（电工理论与新技术专业论文）一种高灵敏度金属探测器的研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学颂l ：学位论义 a h i g hs e n s i t i v i t ym e t a l d e t e c t o r a b a t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fm e t a ld e t e c t o r si sm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm o d e ml i f e t h e r e w i t h ，i m p r o v i n ga n dp e r f e c t i n gt ot h e i rf u n c t i o n sh a v ed r a w nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o no fc l i e n t s t h i sp a p e rt o o km e t a li m p u r i t ym i x e di nc a b l e i n s u l a t i v e m a t e r i a l s ( p l a s t i cs m a l lg r a i no fd i a m e t e r 4 m m ) a sr e s e a r c ho b j e c t ，a n dd e s i g n e da m e t a ld e t e c t o ru s e do nc a b l e m a t e r i a lc o n v e y e rb e l tb a s e do nt h ep r o p e r t i e so fe d d y c u r r e n ts e n s o r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ne d d yc u r r e n t s e n s o r s e n s i t i v i t y , t h i s d i s s e r t a t i o np r o p o s e du s i n gm n - z nf e r r i t ea st h em a t e r i a l f o r d e t e c t o r sc o r e so fm e t a ld e t e c t o r t h i sp a p e rr e s p e c t i v e l ys i m u l a t e da n dc o m p u t e d m a g n e t i cl i n e ，m a g n e t i ci n d u c t i o nv a l u e ，m a g n e t i cf lu x ，i n d u c t a n c ea n di m p u r i t yl o s s o fd e t e c t i n gm a g n e t i cc o r e so fab i gm a g n e t i cp o l e ，u n i l a t e r a la r r a ym a g n e t i cp o l e s a n ds y m m e t r ya r r a ym a g n e t i cp o l e sb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f ta n s y s t h e n a n a l y s e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa l l k i n d so fm a g n e t i cc o r e s ，d e s i g n e d t h es t r u c t u r eo fd e t e c t i n gm a g n e t i cc o r e s ，a n dd e t e r m i n e dt h ef r e q u e n c yo fe x c i t i n g s o u r c e i nd e t e c t i n gm a g n e t i cc o r eo fs i n g l eb i gm a g n e t i cp o l e ，i ti sv e r yl i t t l et h a tt h e e f f e c to fe d d yc u r r e n tt oe x c i t i n gm a g n e t i cf i e l d ，a n dt h ed e t e c t i v es e n s i t i v i t yi sv e r y l o w ；a l t h o u g hd e t e c t i n gm a g n e t i cc o r e so fu n i l a t e r a la r r a ym a g n e t i cp o l e s h a s i m p r o v e