一种基于电压向量分解的金属探测器的研制
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检 测 与 制 作 Te s t
测 试 技 术 卷
Te s 百度文库 Te c h n o l o g y
一种基于电压向量分解的金属探测器的研制
Design of A Digial Versatile Metal Detector Based on Voltage Decomposition
邱瑞昌
１
20
and Produce
&AB 模值大于指定阈值 Ｔ Ｈ ， 即如果 U
则 表 示 已 检 测 出 金 属 ，否 则 继 续 巡 回检测。 （ ２ ） 如果在磁性物料中检测磁 性 金 属 和 非 磁 性 金 属 ，则 需 要 综 合 利用电压的有功分量和无功分量， 因为磁性物料引起的电阻变化较 小，而 电 感 变 化 较 大 ， 后 两 者 的 电 感 变 化 较 小 且 可 能 为 负 ，并 且 电 阻 增加较多。从而设置相应阈值以实 现检测。 （ ３ ） 如果在非磁性金属中检测 磁性金属，则主要根据磁性金属的 电 感 量 的 变 化 ，即 主 要 是 无 功 分 量 的变化来实现检测。
使其周围的磁场发生变化。对于圆 形电感线圈，当其中通过交变电流 i ＝ I m co s ω ｔ 时，中心磁感应强度为 （１） 其中， μ 为 介 质 的 磁 导 率 ， Ｄ 为线 圈的直径。对于紧密缠绕 Ｎ 匝的线 圈，其等效电感为
在食品、塑 料 制 品 和 矿 物 加 工 过程中，在制药和造纸等行业的生 产 过 程 中 ，往 往 需 要 及 时 检 测 原 料 中 的 废 弃 金 属 物 体 ，在 建 筑 装 修 的 施工中也需要检测墙体中的金属管 道，金属探测器有着广泛的应用。 金属探测器的工作原理是基 于 电 磁 检 测 的 原 理 ，也 就 是 利 用 被 检测物料与金属物体电磁性质的差 异 ［ １ ］ ［ ２ ］ ［ ３ ］ 。工作原理主要有差拍式 、电感平衡式 ［ ３ ， ４ ］ 和能耗式。然
２． 检测方法
检 测 电 路 为 电 感 、电 容 三 点 式 振荡电路，如图 ２ － １ 所示， 其中， Ｌ 和 ｒ 分别为探测线圈 的等效电感值和电阻值。 当磁性金属、非磁性金属以及 磁性物料出现在探测线圈平面附近 时，依据电磁感应的原理 ［ ５ ］ ，将发 生如下的现象和效应： （ １ ） 线圈介质条件的变化： 当磁 性金属或磁性物料接近线圈时，将 图 ２ － １ 检测电路
感增加较小。 （ ２ ） 导 电 不 导 磁 的 金 属 ，如一 些 有 色 金 属 ，其 导 电 性 好 ，故 涡 流
Produce
损 耗 也 较 大 ，线 圈 的 等 效 电 阻 增 加 稍 大 ，而 涡 流 的 去 磁 作 用 使 电 感 略 有减小。 （ ３ ） 多 数 磁 性 物 料 ，其 导 电 性 不 好 ，故 涡 流 损 耗 较 小 ， 线 圈 的 等 效电阻增加较小； 其较好的导磁性 及较小涡流的去磁作用使电感增加 较大。 （ ４ ） 不导电不导磁的物料，如 多 数 绝 缘 材 料 ，其 导 电 性 和 导 磁 性 不 好 ，故 线 圈 的 等 效 电 阻 和 电 感 变 化很小。
L=N
Φ （２） i
其中， Φ 为单匝线圈的磁通量。 当磁性金属或物料穿过线圈
而，从金属探测器检测的对象 － － 金 属来看，其电磁性质可能表现为导 电 和 导 磁 ，如 铁 ，也 可 能 表 现 为 导 电 和 不 导 磁 ，如 铜 ，铝等； 从 检 测 物料的性质来看，也可能是具有磁 性 的 ，如 磁 性 物 料； 从 电 磁 原 理 方 面，可 以 利 用 电 压 、电 流 、频 率 或 相位等物理量来进行检测，但这些 检测量与产生变化的因素之间常常 具有耦合的关系，并且受环境因 素、模 拟 检 测 电 路 参 数 、工 作 点 漂
2 2 WC = W X f m Bm （３）
