发射线圈震荡电路.docx

数显金属探测器的设计学 院： XX 专 业： XX 姓 名： XX 学 号： XX 指导老师： XX 职 称：XX中国珠海二一五年 AbstractWith the rapid development of micro-electronics and computer technology, the traditional metal detection systems are moving toward a new direction of renovating and developing. Metal detector now comes into many aspects of out social life and industrial production, from the initial application in the detection of underground metal mine and military mine-detection to the current travel security, food, terrorism, metallurgy, and medicine and so on. With the continuous advancement of technology and the effect of metal detector in social life and industrial production, how to enhance the capability of metal detection equipments, become an urgent issue in that area.Firstly on the theoretical analysis of the metal detector to do a specific elaboration, and from the hardware and software aspects of the design of the system were introduced in detail. AT89S52 microcontroller core, using linear Hall element UGN3503 as sensors for sensing the metal vortex effect caused by the magnetic field of the coil is energized, and the magnetic field change into a voltage change in the measured voltage microcontroller, and with the set voltage compared with the reference value to determine whether the detected metal. Software uses digital filtering techniques to eliminate interference, improve anti-interference ability of the detector to ensure the accuracy of the system.Key Words: Metal detectors, linear Hall element, electromagnetic induction, eddy current sensor 目录1 绪论11.1 研究背景及意义11.2 金属探测器的国内外研究现状21.3 本文的主要工作32 金属探测器的工作原理42.1 电磁感应原理42.2 涡流效应52.3涡流传感器的工作原理52.4 金属探测器的设计方案73 硬件设计83.1 发射线圈震荡电路83.2 放大和峰值检波电路93.3 A/D转换电路104 软件部分11参考文献11谢 辞12 1 绪论1.1 研究背景及意义金属探测器出现在20世纪60年代，随着社会的发展，刑事案件持续增加，从最初的金属探测器检查矿物逐渐被引入到金属探测门的安检区第一种形式的纯度，然后形成金属探测仪的出现意味着人类的安全意识已进入了一个新的时代。