dt h ep r o b l e m so fd e t e c t i n gm a g n e t i cc o r eo fs i n g l eb i gm a g n e t i cp o l e ，b u t t h el i f t o f fe f f e c ti nd e t e c t i o na r e ai st o oo b v i o u s ，s ot h es e n s i t i v i t yo fd e t e c t o r sw i l l b er e d u c e d ；t h el i f t o f fe f f e c tm a yb er e d u c e dal o tw h e nt h es y m m e t r ya r r a y m a g n e t i cp o l e ss y s t e mi sa c t e da sd e t e c t i n gc o r e t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p u t i o n u s i n ga n s y ss o f t ，f o rt h es t u d yp r o b l e m ，w ef o u n dt h a tw h e nt h es p a c i n gb e t w e e n d e t e c t i n gp o l e si s3 m m ，t h em a g n e t i ci n d u c t i o nv a l u e sa r ea l m o s te q u a l i t yo nt h e s a m eh o r i z o n t a ll i n ei nd e t e c t i o na r e a ；w h e nt h ee x c i t i n gf r e q u e n c yi sm o r et h a n 1m h z ，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fm e t a l i r o n i m p u r i t yc h a n g e ds l o w l y w i t h f r e q u e n c yi n c r e a s i n g t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rc h o s e dt h es y m m e t r ya r r a ym a g n e t i c p o l e sa st h em a g n e t i c c o r eo fd e t e c t o r , t h es p a c i n gb e t w e e nd e t e c t i n gp o l e sw a ss e ta s 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 3 m m ，a n dt h ef r e q u e n c yo fe x c i t i n gs o u r c ew a ss e ta s1m h z t h i s p a p e ra l s od e s i g n e d a h i g h f r e q u e n c y d e t e c t i o n c i r c u i t i tc o n t a i n s o s c i l l a t i n gc i r c u i t ，s i g n a l a m p l i f i e dc i r c u i t ，r e s o n a n tc i r c u i t ，p e a kv a l u ed e t e c t i o n c i r c u i t ，v o l t a g ec o m p a r i n gc i r c u i ta n ds o u n d li g h ta l a r mc i r c u i ta n ds oo ns e v e r a l p a n s w h e nt h e r ew e r es o m ei m p u r i t i e si nd e t e c t i o na r e a ，t h ev o l t a g ec o m p a r a t o r w o u l dp u to u t5 vv o l t a g e ，d r i v i n g f o l l o w u pc i r c u i t st og i v es o u n d l i g h ta l a r m t h r o u g ht e s t i n g ，t h ee f f e c to fe d d yc u r r e n to nt h ep h a s eo fo u t p u tv o l t a g ec o u l db e c o m p l e t e l yo b s e r v e db yo s c i l l o g r a p h ；i nt h ec a s eo fo n l yc o n s i d