一种新型智能金属探测仪的设计

收稿日期:2005-09-03一种新型智能金属探测仪的设计贺桂芳(山东交通学院信息工程系,山东　济南　250023) 摘要:介绍了一种基于金属体内电涡流效应的新型高灵敏度金属探测仪设计。

它可用于交通部门对旅客和行李进行安全检查,也可用于建筑施工中,探明墙体内是否装有钢筋、金属管等。

传感器探头由激励线圈和巨磁阻传感器芯片构成,在线圈中通入方波脉冲使周围产生交变磁场,当靠近金属物体时,金属内产生涡流,使原线圈的磁场发生变化,位于线圈中央的巨磁阻传感器将其转变成电信号,在单片机的控制下进行处理和显示。

关键词:巨磁阻传感器;金属探测;电涡流中图分类号:T M930.12 文献标识码:B 文章编号:1002-1841(2006)01-0013-02Design of N e w I ntelligent Metal DetectorHE G ui 2fang(Dept.of I nfo.E ngin.,Sh andong Jiaotong U niversity ,Jinan 250023,China)Abstract :A new excellent sensitivity metal detector based on eddy current of metal is introduced.I t is used by traffic department for safety checking to travelers and their baggage ,it als o be used in construction to detect rein forcing bar ,iron tube and s oon.The sens or probe is com posed of field coil and giant magneto resistive sens or.The input square wave pulse makes alternating magnetic field generated around the field coil.When approaching metal ,magnetic field of the original field coil is changed because of the eddy current magnetic field generated from the metal.The changed magnetic field is trans formed into electrical signal by the giant magneto resistive sens or cen 2tered in the field coil.The signal is processed and displayed under the control of single chip process or.K ey Words :G iant Magneto Resistive Sens or ;Metal Detection ;Eddy Current 0　引言金属探测仪可以检测隐藏的金属物体,其用途十分广泛,在国防、公安、海关、地质、冶金等部门以及日常生活等领域均有应用。

传统的金属探测仪其探头由LC 正弦波振荡电路组成,当金属物体经过探头或在附近移动时,在金属体内产生涡流,引起振荡电路正弦波幅值、频率的变化,通过检测该信号变化来检测金属物体是否存在。

这种方式主要存在的问题是:一般采用模拟电路设计,抗干扰能力差,易出现振荡失真或停振,导致系统无法正常工作[1];测量灵敏度较低,不能满足使用要求;灵敏度高的探测仪成本较高,结构复杂,安装、调试困难,使用不便[2]。

设计的金属探测仪借鉴传统金属探测仪的优点,采用单个探测线圈,结构简单,便于操作;该金属探测仪一改传统的线圈频率变化或电压变化检测原理,选用高灵敏度的巨磁阻传感器芯片检测金属物体存在时线圈周围磁场的变化,提高了系统稳定性和灵敏度;处理部件采用性能优良的AT 89C51单片机替代传统的复杂模拟电路,提高了系统的抗干扰能力和智能化程度。

1　巨磁电阻传感器测量磁场原理巨磁电阻(G MR )因其磁阻变化率远大于基于各向异性的磁阻(AMR )而得名。

巨磁阻传感器芯片主要是利用有巨磁阻效应的磁性纳米金属多层薄膜材料通过半导体集成工艺与集成电路相兼容的一类元器件。

巨磁阻传感器利用4个巨磁电阻组成惠斯登电桥,结构如图1所示。

由于4个巨磁电阻是由相同的材料制作,所以温度系数等性能相同,温漂小。

图1中R 1和R 3是参考电阻,R 2和R 4是感应电阻。

参考电阻R 1和R 3被密封,使其与外部磁场隔离,阻值不会因为外部磁场的变化而变化。

当施加外部磁场时,感应电阻R 2和R 4的阻值会随着外部磁场的变化而变化,而参考电阻R 1和R 3阻值不变,导致电桥失去平衡,将磁场大小转换为电压信号输出。

图1　巨磁阻传感器内部结构与霍尔传感器及AMR 传感器相比较,巨磁阻传感器有很大优势。

例如灵敏度高,尺寸小,信号范围大,温度稳定性好等。

因此,巨磁阻传感器具有独特的和非常广泛的应用领域。

2　金属探测原理及探头设计 图2为传感器探头结构示意图。

图中扁平圆线圈由014mm 的漆包线绕在凹槽空心骨架上,外径为120mm ,内径为100mm ,厚度为4mm ,匝数为198。

系统采用脉冲信号对传感器线圈进行激励,脉冲激励信号由单片机提供。

当线圈两端加上某一频率的方波电压时,线圈内产生周期性变化的电流,会使周　2006年　第1期仪表技术与传感器Instrument T echnique and Sens or 2006　N o 11　围产生交变磁场。

当金属物体处在变化的磁场中时,会产生电涡流,电涡流产生的磁场又使线圈周围的磁场强度发生了变化,利用磁敏元件检测该变化的磁场,便可以实现对金属物体的探测。

图2　探头结构示意图AA006-02型巨磁阻传感器置于距线圈平面中心垂直距离8mm 处,用来探测金属物体靠近时的磁场变化。

该巨磁阻传感器能检测到微弱的磁场变化。

主要参数有:电桥电压典型值5V ,最大值24V ;磁场范围±50G s (lG s =10-4T );灵敏度019～113mV/V/±50G s ;频率范围0～1MH z ,工作温度-50～125℃[3]。