（１）导电导磁的金属，如铁，其 导电性好，故涡流损耗和磁滞损耗 较大，线圈的等效电阻增加较大； 其 导 磁 性 与 涡 流 的 作 用 相 反 ，使电
的变化
and
相互抵消，这样就使检测精度的提 高受到了限制。 为 此 ，提 出 将 电 感 变 化 和 电 阻 变 化 分 开 检 测 的 方 法 。因 为 电 阻 的 变 化 意 味 着 能 量 的 损 耗 ，即 有 功 分 量，而 电 感 的 变 化 对 应 无 功 分 量 的 变 化 ，但 是 ，直 接 从 电 路 上 检 测 有 功分量和无功分量比较困难，所 以，为 了 检 测 振 荡 电 路 中 电 压 的 有 功 和 无 功 分 量 ，在 探 测 线 圈 上 缠 绕 另一个感应线圈（ 线圈 ２ ，未示出） ， 记线圈 ２ 的等效电感和电阻分别为 Ｌ２ 和 ｒ２ ，线圈 ２ 两端的电压为 Ｕ２ ，设 探测线圈中的电流为
３ ．工作原理
设 Ｕ Ｅ 为三极管发射极电位值， 当 电 路 参 数 满 足 谐 振 条 件 时 ，该电 路可产生等幅振荡，振荡频率为
&2 变化， U
&B ， 则 电 压 增 量 为 =U & & & &AB 在 U & 和I &轴 UAB = UB − UA 。将 U
上分解，在
& 轴上的分量是有功分 I
Abstract: The detection precision of conventional metal detector based power-consuming detection circuit is analyzed first, and then a metal detecting method is put forward, which decouples the oscillating power into active power and reactive power voltage, and the variations of inductance and resistance of the detection coil due to objects’ approaching can be separate.Then the variety laws of inductance and resistance of the detection coil is analyzed for some typical objects of different magnetic and/or electric attributions. In the end, some experimental data show that the analysis in the paper is valid and practicable. Key wo r ds: Metal detector; Active power; Reactive power;Oscillating circuit CLC number:TH89 Document code:A Article ID: 1003-0107(2006)06-0020-02
& 。当 在 探 测 I
区域中没有金属物体时，电压
&2 =U &A （初始状态） ，由于线圈 ２ 中 U & 之间具有一定 电 阻 的 作 用 ， 它与 I
的相位关系； 当在检测区域中出现 金 属 时 ，其 大 小 和 方 向 都 可 能 发 生
４ ．多功能检测策略及实现
根 据 上 述 检 测 原 理 ，可 以 实 现 对 磁 性 金 属 、非 磁 性 金 属 和 磁 性 物 料等的检测。 （ １ ） 如果在绝缘物料中检测磁 性 金 属 和 非 磁 性 金 属 ，可 以 只 利 用 电压的有功分量进行分析和检测，
其中 Ｗ Ｘ 为涡流损耗因子，f m 为磁场 交变频率，Ｂ
m
21
为磁感应强度的幅
值。涡 流 效 应 引 起 功 率 损 耗 ，磁性 金属的磁滞效应也引起功率损耗， 使得线圈的等效电阻增大。 综 上 所 述 ，磁 性 金 属 、非 磁 性 金属以及磁性物料在接近探测线圈 时，线 圈 的 等 效 电 感 和 电 阻 会 发 生 变化。