e r i n ga m p l i t u d e v a r i m i o n ，t h ed e t e c t o rd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nd e t e c ti r o n b a l lo fd i a m e t e r1m m a n dc o p p e rb a l lo fd i a m e t e r2 5 m ma c c u r a t e l y i fc o n s i d e r i n gp h a s e ，t h es e n s i t i v i t y w o u l db em u c h h i g h e r k e y w o r d sm e t a ld e t e c t o r , e d d yc u r r e n ts e n s o r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n s y s 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文一种高灵敏度金属探测器的 研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：王协红日期：伽俨弓月伊日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 一种高灵敏度金属探测器的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密凼。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 瑚鲤 诼乌 j _ 。q 日期：例尹年5 月侈e 1 日期：秒秒尹年3 月伊日 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 会属探测器( m e t a ld e t e c t o r ) 是一种专门用来探测会属的仪器，除了用于探 测传送带上的物体间或物体中混有的金属杂质外，还可用来探测地雷，隐蔽在 墙壁内的电线、埋在地下的金属水管和电缆，甚至能够地下探宝，发现埋臧在 地下的会属物体。目前还广泛应用于各种大型会议中心、会展场馆、体育场 馆、车站、及娱乐场所的安全检查和工厂企业的防盗检查。 目日i ，会属探测器大致分为三种类型： 1 ) 安装在冶金、烧结、水泥、玻璃、造纸、化工、卷烟等工厂和矿山生产 线的自动传送皮带上，用以检测矿石、烟草等原料中混入的废会属，保护破碎 机不受损坏，此类探测器称为“工业型金属探测器”。 2 ) 随着交通、旅游、会融和娱乐事业的发展，在机场、银行、珠宝店和珠 宝制造厂、贵金属矿、贵会属加工厂等，需要对过往人员进行检测，以使贵重 物品不丢失及排除危险品、枪支等，此类探测器称为“安全型会属探测器”。 3 ) 随着人们生活水平的提高，对于衣食住行的关注越来越多，在食品加 工、食品包装、成衣制作、纺织制品、木材加工等，需要对其加工过程或者出 厂产品进行检测，这种探测器又称为“生活型会属探测器”。 事实上，今天的金属探测器不但可以从事的工作相当繁多，探测的物品不 仅仅局限于标准的武器或刀具，还可以探测n d , n 计算机芯片之类的元件以及 微量的黄会碎渣。据了解在我国中成药的生产中，对其成品药丸中混入直径 1 0 9 m 以下、长2 3 m m 的铜丝都要进行探测；在香肠等食品行业的成品检测 中，同样要求检测出大头针和订书针一半以下的会属物”“。 1 2 金属探测器的发展历史与前景 1 2 1 金属探测器的发展历史 世界上第一台金属探测器诞生于1 9 6 0 年。2 0 世纪7 0 年代初，芬兰麦特 瑞克( m e t o r e x ) 安全产品公司研制出世界上第一台用于安检的金属探测门， 哈尔滨理t 人学t 学坝l j 学位论义 并首先在美国芝加哥机场投入使用，它的出现意味着人类对安全的认知己步入 新纪元1 4 。4 0 多年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的 信号模拟技术到连续波技术直到今天使用的数字脉冲技术，会属探测器在简单 的磁场切割原理基础上引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测 精确度还是工作性能都有了质的飞跃，应用领域也随着产品质量的提高推广到 多个行业。 2 0 世纪7 0 年代随着航空业的迅速发展，劫机等危险事件的发生使航空及 机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物 品的重要角色。同样在2 0 世纪7 0 年代，由于会属探测门在机场安检中崭露头 角，大型运动会( 如奥运会) 、展览会及政府重要部门的安全保卫工作中，会属 探测门成为必不可少的安检设施。发展到2 0 世纪8 0 年代，监狱暴力案件呈直 线上升趋势，金属探测门再次成为美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机 构必备的安检设备。与此同时，西方兴起的“寻宝热”也使手持式、便携式金 属探测器得到长足的发展i 。