在20世纪90年代，电子制造行业如雨后春笋般出现多家大型电子损失特定产品，快速发展，以保护公司的安全，但在员工与公司之间的同一个时间，以避免发生，许多企业的尴尬，企业继续使用金属探测器和便携手持式金属探测器进行安全检查，漏现象这样的产品得到了有效的抑制，从而演变出的金属探测器的新角色 产品被盗。发生“911”这样的恐怖主义提到作为国际社会的一个重要问题。爆炸，恐怖活动日益猖獗，国家安全部门打击恐怖分子的重点。在这种情况下，“安全”意识也得到国际社会提高到一个新的水平，企业都在增强安全工作的实施部署，娱乐等行业的公共场所，也出现了一个金属探测器。随着人们需求的逐步完善，保安人员不仅要求探测器可以探测目标和宗旨。需要在这个时间通道式金属探测门准确地确定隐藏物品的位置已经不能满足安全要求。然后多区位育成的金属检测技术，它是彝族的金属探测器一大改变历史的诞生，原来单一的磁场分布变得彼此现在的基础上叠加相对独立的多个磁场，然后人体工程学原理，人体被分成多个段，使其与主体，在门上方的检测区域对应的形式的相对面积对应，因此，它们的金属探测器报警定位。使用金属探测器具有以下功能：检测与金展例的金属零件或物体，埋在墙内村线内，埋在地下的管道电缆，甚至能够探测到地下的金属物体在地下的地下寻宝。鉴于上述金属探测器的功能，目前在各种大型会议中心，展览场管，球场管理，监狱的安全系统和娱乐公司，工厂或防盗安全检查的执行利用金立探测器，在目前的考试金属探测器也用于进行检查违禁物品的检查。根据不同的金属检测器的工作方法，可分为：脉冲感应型，LC振荡型和VLF（甚低频）连续波三种。 LC振荡器型主要用于小广场接近目标和探头，现在很少使用，被广泛用于主要足VLF探测器黄金地带连续波和脉冲感应，确定由两个金属探测器测量金城与否和类型的存在就足够了通过检测金属传感器来实现由次级磁场产生的电流来测量。脉冲感应金属探测器波形检测喷雾做指数衰减随时间，此方法的特殊性的检测波形相比较，它在很大程度上是数字信号处理技术在脉冲感应金属检测器的限制。连续波VLF金属探测器探测正弦相位滞后尤其是连续波电流VLF许多数字信号处理算法都适用，具有广阔的发展前景。1.2 金属探测器的国内外研究现状目前主要集中在安全领域的金属探测器内部的研究和开发，还有比金属探测器制造商一直较多，但国内市场份额，外资品牌占据80的市场份额，国内民航市场一直没有出现金属探测装置。主要的原因是，由于大部分优质的产品不过关，并获得相关认证。国内金属探测仪产品的研发，生产和销售在近几年有了很大的进步，但与其他电子产品，还出现了模仿电路，收敛性能，功能和花哨的普遍现象。目前，国内安防金属探测器可用于探测金属物体，并作为爆炸物，毒品等非危险品不能被检测到，但也有一些企业正在进入实验开发阶段，但真正使用还需要一段时机推出。国外金属探测器的传感器，他们使用的流动，电磁场，超声，影像扫描等，其中如日本，美国，英国和德国生产的金属检测装置。但是，适用于食品，纺织工业，金属探测器比较小，而且价格更贵。其中表现较为突出的日本安利公司DUW系列金属探测器，具有极高的检测灵敏度和稳定性，并采用集自动算法和相位跟踪功能，国际社会更加先进。最近，金属检测技术正逐渐变得复杂，多功能和高灵敏度的技术，喜欢的中国生产GOLDFINGER金属检测器，它是由两维信号检测可以在监视器屏幕上显示的，该人测试了负载的金属对象的身体位置，灵敏度可以检测高达0.5克黄金。 X射线红外系列金属探测器，在食品中的金属杂质进行指令的位置和大小，并显示出来。另一种技术进步的金属探测器是分段有限的技术，几个知名厂家的金属探测器，如ElPaso，CeiaUS，游侠与Metorex的，等这个世界，我们已经在研究和开发工作，这一领域投入了大量的资金。它使用仪表盘上的光检测器一侧或另一侧，以指示或显示金属物体的本体的大致位置。从整体来看，虽然国内企业都推出了很多自己研发的金属探测器的发展，但总体上，无论是检测精度或自动化水平和国外有先进的金属探测设备还有一定的差距。 2 金属探测器的工作原理2.1 电磁感应原理线圈能够检测由于电磁感应金属物体的存在。导体元dl在 A 点产生的磁感强度dB为。整个导体在 P点产生的磁感强度 B 为。通过平面B的磁通量为：在实际情况中，如图 2-1（b）所示，线圈A的电流Ia发生改变时，穿过线圈B的磁通量b发生改变，在线圈B里面产生感生电动势，势必引起线圈B中的电流发生改变。2-1 电磁示意图 2.2 涡流效应根据电磁感应定律，在导体感应电动势产生驱动电流。