移等的影响，实现高精度检测一直 是人们研究的目标。 传统的能耗式检测电路具有 结 构 简 单 ，对 器 件 参 数 不 必 严 格 要 求并且受环境因素影响较小等优 点，本文详细分析了其检测原理， 同 时 ，借 鉴 电 感 平 衡 式 优 点 ， 将检 测电路中电压向量分解为有功分量 和 无 功 分 量 的 方 法 ，从 而 对 引 起 电 感和电阻变化的因素进行了分解， 提高了金属探测器的检测精度。
１ ．前言
［１］
，刘慧娟
１
，李志刚
２
Qiu Rui-chang1,Liu Hui-juan1 , Li Zhi-gang2
(C ol leg e of El ec tri ca l Eng in eer in g, Bei ji ng Ji aot on g U niv er sit y,B ei jin g 1 00 044 ,Ch in a;2 .) Be iji ng Si nos un Tec hno lo gy Co. ,Lt d., Be iji ng 1 00 08 9, C hi na )
（ １ ． 北京交通大学电气工程学院，北京 １ ０ ０ ０ ４ ４ ； ２ ．北京兆日科技有限责任公司， 北京 １０００８９）
摘 要： 本文首先在能耗式检测电路基础上，分析了限制传统金属探测器精度的因素，提出 将电压向量分解为有功分量和无功分量，从而将探测线圈电感和电阻的变化分开以检测金 属的方法，最后分析了各种属性金属对电压有功分量和无功分量的影响，所提出的检测原 理提高了检测的精度和准确性。 关键词： 金属探测器； 有功电压； 无功电压； 振荡电路 中图分类号： Ｔ Ｈ ８ ９ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００３－０１０７（２００６）０６－００２０－０２
Ｅ
时，由 于 其 磁 导 率 较 大 ，引 起 磁 感 应 强 度 变 大 ，因 此 ，等 效 电 感 会 有 所增大。 （ ２ ） 涡流效应和磁滞效应： 电磁 感 应 在 金 属 中 产 生 涡 流 ，涡 流 又 产 生涡流磁场，与原磁场方向相反， 削 弱 线 圈 磁 场 的 变 化 ，从 而 使 得 线 圈的等效电感有减小的趋势。此 外，磁性金属还产生磁滞效应。 （ ３ ） 涡流损耗和磁滞损耗： 涡流 在金属（ 磁性或非磁性） 中流过必然 产生发热的损耗，其表达式如下：
量，表 示 了 金 属 物 体 的 涡 流 损 耗 等 吸收的功率，其大小与金属的大
C1C 2 f = 2π L C1 + C 2 （４）
图 ２ － ２ 为检测电路的微变等效电路
［６］
−1
& 轴上 小、形 状 等 因 素 有 关； 而在 U
的 分 量 是 无 功 分 量 ，表 示 金 属 的 磁 性属性，如图 ２ － ３ 所示。 通过理论分析和大量实验室 的 模 拟 试 验 ，可 以 得 出 不 同 物 体 对 检测电路电感和电阻的影响如下：
ELECTRONICS QUALITY
・２ ０ ０ ６ 第 ０ ６ 期・
测 试 技 术 卷
Tes t Tec h no l og y
检 测 与 制 作 Te s t
化，从 而 达 到 检 测 金 属 的 目 的 ， 但 是，电 感 和 电 阻 的 变 化 是 耦 合 在 一 起 的 ，对 于 一 些 金 属 而 言 ，电 感 和 电阻的变化可能使得△ Ｕ
，由该微变电路，在电路工作点
附近作线性分析，可以近似得出 Ｕ Ｅ 的电位微增量△ Ｕ
Ｅ
的表达式
∆U E ≈ k1 ∆L − k 2 ∆r （５）
其中，k １ 、k ２ 是随 Ｕ Ｅ 、 Ｒ 及电路其它 参数变化的参数。 从式（ ５ ） 知，可 以 通 过 检 测 △ Ｕ
Ｅ
的变化来检测电感和电阻的变
５ ．结束语
在实验室条件下进行模拟试 图 ２ － ２ 微变等效电路
・２ ０ ０ ６ 第 ０ ６ 期 ・
图 ２ － ３ 电压向量变化图