进入2 0 世纪9 0 年代，迅速升温的电子制造业成 了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品流失的尴尬局面，陆续采用 金属探测门和手持式金属探测器成为管理员工行为和减少产品流失的利刃。于 是金属探测器又有了新的角色产品防盗。然而，此时简单的通道式会属探 测门已不能完全满足要求，安保人员需要的是一种能准确判定会属物品藏匿位 置的安检产品。于是多区位金属探测技术应运而生，它的诞生是金属探测器发 展历史上的又一次变革，原来单一的磁场分布变成了现在相互叠加而又相对独 立的多个磁场，再根据人体工程学原理把门体分为多个区段使之与人体相对 应，相应的区段在会属探测门上形成相对的区域，这样会属探测门便拥有了报 警定位功能。 除了通道式安检门之外，还有一种手持式余属探测器，它是便携式的，既 可以独立使用又可以和安检门配合。在某些情况下，与安检门配合使用不仅能 有效地防止漏报，还能大大提高检测效率。目前市场上的手持式探测器主要以 声、光报警为主，但现在已有了一种既能声音报警又能振动报警的手持式探测 器m 1 。除了有两种报警方式外，手持式探测器设计精巧、易于操作、可实现 3 6 0 0 范围探测，三色l e d 指示灯使操作更加简便，手柄依据人体工程学设 计，操作方便。同时一种新式的通道式安检门已经问世，它利用离子俘获质子 漂移技术和气相层析技术，能在短时间内查出被检查者身上是否携带炸药、毒 品和生化武器，从而使安检工作提高到一个新的水平。 哈尔滨理t 人学t 学坝i 。学位论义 1 2 2 金属探测器的发展方向 1 网络化发展在技术进步的前提下，今同的会属探测器有能力作比以前更 多、更为复杂的工作。整体来讲，当今的会属探测器已经出现了两种最具特色 的技术功能。其中之一是会属探测器的网络化功能。具备了这种技术，人们可 以在任何一个地方拨打该会属探测器，对仪器进行维修、分析所通过的人流 量，并可根据治安的好坏或威胁的大小，调整余属探测器的工作灵敏度，所有 这一切都可以远距离进行操作。金属探测器的另一个技术进步就是分段限时技 术的出现。它利用探测器的侧面或另一仪表盘上的灯光来指示或显示出人体中 会属物品的近似位置，可以用在诸如法庭以及其它不允许发出声音的地方，虽 然关闭了探测器的音量，但它仍能显示并提醒操作人员何时何处有金属物品存 在。 2 出入整合会属探测器可以与其它的出入控制装置，如入口读卡机等整合 在一起。银行业是该出入整合设备的最大客户。美国c e i au s a 公司董事长 s c o o td e n n i s i o n 曾经说过，他们公司已经开始着手为美国的几大银行安装整合 式会属探测器。他们使用的是一种双门系统，它具备这样的功能：在第二道门 打丌之日订，银行或其它机构借助于该系统就能够断定j f 在进入的人员是否携带 有枪支等物品。在该系统中，金属探测器与c c t v ( c l o s e dc i r c u i tt e l e v i s i o n ，闭 路电视) 、对讲电话系统、出入控制以及其它安全防范手段整合在一起。该会 属探测器，也可以在独立的基础上与出入控制整合在一起。c e i au s a 公司业 已丌发出了一种新技术，能够在人员通过金属探测器的时候自动刷卡，不但能 探测人员是否携带有武器，而且还能进行读写校验以确定人员是否能合法进入 该场所。在读卡的基础上，该系统可根据工作性质、对象，调节安全报警信号 的阀值。m e t 卡也可以安装在门框中充当跟踪设备，用以防止贵重物品的丢 失和被盗。 3 形状、体积的非常规性r a n g e r & m e t o r e x 最近新丌发的一种产品看起来 根本就不像一台金属探测器，该产品名叫身体安全扫描器( b o s s ) ，被设计成形 状、大小与椅子及其相似，最初是为监狱等机构设计的，用于探测囚犯是否在 体内藏匿有手拷钥匙或刮胡子刀片等诸如此类的违禁物品。尽管该产品目前主 要被用在监狱等执法机构中，但工业界对此已表示出了极大的兴趣，尤其是珠 宝和计算机芯片制造商。所有你需要做的就是坐进椅子当中，当然这意味着磁 场高度局部化。这样可以提高安全可靠性和工作准确度，因为当人体通过般 的金属探测门时，余属探测门往往很难探测出藏匿在体内的小型金属物品。 n f i d e j ! ! l ! t 人学t 学硕i j 学位论文 另一种新型的金属探测器具备超轻型和易于便携的功能。f x 1 2 是最具代 表性的便携式余属探测器，工作人员可在5 分钟内安装或拆卸，操作极其简 单。它使用一副9 伏电池或a c 转换器充当电源，整机重达6 0 磅。该金属探 测门共具有三种灵敏度，可根据实际环境予以调整。该种机型价格十分低廉， 可用于学校、市场以及集会等场合的安全保卫工作k i 。 1 2 3 国内金属探测器发展状况 随着国内安防行业的蓬勃发展，在安检领域，国内出现了多个会属探测器 生产厂商，但从国内市场占有率上来看国外品牌占有8 0 的市场份额，民航市 场也一直是国内会属探测器的禁区协。究其原因，大部分是因为产品质量不过 关导致得不到相关的认证。其实，国内余属探测器产品的研发、生产和推广， 近几年已获得较大进步。但是，犹如其它电子类产品一样，金属探测器同样出 现了电路仿制、性能相同、功能繁多、华而不实的现象旧i 。