信號(hào)模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)，再到今天的數(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技術(shù)成果中。無(wú)論是靈敏度、分辨率、探測(cè)精度還是在工作性能上都得到了質(zhì)的飛躍，應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到多個(gè)行業(yè) [27]。 探測(cè)金屬的理論依據(jù)金屬探測(cè)器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來(lái)探測(cè)金屬的，對(duì)于如圖 21 所示的半徑為 R 的單匝圓形電感線圈，當(dāng)其中通過(guò)交變電流 I= 時(shí)，線圈周圍空間會(huì)產(chǎn)生CoswlmI交變磁場(chǎng) 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：（21）wlRxIxIRrIdlRrIdB mrx cos)(2)(24sin 23032320 ??????? ?????其中 ， 為介質(zhì)的磁導(dǎo)率， 為相對(duì)磁導(dǎo)率， 為真空磁導(dǎo)率。r?0 0圖21 環(huán)形載流導(dǎo)線的磁場(chǎng) [19]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)， （非金屬的相對(duì)1?r?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?8所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會(huì)隨 的增大而增大。r?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)，由于非鐵磁性金屬的相對(duì)磁導(dǎo)率，所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會(huì)隨 的減小而減小。由此可見(jiàn)，金屬的出現(xiàn)會(huì)使介1r??r質(zhì)的磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而引起線圈周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化。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。 傳感器原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來(lái)說(shuō)仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，另外還具有體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛。 電渦流式傳感器的工作原理電渦流式傳感器的原理圖如圖 22 所示。該圖由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)。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)，線圈周圍空間必然產(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9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：圖22 傳感器的原理圖 [19]Z=F（ρ，μ，r，f，x）式中:r——線圈與被測(cè)體的尺寸因子。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： （22 ）210)(fuhr????式中:f—線圈激磁電流的頻率。根據(jù)簡(jiǎn)化模型，可畫出如圖 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： （23 ）inrhRl2???10 圖23 電渦流傳感器簡(jiǎn)化模型 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：R1 +jωL1 jωL2 =1?I1?I2?I1?U式中:ω——線圈激磁電流角頻率；RL1——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： （2])([)( 221221 LwRMLjwRMIU?????? eqeqjwR??4）Req——線圈受電渦流影響后的等效電阻；Leq——線圈受電渦流影響后的等效電感。線圈的等效品質(zhì)因數(shù) Q 值為 Q= eqRL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）電渦流的徑向形成范圍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11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)，且分布不均勻。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 [19]③電渦流的最大值在 r=ras 附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)。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）電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系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 的增加而迅速減小。12②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。 低頻透射式渦流厚度傳感器圖 26 所示為透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理