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一种基于电压向量分解的金属探测器的研制
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邱瑞昌
１
20
and Produce
&AB 模值大于指定阈值 Ｔ Ｈ ， 即如果 U
则 表 示 已 检 测 出 金 属 ，否 则 继 续 巡 回检测。 （ ２ ） 如果在磁性物料中检测磁 性 金 属 和 非 磁 性 金 属 ，则 需 要 综 合 利用电压的有功分量和无功分量， 因为磁性物料引起的电阻变化较 小，而 电 感 变 化 较 大 ， 后 两 者 的 电 感 变 化 较 小 且 可 能 为 负 ，并 且 电 阻 增加较多。从而设置相应阈值以实 现检测。 （ ３ ） 如果在非磁性金属中检测 磁性金属，则主要根据磁性金属的 电 感 量 的 变 化 ，即 主 要 是 无 功 分 量 的变化来实现检测。
使其周围的磁场发生变化。对于圆 形电感线圈，当其中通过交变电流 i ＝ I m co s ω ｔ 时，中心磁感应强度为 （１） 其中， μ 为 介 质 的 磁 导 率 ， Ｄ 为线 圈的直径。对于紧密缠绕 Ｎ 匝的线 圈，其等效电感为
在食品、塑 料 制 品 和 矿 物 加 工 过程中，在制药和造纸等行业的生 产 过 程 中 ，往 往 需 要 及 时 检 测 原 料 中 的 废 弃 金 属 物 体 ，在 建 筑 装 修 的 施工中也需要检测墙体中的金属管 道，金属探测器有着广泛的应用。 金属探测器的工作原理是基 于 电 磁 检 测 的 原 理 ，也 就 是 利 用 被 检测物料与金属物体电磁性质的差 异 ［ １ ］ ［ ２ ］ ［ ３ ］ 。工作原理主要有差拍式 、电感平衡式 ［ ３ ， ４ ］ 和能耗式。然
２． 检测方法
检 测 电 路 为 电 感 、电 容 三 点 式 振荡电路，如图 ２ － １ 所示， 其中， Ｌ 和 ｒ 分别为探测线圈 的等效电感值和电阻值。 当磁性金属、非磁性金属以及 磁性物料出现在探测线圈平面附近 时，依据电磁感应的原理 ［ ５ ］ ，将发 生如下的现象和效应： （ １ ） 线圈介质条件的变化： 当磁 性金属或磁性物料接近线圈时，将 图 ２ － １ 检测电路
感增加较小。 （ ２ ） 导 电 不 导 磁 的 金 属 ，如一 些 有 色 金 属 ，其 导 电 性 好 ，故 涡 流
Produce
损 耗 也 较 大 ，线 圈 的 等 效 电 阻 增 加 稍 大 ，而 涡 流 的 去 磁 作 用 使 电 感 略 有减小。 （ ３ ） 多 数 磁 性 物 料 ，其 导 电 性 不 好 ，故 涡 流 损 耗 较 小 ， 线 圈 的 等 效电阻增加较小； 其较好的导磁性 及较小涡流的去磁作用使电感增加 较大。 （ ４ ） 不导电不导磁的物料，如 多 数 绝 缘 材 料 ，其 导 电 性 和 导 磁 性 不 好 ，故 线 圈 的 等 效 电 阻 和 电 感 变 化很小。
L=N
Φ （２） i
其中， Φ 为单匝线圈的磁通量。 当磁性金属或物料穿过线圈
而，从金属探测器检测的对象 － － 金 属来看，其电磁性质可能表现为导 电 和 导 磁 ，如 铁 ，也 可 能 表 现 为 导 电 和 不 导 磁 ，如 铜 ，铝等； 从 检 测 物料的性质来看，也可能是具有磁 性 的 ，如 磁 性 物 料； 从 电 磁 原 理 方 面，可 以 利 用 电 压 、电 流 、频 率 或 相位等物理量来进行检测，但这些 检测量与产生变化的因素之间常常 具有耦合的关系，并且受环境因 素、模 拟 检 测 电 路 参 数 、工 作 点 漂
2 2 WC = W X f m Bm （３）
（１）导电导磁的金属，如铁，其 导电性好，故涡流损耗和磁滞损耗 较大，线圈的等效电阻增加较大； 其 导 磁 性 与 涡 流 的 作 用 相 反 ，使电
的变化
and