目前国内金属探测 器只才能检测会属物品，而像炸药、毒品等非金属危险物品却查不出来，虽然 某外国公司现己进入丌发阶段，但相信推出使用还需一段时间。然而我们衷心 的希望国内各厂家相互整合各自优势，寻求规模效应，及早推出具有国际先进 水平的金属探测器，使安全防范再次提高到一个新的水平，使国产金属探测器 早同进入国际市场。 1 3 研究金属探测器的目的和意义 根据北欧化工公司关于电缆料洁净程度的评定标准，6 3 6 k v 和3 6 1 6 1 k v 两个电压等级的电缆料主要差别在于杂质的含量及评定的严格程度。对于高电 压等级电缆料，要求l 埏抽样压片检测中7 0 1 0 0 “m 杂质含量少于l o 个，并且 还要进行8 k g 的抽样颗粒检测，产量2 的在线颗粒检测和会属颗粒检测与剔 除”o 。如果能获得洁净的基础树脂，生产高电压等级的电缆料原则上是没有困 难的l 。成品的电缆料是直径只有4 m m 左右的小颗粒，在这些小颗粒之间或 小颗粒之中可能会有微小的会属杂质，这些杂质的存在会使电缆的绝缘性能大 大降低，而目自订生产厂家对这些微小颗粒还没有有效的去除方法。市场上现有 的会属探测器所检测的或者是游离状的大块会属检测灵敏度低；或者就是价格 昂贵，都不适合安装在次生产线上。本课题尝试着通过设计一种新的会属探测 器的结构，来提高灵敏度、降低价格。鉴于和实际生产线的统一性，本课题以 安装在传送带上的余属探测器为模型进行设计。 哈尔滨理丁人学t 学顺i j 学位论义 第2 章涡流传感器的原理与设计 2 1 涡流检测的发展史 涡流现象的发现及利用已有上百年的历史。早在1 8 2 4 年，加贝就发现了 铜板对摆动的磁铁有阻尼现象，提出了涡流存在的试验。几年以后付舛指出： 在非均匀强磁场中运动的铜盘中有电流存在。1 8 3 1 年，法拉第发现了电磁感应 现象，并在实验的基础上提出了电磁感应定律。1 8 7 9 年，英国人休斯利用感生 涡流的方法对不同的会属进行了实验判断不同金属和合会。但是，休斯以后的 很长一段时间内，涡流检测技术发展缓慢”引。 2 0 世纪5 0 年代初，德国的福斯特等人提出了利用阻抗分析方法来鉴别涡 流实验中各个影响因素的新见解，为涡流检测技术的结果分析和设备研制提供 了新的理论依据，涡流检测技术的发展得到实质性的突破，并步入实用化的阶 段。此后，随着电子技术，尤其是计算机和信息处理技术的发展，影响和促进 了涡流检测方法与设备的不断更新和发展。 迄今为止，涡流仪器的发展经历了三代。第一代是模拟类仪器，主要是采 用分立元件往往体积庞大、操作复杂、运行故障多、抗干扰能力差。第二代为 数字式仪器，其基本原理是将模拟信号测量转化为数字信号测量，并以数字形 式显示或打印最终结果。这种仪器提高了系统运行的可靠性，减小了系统的体 积和重量，具有测量精度高、响应速度快、读数直接准确的优点。随着微型计 算机的广泛应用，2 0 世纪7 0 年代后期出现了第三代仪器智能仪器。这种 仪器内部含有微处理器，具有数据采集、数据处理、显示记录、传输和测试过 程自动控制等一系列功能，甚至还能辅助专家分析和进行决策。2 0 世纪9 0 年 代以来，计算机技术和电子技术的发展同新月异，使涡流检测技术又有了很快 的进步，如计算机技术实现参数控制、数据分析和图形处理等3 一引。 2 2 涡流传感器工作原理 2 2 1 涡流传感器工作原理 在许多电工设备中存在有大块导体( 如发电机和变压器的铁心和端盖等) 。 哈尔演理丫人学t 学硕i 学位论义 当这些大块导体处在变化的磁场中时，其内部都会感应出电流。这些电流的特 点是：在大块导体肉部自成闭合网路，呈涡旋状流动。因此，称之为溺旋电 流，简称涡流引。涡流与其它电流一样也要产生磁场，这个磁场是减弱外磁场 的变化，即涡流具有去磁效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建 立起来的。 如图2 1 所示，个通有交变电流，。的传感器线圈，豳于电流的变化，在 线圈周围就产生一个交变磁场疗，当被测金属置于该磁场范围内，会属导体 内便产生涡流，涡流也将产生一个新磁场疗，在线圈和涡流回路的中心处 露，与露，丽相旦参考方向相反，因焉抵消部分原磁场，从藤导致线圈的电感 量、阻抗和品质因数发生变化。由图可以看出，线圈与余属导体之间存在磁场 的联系。涡流传感器对余属物体进行测量时，在被测导体中形成的电涡流可等 效为一短路环电流，从而使线斟和被测金属体可等效为相互耦合的两个线圈， 等效电路如蚕2 2 所示，蜀为线圈电阻；厶为线圈电感：怒为短路环电阻； 厶为短路环电感；u 。为激励电压：m 为线圈与短路环的互感。 酞 粼2 1 巍流缀理示意鹜 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe d d yc u r r e n t 鲢2 2 满流臀效电路隧 f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fe d d yc u r r e n t 2 。2 。2 涡流传感器特性分析 没有会属物体通过传感器检测区域时，传感器线圈原有电阻为露l ，电感为 三l ，则其阻抗为 z o 然r l - i - j c o l l( 2 。1 ) 当有会属物体通避传感器探测区域时，涡流等效电路强变力鋈2 2 所示。 