线圈的尺寸直接影响传感器探头的测试性能。

线圈的外径增加,则线圈的磁场轴向分布范围增大[4],探头可以检测金属物体的距离增大。

线圈内径和厚度的变化影响较小。

线圈外径选为12cm ,探测距离为50cm.当线圈的激励频率增加时,电涡流的贯穿深度减小,探头的灵敏度提高,因此应选用高频率的激励信号,但增大激励信号的频率会给后续电路的设计带来困难,所以要折中选择,激励信号方波频率选为100kH z.方波中含有奇次谐波,且频率、幅值较稳定,由于谐波次数越高,其幅值越小,因此工作频率主要是100kH z 和300kH z.3　系统组成及功能系统组成框图如图3所示。

AT 89C51单片机外接12MH z 晶振,机器周期为1μs ,定时器T 0设定为模式2定时,在中断方式下工作,由P110输出100kH z 的方波,经放大后作为探头线圈的激励信号。

巨磁阻传感器输出电压经放大、滤波和峰值检测,再由A/D 转换器ADC0809转换成数字量,输入单片机AT 89C51进行处理和显示。

当探测仪检测到金属物体时,由单片机P111口输出方波驱动扬声器报警,同时由P112口输出一高电平作为执行机构驱动信号。

图3　系统硬件组成框图系统设有低电压提示功能,当电源欠电压时,电源监控电路输出振荡信号,扬声器发声,提示电压不足。

欠电压提示信号频率与报警信号频率差别很大,声音不同,可以区分。

时钟及存储电路能记录探测器动作事件的日期和时间,并可以通过键盘操作和显示器方便地查询记录的数据。

带有后备锂电池,断电后能保持信息。

系统的灵敏度设定可以由软件自动实现,也可以通过键盘调整。

软件自动实现的具体做法是:开机上电或按复位键后,将连续10次采样A/D 转换后的数据作为基准数据存入单片机的RAM ,其最大值和最小值之差确定为灵敏度判定值。

当被测金属物体进入探头的有效检测范围时,巨磁阻传感器将变化的磁场转变为输出电压,经检测电路处理后送入单片机与基准数据进行比较,之差大于灵敏度判定值时,系统启动报警电路和执行电路工作。

4　信号检测电路设计4.1　电压放大及滤波电路图4为巨磁阻传感器输出信号前置放大器。

图中AD620是低功耗高精度宽频带仪表放大器,增益为10时,带宽800kH z.OP37是高精度宽频带运算放大器,增益带宽积63MH z.仪表放大器和运算放大器组合起来,可以在带宽大于300kH z 的情况下,满足电压放大倍数的要求。

R 和C 组成无源高通滤波器,其作用是交流耦合,可以避免由于任何原因的直流强磁场信号等造成放大器输出的饱和[5]。

R 3和C 3组成无源低通滤波器,其作用是消除噪声。

图4　巨磁阻传感器前置放大器4.2　峰值检测电路为了有效地检测金属物体接近时磁场的变化,达到提高灵敏度的目的。

电路检测的是输出电压峰值的变化。

电路如图5所示。

单片机向A/D 转换器发出启动信号后,A/D 转换器将该时间之前所保持的峰值电压转换为数字量,转换结束后,ADC0809发出E OC 信号,单片机检测到该信号后读入转换数据,同时从P1.3口发出清除控制脉冲加到晶体管9013的基极使晶体管饱和导通,采样保持电容C 4放电,测量重新开始。

图5　峰值检测电路(下转第20页)展测量仪器的动态测量范围,从而使系统获得较高的精度。

213　软件程序设计 系统软件负责整个工作顺序的管理和实现,双向电压源的切换、程控放大器的增益设置、稳定放大信号的延迟时间和A/D 转换。

流程见图6。

4　结束语提出了一种基于双极性脉冲电压触发技术的电导信号测量仪,该装置具有专门设计的防腐、卫生型传感器探头并采用新的激励方法,削弱了直流信号触发时所带来的极化问题,简化了电路设计并提高了数据的采集速度。

系统测试表明:该电导信号测量仪结构简单,设计合理,抗干扰能力强。

精度可达018%,采样间隔时间为11202ms ,达到了预期指标和效果。

参考文献:[1]　胡宗定,王一平.工程电导测试技术.天津:天津大学出版社,1989.[2]　RANDA LL E W ,WIKINS ON A J ,CI LLIERS J J ,et al.Current PulseT echnique for E lectrical Resistance T om ography M easurements.2nd W orld C ongress on Industrial Process T om ography ,Hannover ,G ermany ,2001:493-501.[3]　LIU T eijun ,Huang Zhiyao ,W ang Baoliang ,et al.High S peed E lectrialResistance T om ography System Based on Bi 2directional Pulse Current T echnique.The 4th International Sym posium on M easurment T echniques of Multiphase Flows ,Hangzhou ,2004:194-198.作者简介:张敏,(1979—),硕士,主要从事检测自动化装置的研究。