【文章內(nèi)容簡介】 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)近距探測方面，已較少使用，目前廣泛應(yīng)用的金屬探測器主要是脈沖感應(yīng)型和VLF連續(xù)波型。脈沖感應(yīng)型和連續(xù)波型金屬探測器都是通過探測被測金屬感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場確定被測金屬的有無及種類。脈沖感應(yīng)型金屬探測器檢測波形為隨時(shí)間指數(shù)衰減的波形。由于脈沖感應(yīng)型檢測波形的特殊性，在很大程度上限制了數(shù)字信號處理技術(shù)在脈沖感應(yīng)型金屬探測器中的應(yīng)用。VLF連續(xù)波型檢測波形為有特定相位滯后的正弦波，當(dāng)前有很多數(shù)字信號處理算法適用于VLF連續(xù)波型，連續(xù)波型金屬探測器具有廣闊的發(fā)展前景。VLF連續(xù)波型金屬探測器中，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，今日的金屬探測器有能力作比以前更多、更為復(fù)雜的工作。整體來講，當(dāng)今的金屬探測器已經(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器，對儀器進(jìn)行維修，分析所通過的人流量，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、開發(fā)工作。它利用探測器的側(cè)面或另一儀表盤上的燈光來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CeiaUSA公司董事長ScootDennision不久前曾經(jīng)說過，他們公司已經(jīng)開始著手為美國的幾大銀行安裝整合式金屬探測器。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，金屬探測器與CATV、對講電話系統(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)已開發(fā)出了一種新技術(shù)，能夠在人員通過金屬探測器的時(shí)候自動(dòng)刷卡，不但能探測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)入該場所。這種名叫MET卡的產(chǎn)品已于去年9月在美國上市，它借助于近發(fā)無線電技術(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)、對象調(diào)節(jié)安全報(bào)警信號的閾值。如果是一位警察，他依法可以持有槍支，那么該系統(tǒng)就會自動(dòng)降低報(bào)警的靈敏度；而對下一個(gè)通過探測器的一般人來說，金屬探測器將自動(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器的最新情況，金屬探測器經(jīng)過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，金屬探測器也順應(yīng)這一時(shí)代的現(xiàn)狀，5無論是金屬探測器的網(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。本次金屬探測器是一種基于單片機(jī)的數(shù)字金屬探測器，其對金屬的判斷報(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。 主要研究內(nèi)容及成果特色金屬探測器的工作原理簡單的講就是利用電磁感應(yīng)原理，讓交流電通過電感線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場，該磁場能在被檢測的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生感生渦流 [3]。渦流反過來有影響原來的磁場，引發(fā)探測器報(bào)警。 主要研究內(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)廉的金屬檢測裝備，重點(diǎn)應(yīng)研究和解決以下幾個(gè)方面的問題：1）原理分析收集金屬探測器原理和產(chǎn)品的資料，進(jìn)行金屬探測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)想探測信號的產(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。使得系統(tǒng)的探測信號有良好的抗干擾性。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：測量功能、動(dòng)態(tài)顯示檢測結(jié)果、數(shù)據(jù)輸出功能。5）系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試與參數(shù)測試完成硬件和軟件的聯(lián)合調(diào)試，以及參數(shù)測量。 成果特色該課題的關(guān)鍵技術(shù)在于信號的檢測、傳輸和軟件的識別，以及實(shí)現(xiàn)方法的討論。目前這些在金屬探測器領(lǐng)域都有值得摸索的知識點(diǎn)，國內(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快速完成檢測數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲和標(biāo)記等任務(wù)；④有良好的人機(jī)對話界面，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器的發(fā)展歷史、應(yīng)用場所、研究現(xiàn)狀，分析課題研究內(nèi)容和成果特色。第二章總體設(shè)計(jì)首先討論金屬探測的原理，然后進(jìn)行本設(shè)計(jì)金屬探測器的方案論證，通過主流技術(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)試過程，以及基準(zhǔn)頻率測定方法的優(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)金屬探測器是一種專門用來探測金屬的儀器，除了用于探測有金屬外殼或金屬部件的地雷之外，還可以用來探測隱蔽在墻壁內(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。金屬探測器自誕生至今40多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾代金屬探測的變革，從最初的信號模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)，再到今天的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種技術(shù)成果中。無論是靈敏度、分辨率、探測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]。 探測金屬的理論依據(jù)金屬探測器是采用線圈的電磁感應(yīng)原理來探測金屬的，對于如圖 21 所示的半徑為 R 的單匝圓形電感線圈，當(dāng)其中通過交變電流 I= 時(shí)，線圈周圍空間會產(chǎn)生CoswlmI交變磁場 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 [19]由公式（21）可知，當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)無金屬物時(shí)， （非金屬的相對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磁導(dǎo)率 ，1?r?8所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會隨 的增大而增大。r?當(dāng)線圈有效探測范圍內(nèi)出現(xiàn)非鐵磁性金屬物時(shí)，由于非鐵磁性金屬的相對磁導(dǎo)率，所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 也會隨 的減小而減小。由此可見，金屬的出現(xiàn)會使介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，置于該交變磁場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生自行閉合的渦電流，渦流要產(chǎn)生附加的磁場$與外磁場方向相反$會削弱線圈磁場的變化。金屬的電導(dǎo)率 越大，線?圈中通過的交變電流的頻率 越大，則渦電流強(qiáng)度就越大，對原磁場的抑制作用越強(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$還是金屬的渦流效應(yīng)均能引起磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的變化。本設(shè)計(jì)正是基于上述理論，尋找一種適合的傳感器來感應(yīng)金屬的出現(xiàn)而引起的線圈磁場變化$并把磁場信號的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化，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)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(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說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對位移、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 H1，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 I2，I2 又產(chǎn)生新的交變磁場 H2。根據(jù)愣次定律，H2 的作用將反抗原磁場 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金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率 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)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗 Z 的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的測量。 基本特性 電渦流傳感器簡化模型如圖 23 所示。模型中把在被測金屬導(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