根据基尔霍夫定律，可列出电路方程组为 哈尔滨理t 人学t 学颂i j 学位论义 ，i + 础l 一缈m 2 = u( 2 2 ) 【r 2 1 2 + j a i l 2 ，2 一j c o m l l _ 0 。 求解上述方程组可得，有金属物体通过传感器探测区域时线圈等效阻抗 为： z = u j 。i r j + r 2 i 薯丽( _ 0 2 m 2 + 国 ，一：j 鼋鼍芋茜】( 2 - 3 ) 等效电阻、等效电感分别为： r = 尺+ j 篓号三0 尘9 ( 2 - 4 ) 尺：+ 2 e 、7 k 厶一若箍 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 式中：q o = 础。r 。为无导体影响时线圈的g 值；z 2 = 尺；+ ( 础2 ) 2 为导体中 产生的电涡流环流阻抗的大小。 比较式( 2 1 ) 与式( 2 3 ) 可知，涡流的作用使得阻抗的实部( 电阻部分) 增大， 而虚数部分等效电感是增大还是减小，这主要由会属导体材料而定。当金属导 体为非磁性材料时，由于厶值不变，所以等效电感就减小；当金属材料为磁 性材料时，由于导体被磁化使厶增大，在低频时增大得比式( 2 5 ) 中的第二项增 加得还多，因此等效电感将增大，在高频时可能没有式( 2 5 ) 中的第二项增加 得多，因此等效电感是减小的。到底是增大还是减小，除了与频率有关外还 与磁性材料的磁导率有关。 由上可知，参数变化，能引起线圈阻抗z ，的变化，即能引起线圈等效电感 、等效电阻足和线圈品质因数q 值的变化。所以可对涡流传感器的z l 、三、 尺、q 中的任一个参数进行测量即可达到测量金属是否存在的目的。 这样，会属导体的电阻率p 、磁导率、线圈与金属导体的距离z 以及线 圈激励电流的角频率彩等参数，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联 系。或者说线圈阻抗是这些参数的函数。线圈的阻抗z ，可用如下函数表示引： z = s ( p ，x ，彩)( 2 - 7 ) 擎事生厶一生噩 哈尔滨理t 人学t 学顾i j 学化论文 若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数这样阻抗就能 成为这个参数的单值函数。例如被测材料的情况不变，激励电流的角频率不 变，则阻抗z 就成为距离x 的单值函数，便可制成涡流位移传感器。 2 3 金属探测器的设计方案 目前，感应式金属探测器根据基本原理和检测线路的不同，大致可分为四 种类型，即差频式、自激感应式、耗能式( 功率吸收式) 和平衡式。 1 差频式金属探测器差频式金属探测器的探头包括两个振荡器，如图2 3 所示，其中，探测振荡器一般选择电容三点式振荡器，振荡频率记为z ，参考 振荡器可以选择为电容三点式振荡器或阻容r c 振荡器，振荡频率记为 。 幽2 - 3 著频式探测器框图 f i g 2 - 3s c h e m a t i co ff r e q u e n c yd i f f e r e n c ed e t e c t o r 电容三点式振荡器的振荡频率计算公式如式( 2 8 ) 所示，其中c 卜c 2 为振 荡器的两个电容，厶为振荡器的电感。 z = 2 n ( 2 8 ) r c 振荡器的振荡频率计算公式如式( 2 9 ) 所示，其中c 为振荡器的电容， 足为振荡器的电阻。 1 5 斋( 2 - 9 ) 从上两式看出，当振荡电路的参数确定以后，振荡频率一与电感量和不 变的电容c l ，c 2 有关，电感量的增减与被测物体的性质和大小等有关。参考 振荡器的振荡频率 略大于z ，z 与 在混频器中混频，可得到两种频率 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 力奶和办斩。混频器输出的信号通过滤波器选取差频信号五历，然后进行f 变换，将信号频率的变化转换为电压的变化，最后将信号送入放大器，经放大 后输出，推动灯光显示或者报警。 参考振荡器选择r c 振荡器时，从式( 2 9 ) 可以看出，当五高于1 0 0 k h z 时，电阻尺及电容c 都要选择非常小的数值，在实际应用中受外界的影响就 比较明显。这也是应用r c 振荡器的缺陷之一。 此种探测器的探测线圈一般为空心线圈“m 仃一刖，当会属物体接近探测线圈 时，由于会属体的涡流、能耗、导磁性以及线圈周围媒质的变化，引起了线圈 电感量的变化，从而使振荡频率发生改变。此种探测器主要用于探测大块金属 体，对于小会属尤其是非磁性会属( 铜、锅等) 探测灵敏度较低。 2 自激感应式金属探测器自激振荡式会属探测器轨圳多数采用l c 振荡器 作为会属物体的探测电路，工厂或矿山应用较多。其检测电路框图如图2 4 所 不。 图2 4 臼激振荡式探测器框图 f i g 2 4s c h e m a t i co f s e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nd e t e c t o r 当混有会属的物料进入探测器的探测区域时，由于会属体的涡流、能耗、 导磁性以及线圈周围媒质的变化，引起了线圈电感及电阻的变化，从而使振荡 频率以及电压发生改变。