这会导致在与导体表面的形状和磁通量和不同分布的导体的电流分布，其路径往往喜欢在水中产生涡流，即所谓的涡电流。第二代的涡流设备，用于数字类别，原始的模拟信号被采样和量化成数字信号，显示或以数字形式打印最终的结果，从而改善了系统操作的可靠性，减小了系统的尺寸，更多的抗干扰能力模拟器工具已得到增强，具有反应速度快，精度高，易于维护。第三代涡流仪的智能类的，这种仪器一般是由微处理器控制，数据采集，数据处理，记录和传输测量显示一系列的自动控制功能，而现在，随着电子技术的飞速发展智能类涡流仪也有一个参数控制，数据分析和图像处理功能。2.3 涡流传感器的工作原理涡流现象的发现及利用至今已有上百年的历史，在涡流仪已经历了三代，第一代涡流设备的模拟类，主要是利用分立元件，这往往有一个庞大的，复杂的操作，维护困难和差等特点干扰的能力。第二代的涡流设备，用于数字类别，原始的模拟信号被采样和量化成数字信号，显示或以数字形式打印最终的结果，从而改善了系统操作的可靠性，减小了系统的尺寸，更多的抗干扰能力模拟器工具已得到增强，具有反应速度快，精度高，易于维护。第三代涡流仪的智能类的，这种仪器一般是由微处理器控制，数据采集，数据处理，记录和传输测量显示一系列的自动控制功能，而现在，随着电子技术的飞速发展智能类涡流仪也有一个参数控制，数据分析和图像处理功能。涡电流传感器是基于电磁场的理论的基础上，交替由发射器线圈产生的磁场，该磁场被称为一个字段，在没有由金属，的等效阻抗产生的磁场的接收线圈不改变，当通过在交变磁场在金属由于涡流效应的金属，将产生一个额外的磁场中的交变磁场的方向相反，交变磁场的磁场分布的破坏线，该附加磁场，也称为二级市场，所得到的金属物体的第二字段接收电流在线圈中引起的幅度和相位的变化，也就是，接收线圈的等效阻抗改变时，在接收线圈可以可用于反映在金属物体的所测量属性的等效阻抗的变化。第二代的涡流设备，用于数字类别，原始的模拟信号被采样和量化成数字信号，显示或以数字形式打印最终的结果，从而改善了系统操作的可靠性，减小了系统的尺寸，更多的抗干扰能力模拟器工具已得到增强，具有反应速度快，精度高，易于维护。第三代涡流仪的智能类的，这种仪器一般是由微处理器控制，数据采集，数据处理，记录和传输测量显示一系列的自动控制功能，而现在，随着电子技术的飞速发展智能类涡流仪也有一个参数控制，数据分析和图像处理功能。第二代的涡流设备，用于数字类别，原始的模拟信号被采样和量化成数字信号，显示或以数字形式打印最终的结果，从而改善了系统操作的可靠性，减小了系统的尺寸，更多的抗干扰能力模拟器工具已得到增强，具有反应速度快，精度高，易于维护。第三代涡流仪的智能类的，这种仪器一般是由微处理器控制，数据采集，数据处理，记录和传输测量显示一系列的自动控制功能，而现在，随着电子技术的飞速发展智能类涡流仪也有一个参数控制，数据分析和图像处理功能。如图 2-2 所示，当线圈通以交流电流I1时，根据电磁场理论，由于电流的存在，线圈周围就会产生一个交变的磁场H1，当被测金属物体置于该磁场内时，金属物体内便会产生涡流I2，同时涡流的存在将产生一个新的交变磁场H2，在线圈和涡流回路的中心处H2 与H1方向相反，削弱原磁场H1.图 2-2 中可以清晰的看出线圈与金属物体之间存在的磁场联系。线圈阻抗Z表示下列函数可以使用。阻抗 Z 就成为与这个参数为变量的单值函数，因此，完整的电涡流传感器应该是一个截流线圈加上金属物体。2.4 金属探测器的设计方案金属检测技术的发展伴随着电子技术的发展，其核心技术的发展变化来检测金属切割磁场所引起的对象的磁场。从模拟发展到数字，从重到轻，从简单到智能功能的开发。目前最常用的金属检测装置的节拍，自激式感应和能量三种。在国外金属检测装置使用更加平衡，而平衡的结构更稳定，更好的性能，现有的先进控制技术更良好的结合。下面差拍式金属探测器技术的工作原理简单。图2-3 差拍式金属探测器框图从表达式中可知，当振荡电路中元件的参数确定以后，振荡频率f1 只与电感量 L 和电容 C 有关，电感量的增减与被测物体的性质和大小有关。当被测物体是铁磁性材料时，由于导磁率较高，使探测线圈的总电感量 L增加，增加为 L+L1；而当被测物体是非磁性材料的金属时，由于金属物体的涡流损耗，使探测线圈的电感量 L 减少，减少为 L-L2 。通常 L1 L2，它们数值大小取决于被测物体的性质和形状。参考振荡器的振荡频率f2 略大于f1 ，f1 与f2 在混频器中混频，可得到(f2 + f1)和(f2 - f1)两种频率。