相互抵消，这样就使检测精度的提 高受到了限制。 为 此 ，提 出 将 电 感 变 化 和 电 阻 变 化 分 开 检 测 的 方 法 。因 为 电 阻 的 变 化 意 味 着 能 量 的 损 耗 ，即 有 功 分 量，而 电 感 的 变 化 对 应 无 功 分 量 的 变 化 ，但 是 ，直 接 从 电 路 上 检 测 有 功分量和无功分量比较困难，所 以，为 了 检 测 振 荡 电 路 中 电 压 的 有 功 和 无 功 分 量 ，在 探 测 线 圈 上 缠 绕 另一个感应线圈（ 线圈 ２ ，未示出） ， 记线圈 ２ 的等效电感和电阻分别为 Ｌ２ 和 ｒ２ ，线圈 ２ 两端的电压为 Ｕ２ ，设 探测线圈中的电流为
３ ．工作原理
设 Ｕ Ｅ 为三极管发射极电位值， 当 电 路 参 数 满 足 谐 振 条 件 时 ，该电 路可产生等幅振荡，振荡频率为
&2 变化， U
&B ， 则 电 压 增 量 为 =U & & & &AB 在 U & 和I &轴 UAB = UB − UA 。将 U
上分解，在
& 轴上的分量是有功分 I
Abstract: The detection precision of conventional metal detector based power-consuming detection circuit is analyzed first, and then a metal detecting method is put forward, which decouples the oscillating power into active power and reactive power voltage, and the variations of inductance and resistance of the detection coil due to objects’ approaching can be separate.Then the variety laws of inductance and resistance of the detection coil is analyzed for some typical objects of different magnetic and/or electric attributions. In the end, some experimental data show that the analysis in the paper is valid and practicable. Key wo r ds: Metal detector; Active power; Reactive power;Oscillating circuit CLC number:TH89 Document code:A Article ID: 1003-0107(2006)06-0020-02
& 。当 在 探 测 I
区域中没有金属物体时，电压
&2 =U &A （初始状态） ，由于线圈 ２ 中 U & 之间具有一定 电 阻 的 作 用 ， 它与 I
的相位关系； 当在检测区域中出现 金 属 时 ，其 大 小 和 方 向 都 可 能 发 生
４ ．多功能检测策略及实现
根 据 上 述 检 测 原 理 ，可 以 实 现 对 磁 性 金 属 、非 磁 性 金 属 和 磁 性 物 料等的检测。 （ １ ） 如果在绝缘物料中检测磁 性 金 属 和 非 磁 性 金 属 ，可 以 只 利 用 电压的有功分量进行分析和检测，
其中 Ｗ Ｘ 为涡流损耗因子，f m 为磁场 交变频率，Ｂ
m
21
为磁感应强度的幅
值。涡 流 效 应 引 起 功 率 损 耗 ，磁性 金属的磁滞效应也引起功率损耗， 使得线圈的等效电阻增大。 综 上 所 述 ，磁 性 金 属 、非 磁 性 金属以及磁性物料在接近探测线圈 时，线 圈 的 等 效 电 感 和 电 阻 会 发 生 变化。