为不影响振荡器的正常工作，从振荡器取出的信号是 个微弱的小信号，经放大器放大后输出给峰值检波电路。振荡器在币常情况 下输出等幅值的交流电压，检波后为不变的直流信号，因而输出微分信号为 零。当会属物体经过线圈时，振荡器的振幅发生变化，检波后的直流电压产生 个波动，经微分电路微分后，将有脉冲信号输出。此脉冲信号经放大器放大 后，推动继电器动作，并进行显示或报警。 合属物体不但引起电压的变化，同时也引起了频率的变化，文献f 1 9 】中应 用了8 9 c 2 0 5 1 单片机同时检测电压与频率的变化，然后将这种变化转变为电压 的增量和频率的增量，并对这些增量的变化进行判断，执行机构电路发出报 警。但是由于选用空心线圈，并且没有对探测磁极部分做出改进，因此探测灵 a 尔滨删t 人学t 学顺i j 学位论义 敏度也很低，磁性物料能探测出长2 9 r a m ，宽2 5 m m ，厚1 2 r a m ，重约2 0 5 蚝 的物体。 3 耗能式( 功率吸收式) 金属探测器门框式金属探测器属于此种类似，它可 分辨出金属的性质、大小，并可对监视对象实现连续监视，对预定物体发出预 警。图2 5 就是一种门框式会属探测器。 图2 5 耗能式探测器原理图 f i g 2 - 5s c h e m a t i co fe n e r g yd e t e c t o r 图2 5 中如果监视区a 有某一物体通过，则由信号测量和处理电路测出对 应f 和 两种频率的同相分量风和异相分量b ，值，将毋分量送入比较电路n 进行比较后输出值即为待测物体的蝇与r ，将此值再送入比较电路p 与给 定值( 即是某一要报警物体的尸 ，尸r 应具有的数值) 进行比较，若两者相 符，比较器p 有输出。而所测得的异相分量风，送入比较电路m 与比较信号 b ( 即为某物体在固定频率时的异相值) 进行比较。当两者相符合时比较器m 有 输出，若两比较器p 、m 同时有输出即表示a 区通过的待测物体的有功分量和 无功分量均符合要求，则门电路b 有输出可推动报警电路发出报警。 能耗式会属探测器他2 三”与一般余属探测器不同，它为多频率的。因为有些 金属探测门要能实现对会属的准确定位，所以要将门内的探测区域在竖直方向 上等分成儿个独立的探测区域，每个探测区域两边分别放置一个探测线。耗能 式会属探测器在安全检查方面有着很重要的作用。 4 平衡式金属探测器平衡式会属探测器”引的探测线圈是由三个线圈组成 哈自、滨埋t 人学t 学彤 1 ：学位论史 的，图2 - 6 为线圈安装方式示意图。根据电磁场理论，发射线圈产生的交变磁 场在两个差动连接的接收线圈中分别产生一个同频、反相、等幅的感应电动 势，两者相消即形成接收平衡。 接收线嘲 削2 - 6 线罔安装方式示意幽 f i g2 6i n s t a l l a t i o nd i a g r a mo f c o i l s 当含有金属杂质的产品通过传感器时，线圈周围的磁场由于产品的进入发 生变化，在接收线圈处检测出这个磁场变化引起的电压差，通过滤波电路滤除 高频干扰信号放大所需的低频电压信号，送给相应的显示、报警电路信号引 起动作。平衡式余属探测器的优点在于它能有效的去除外界带来的电磁干扰或 由于振动、冲撞引起的磁场变化带来的干扰。缺点是金属在两线圈中间位置时 存在探测盲区。另外，传感器的口径根据检测对象的不同和对灵敏度的要求有 很大的区别。就测试小会属而言，大口径探测器的灵敏度非常低。 2 4 金属探测器的设计 2 41 涡流及涡流损耗 电磁场理论由麦克斯韦方程组“描述分析和研究电磁场的出发点就是对 麦克斯韦方程组的研究，包括这组方程的求解与实验验证。麦克斯韦方程组准 静态场的微分形式表示为 vx = d ( 2 - 1 0 ) v 屉一警 ( 2 - 1 i ) vd = p ( 2 1 2 ) v 雪= 0 ( 2 1 3 ) 式中：露为磁场强度矢量；秀为磁通密度矢量；雷为电场强度矢量；西为电位 移矢量；7 为传导电流密度矢量：p 为自由电荷体密度。 若将( 2 1 0 ) 式的两边取旋度，并运用恒等式：v v xf = v ( v - f ) 一v 2 f 将 左边展开，得 v 2 庸= 缈鲁 v 2 霹嘴詈 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 这就是在准静态场近似下，线性均匀各项同性导体中任一点电场强度盖、 磁场强度豆满足的微分方程。 将盒属杂质近似看成是一块小的薄导电平板，如图2 7 所示。为了分析薄 导电平扳中电磁场分布，作如下假设漱嚣1 圈2 - 7 浮导电平板模瓣图 f i g 2 7m o d e lo f c o n d u c t i v et h i np l a t e 1 ) 由子z 和h 远大于a ，所以场量豆和露等近似为x 的函数，与y 和：无 毒芦 大： 2 ) 出于外磁场蜃沿z 方向，故板中的涡流无z 分量，在x y z 平面内呈闭合路 径。又d 远小于h ，所以可忽略y 方向两端的边缘效应，认为豆和歹仅有y 分 量宣，和l j r 显然，露也只z 分璧绣。 根据以上分析，得知方程犯。1 4 ) 简化后的复数形式是 哈尔滨理工大学工学硕l 二学位论文 百d h z ：豇2 疗：( 2 - 1 6 ) 式中k = 掣y 。