混频器输出的信号通过滤波器选取差频信号声光报警(f2 - f1)，然后进行 F/V 变换，将信号的频率变化转换为电压的变化，经放大后输出，推动灯光显示或报警。使用金属探测器具有以下功能：检测与金展例的金属零件或物体，埋在墙内村线内，埋在地下的管道电缆，甚至能够探测到地下的金属物体在地下的地下寻宝。3 硬件设计3.1 发射线圈震荡电路对于发射线圈，为了产生交变的磁场，需要有正弦信号作为激励源，一般而言，控制器较难产生正弦信号，较易产生一定频率的方波。因此，大多数正弦信号的产生都是通过电路把方波信号转换而来。图3-1为正弦波发生电路。图3-1 正弦发生电路最大磁通密度最大磁通密度比的高频率，在较大的情况下产生的低频涡流金属物品的低频率下，因此该系统选择7.8KHZ低频方波的正弦信号7.8KHZ 。在这个乐队，你可以得到一个良好的灵敏度特性，没有选择其他组件产生的附加条件。通过计算，该频率可以4MHz晶振除以29得到的。由正弦波发生器电路更好正弦波得到的方波信号波形后，将方波信号频率的频率来确定。555形成的多谐振荡器，产生为24KHz的脉冲信号，在图3-2中所示的电路的频率。选择为24KHz长波频率，以减少土壤电磁波的影响。从通过一个电容器C8到Q1的基极多谐振荡器输出的输出正脉冲信号，其打开时，Q1后扩大，形成一个高的频率稳定性，更大的功率，以检测一个脉冲信号输入线圈L1在线圈瞬时强电流，使周围的恒定交变磁场的线圈。由于脉冲信号被施加时，Q1在开关状态，并且导通时间很短，那么大的力量，可以使用9V电池。图3-2 线圈震荡电路3.2 放大和峰值检波电路因为UGN3503N线性霍尔传感器的电压信号是一个很小的电信号，所以在其前处理被放大。设计，信号放大电路，高输入阻抗，漂移是集成放大器LM324小，共模抑制比。通过电容耦合UGN3503线性霍尔传感器输出到运算放大器U2A图3中的霍尔传感器的电压转换器的运算放大器U2A反相输入的前级的弱信号是地电压。在电路设计LM324运算放大器+ 5V单电源，对于不同的信号强度可以通过调节反馈电位器W1的前置放大电路来改变倍率。后通过耦合电容器C2到后级中的峰值检测器的预运算放大器信号输入。使用组电容耦合方法允许电路的静态工作点前后级保持各级之间独立的，孤立的静电相互作用，使电路不会有太大的总的漂移。峰值检测器电路包括两个运算放大器，第一级运算放大器U2B输入峰值信号被发送到电容器C6，和保存。第二级运放组成U2C缓冲放大器输出电容隔离开来，在设计中，为了获得优异的保留性能和传输性能，使用LM324。当输入电压V12上升时，V02电压跟随上升，使二极管D4、D5导通,D3截止，运放U2B工作在深度负反馈状态，给电容C6充电，Vc上升。当输入电压V12下降时，V02 电压跟随下降，D3 导通，运放U2B 工作在深度负反馈状态，深度负反馈保证了二极管D4、D5 可靠截止，Vc值得以保持。当V12 再次上升时，V02 在次上升使D4、D5 导通,D3 截止,再次对电容C6充电（Vc高于前次充电电压），V12 下降时，D4、D5 又截止，D3 导通，Vc将峰时再次得以保持。输出V0 反应Vc的大小，通过峰值检波和后级缓冲放大电路，将采集到的微弱电压信号放大至0v5V 的直流电平，以满足A/D 转换器ADC0809 所要求的输入电压变化范围。图3-2 放大和峰值检波电路3.3 A/D转换电路由于数字电子技术的飞速发展，数字化测量仪器，数字通信，以及其他各方，并已得到广泛应用，在自动控制和自动检测系统中使用特定的数字电脑，利用数字化系统现在是一个模拟信号越来越普遍。当数字电脑自动控制系统中，由于信息的生产过程中遇到大多无级变速物理量，如温度，压力，流量，位移。这些非动力模拟传感器被转换成电信号，通过第一，然后将模拟信号转换成相应的数字信号转换，被馈送到数字计算机进行处理。模拟 - 数字转换装置，将模拟信号转换为数字信号，称为A / D转换（模拟到数字的转换）时，数模转换装置，将数字信号转换成模拟信号，记为D/ A转换器（数字模拟转换）。两个转换过程实现上述电路称为D / A转换和A / D转换器，DAC和缩写模数转换器，一个数字系统，它是必要组分，接口电路是一个模拟系统和数字系统。因为单片机只能处理数字信号,经过放大的电信号必须通过A/D转换电路变成脉冲信号,ADC0809是和微处理机兼容的CMOS逻辑组件,可以和单片机接口直接连接,是逐