移等的影响，实现高精度检测一直 是人们研究的目标。 传统的能耗式检测电路具有 结 构 简 单 ，对 器 件 参 数 不 必 严 格 要 求并且受环境因素影响较小等优 点，本文详细分析了其检测原理， 同 时 ，借 鉴 电 感 平 衡 式 优 点 ， 将检 测电路中电压向量分解为有功分量 和 无 功 分 量 的 方 法 ，从 而 对 引 起 电 感和电阻变化的因素进行了分解， 提高了金属探测器的检测精度。
１ ．前言
［１］
，刘慧娟
１
，李志刚
２
Qiu Rui-chang1,Liu Hui-juan1 , Li Zhi-gang2
(C ol leg e of El ec tri ca l Eng in eer in g, Bei ji ng Ji aot on g U niv er sit y,B ei jin g 1 00 044 ,Ch in a;2 .) Be iji ng Si nos un Tec hno lo gy Co. ,Lt d., Be iji ng 1 00 08 9, C hi na )
（ １ ． 北京交通大学电气工程学院，北京 １ ０ ０ ０ ４ ４ ； ２ ．北京兆日科技有限责任公司， 北京 １０００８９）
摘 要： 本文首先在能耗式检测电路基础上，分析了限制传统金属探测器精度的因素，提出 将电压向量分解为有功分量和无功分量，从而将探测线圈电感和电阻的变化分开以检测金 属的方法，最后分析了各种属性金属对电压有功分量和无功分量的影响，所提出的检测原 理提高了检测的精度和准确性。 关键词： 金属探测器； 有功电压； 无功电压； 振荡电路 中图分类号： Ｔ Ｈ ８ ９ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００３－０１０７（２００６）０６－００２０－０２
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时，由 于 其 磁 导 率 较 大 ，引 起 磁 感 应 强 度 变 大 ，因 此 ，等 效 电 感 会 有 所增大。 （ ２ ） 涡流效应和磁滞效应： 电磁 感 应 在 金 属 中 产 生 涡 流 ，涡 流 又 产 生涡流磁场，与原磁场方向相反， 削 弱 线 圈 磁 场 的 变 化 ，从 而 使 得 线 圈的等效电感有减小的趋势。此 外，磁性金属还产生磁滞效应。 （ ３ ） 涡流损耗和磁滞损耗： 涡流 在金属（ 磁性或非磁性） 中流过必然 产生发热的损耗，其表达式如下：
量，表 示 了 金 属 物 体 的 涡 流 损 耗 等 吸收的功率，其大小与金属的大
C1C 2 f = 2π L C1 + C 2 （４）
图 ２ － ２ 为检测电路的微变等效电路
［６］
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& 轴上 小、形 状 等 因 素 有 关； 而在 U
的 分 量 是 无 功 分 量 ，表 示 金 属 的 磁 性属性，如图 ２ － ３ 所示。 通过理论分析和大量实验室 的 模 拟 试 验 ，可 以 得 出 不 同 物 体 对 检测电路电感和电阻的影响如下：
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检 测 与 制 作 Te s t
化，从 而 达 到 检 测 金 属 的 目 的 ， 但 是，电 感 和 电 阻 的 变 化 是 耦 合 在 一 起 的 ，对 于 一 些 金 属 而 言 ，电 感 和 电阻的变化可能使得△ Ｕ
，由该微变电路，在电路工作点
附近作线性分析，可以近似得出 Ｕ Ｅ 的电位微增量△ Ｕ
Ｅ
的表达式
∆U E ≈ k1 ∆L − k 2 ∆r （５）
其中，k １ 、k ２ 是随 Ｕ Ｅ 、 Ｒ 及电路其它 参数变化的参数。 从式（ ５ ） 知，可 以 通 过 检 测 △ Ｕ
Ｅ
的变化来检测电感和电阻的变
５ ．结束语
在实验室条件下进行模拟试 图 ２ － ２ 微变等效电路
・２ ０ ０ ６ 第 ０ ６ 期 ・
图 ２ － ３ 电压向量变化图