这个方程的一般解为： 疗：= c l p 出+ c 2 e 地 ( 2 - 1 7 ) 显然，磁场沿x 方向的分布是对称的， 叱詈) 诅( 一訇 故取o = c 2 = c 2 。因此2 - 1 7 式可写成 h ：= c e o s h ( k x ) ( 2 1 8 ) 如果设x = o 处，或( o ) = 或，则c 一= 或。因此，可得薄板内的磁场强度和磁 感应强度分别为 膏：鱼c 。s h ( 妫( 2 - 1 9 ) b z = b oc o s h ( k x ) ( 2 2 0 ) 利m ( 2 1 0 ) 复矢量形式和了= 7 豆，可得电场强度和电流密度分别为 应。：一坠s i l l l l ( 奴) ( 2 - 2 1 ) 7 夕。：一壁s i n h ( k x )( 2 2 2 ) 7 体积v 中消耗的平均功率为 巴，= 工专i 夕y1 2 dv(2-23) 式( 2 2 3 ) 是在频率不太高的情况推导而得到的。当频率高到一定程度后由 式( 2 2 3 ) 计算的涡流损耗将出现偏差。在频率较高时，涡流损耗的大小与磁 场交变的频率 金属目标的电阻系数嘶、磁感应强度最大值既和金属目标 体积y 等因素有关啪2 钔 厶= o r w f 2 召三y( 2 - 2 4 ) 由式( 2 2 4 ) 可以看出，在电阻系数咖，和金属目标体积v 不变的情况下，只 有改变磁场交变的频率厂和磁感应强度最大值既来提高杂质的涡流损耗。 哈尔滨理丁人学t 学硕i ：学位论文 2 4 2 影响灵敏度的因素 2 4 2 1 电流对能耗的影响在激励源线圈充满率一定( 磁极上线圈排列和线圈 匝f b j i g 巨离相同) 的条件下，并且激励电流不变时，涡流损耗与激励源线圈匝数 的平方成正比，或与激励源线圈电流密度的平方成正比”川。这是因为 瓦= n i 。，= 。r 。 。= b 。a 耻士1 t a ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 式中：凡称为磁路磁动势的幅值，单位：安培( a ) ；厶为线圈中通过正弦电流 的幅值，单位：安培( a ) ；九为与磁路相交链磁通的幅值，单位：韦伯( w b ) ： 为磁路的磁阻，单位：a w b ；b 。为磁感应强度的幅值，单位：特斯拉 ( t ) ；a 为磁路的横截面积，单位：平方米( m 2 ) ；t 为介质的磁导率，单位：亨 米( h m ) ；，为磁路的长度，单位：米( m ) 。 由式( 2 2 5 ) 、式( 2 2 6 ) $ 1 1 式( 2 2 7 ) 可以得到，在不记漏感的情况下，线圈内 总得磁感应强度b 的幅值为 耻等2 华 p 2 8 ， 对比式( 2 2 4 ) $ h ( 2 2 8 ) 可知，涡流损耗尸w ，与磁感应强度最大值如的平方成 正比。磁感应强度又与线圈的匝数和电流的大小的乘积成正比。所以当激励源 线圈充满率一定的条件下，且激励线圈匝数不变时，涡流损耗与激励源线圈电 流的平方成正比。同样，当激励源线圈充满率一定的条件下，且激励线圈电流 密度不变时，涡流损耗与激励源线圈匝数的平方成征比。 由电磁设计原理知，探测磁芯不变，线圈几何尺寸不变并且充满率相等 时，激励源线圈直流电阻也与匝数的平方成f 比；同样，线圈几何尺寸不变、 充满率相等时，涡流损耗凡，和激励源线圈直流电阻损耗也均与激励源线圈电 流密度的平方成萨比。因此仅靠改变激励源线圈匝数或电流密度不会改进传感 器探头对涡流损耗测量的灵敏度。要改变灵敏度应从探头几何形状、材质、频 率、探头尺寸等方面进行研究解决”。 2 4 2 2 频率对灵敏度的影响对于非铁磁性金属，由于主要产生涡流损耗，厂 增大，涡流损耗凡，增大，二次场( 涡流产生的磁场) 也随之增大，因此采用高 频可有效提高对不锈钢等非铁磁性会属目标的探测灵敏度。对于铁磁性金属目 哈尔滨理t 人学t 学顺i j 学位论义 标，由于主要产生磁效应，同时又有涡流损耗，两者所产生的二次场方向相 反，厂增大，两个二次场相消增大，总的二次场减小，即对一般的铁磁金属的 探测灵敏度减小。所以对于铁磁性金属目标，并不是频率厂越大灵敏度就越 高。 为了获得足够的分辨率，需要较高的激励源频率，但是噪声信号的影响将 随着激励源频率的提高而增加，因而又希望采用尽可能低的频率。考虑到当频 率达到饱和膝点频率( 当频率达到某一值以后，涡流损耗将达到饱和，基本不 再随频率的升高而增大，这时的频率值即为饱和膝点频率) 以后，涡流损耗基 本不再随频率升高而增大，即再提高激励源频率对提高分辨率已无意义。所以 只依靠增加频率来提高灵敏度的做法是不切合实际的，频率对灵敏度的影响是 多方面的。 2 4 3 金属探测器磁路设计方案 2 4 3 1 铁氧体材料作为磁路的必要性铁氧体软磁材料由于具有高起始磁导 率、高饱和磁感应强度值、低矫顽力等特性而被广泛应用于电信通讯、自动化 控制以及家用电器等领域的信息存储、传输与处理部件中。铁氧体材料的高本 征电阻率特性，更使其在高频交流条件下具有余属软磁材料无可比拟的优越 性。因为随着磁性元件使用频率的增高，电阻率低的磁芯材料将会产生较大的 涡流损耗，甚至引起趋肽效应，所以在高频应用时，人们通常首选电阻率高， 磁导率高的铁氧体软磁材料以获得低的高频损耗。除此之外，提高材料磁导率 可以实现用较少的绕线获得较高的预期电感值，同时还能够降低绕线铜损，减 小器件体积，这与电子器件不断小型化的发展方向完全