1.  緒論 

1.1  課題研究的背景和意義
金屬探測(cè)器最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，探雷器就是它的雛形(探雷器能夠檢測(cè)出帶有金屬部件的地雷)。二十世紀(jì)中葉，世界上第一臺(tái)金屬探測(cè)器問世[1]，它的功能是：檢測(cè)出工礦業(yè)礦石中混入的金屬塊，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備剔除金屬塊。金屬檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展離不開電力電子技術(shù)。上世紀(jì)六、七十年代，電力電子技術(shù)[2]、印刷電路板技術(shù)的快速發(fā)展，才出現(xiàn)便捷式的金屬探測(cè)器，如公安部門常用的搜身器和公共場(chǎng)所或大公司的安全門。60 年代以后，金屬探測(cè)器的開始使用平衡式接收線圈[3]，同時(shí)電路中增加同步解調(diào)器，不僅能檢測(cè)到接收信號(hào)的振幅，而且還能檢測(cè)到接收信號(hào)的相位，提高探測(cè)器的靈敏度和對(duì)接收信號(hào)的處理能力。早在 70 年代，國內(nèi)就在食品安全領(lǐng)域引入金屬探測(cè)器，當(dāng)時(shí)，探測(cè)器使用大量的電子管和晶體管，導(dǎo)致線路龐大，功耗較大。隨著電子元器件進(jìn)入集成電路時(shí)代和微處理芯片的使用，讓金屬探測(cè)器走向自動(dòng)化、智能化的道路。隨后出現(xiàn)了能夠自動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)大地效應(yīng)平衡  (AGEB)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理功能的金屬探測(cè)器，使金屬探測(cè)器有了質(zhì)的飛躍，硬件上從單純模擬電路轉(zhuǎn)向模擬與數(shù)字電路相結(jié)合。軟 件 上 從 單 片 機(jī) 發(fā) 展 到 數(shù) 字 信 號(hào) 處 理 器   (DSP) 和 Advanced  RISC Machine(ARM)，數(shù)字化芯片的使用提高了金屬探測(cè)器的性能、擴(kuò)展了金屬探測(cè)器的功能、擴(kuò)大了金屬探測(cè)器的應(yīng)用范圍。 金屬探測(cè)器的價(jià)值體現(xiàn)在軍事、食品、藥品、原材料加工、公共安全等各個(gè)領(lǐng)域。最直接的體現(xiàn)就是在如火車站、汽車站等公共場(chǎng)所，或世博會(huì)、奧運(yùn)會(huì)、亞運(yùn)會(huì)、全運(yùn)會(huì)等各種大型活動(dòng)，人員大量聚集，安保工作好壞成為判定活動(dòng)成功與否的重要因素之一。金屬探測(cè)器的使用，可以及時(shí)有效地檢測(cè)出潛在的危險(xiǎn)物品，如犯罪分子(尤其是恐怖分子)攜帶的管制刀具或金屬違禁品，提醒安保人員提前采取應(yīng)對(duì)措施，保證廣大公眾的人身、財(cái)產(chǎn)安全[4]。醫(yī)療、食品等行業(yè)，直接關(guān)系到每個(gè)人的生命健康，因此無論是民間還是政府對(duì)其品質(zhì)成分含量要求越來越嚴(yán)格，要求達(dá)到國內(nèi)或國際上一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如國際食品技術(shù)委員會(huì)的危害分析、關(guān)鍵控制點(diǎn) HACCP 體系[5]和我國的食品質(zhì)量安全 QS 體系和 ISO 體系等[6]，在這些標(biāo)準(zhǔn)體系中，都將金屬顆粒的含量檢測(cè)作為關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，金屬探測(cè)器成為食品、藥品加工等領(lǐng)域必不可少的檢測(cè)設(shè)備。并且對(duì)于某些特殊的加工行業(yè)，政府明確規(guī)定，如果其加工生產(chǎn)線沒有金屬顆粒物的檢測(cè)設(shè)備，是禁止開工的。在原材料加工行業(yè)，金屬探測(cè)器也是不可缺少的保護(hù)性設(shè)備之一。
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1.2  國內(nèi)外發(fā)展概況
金屬探測(cè)器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，而且達(dá)到了良好的效益。一臺(tái)普通的礦用金屬探測(cè)器便可以保護(hù)昂貴的礦石粉碎機(jī)（破碎機(jī)）；在機(jī)場(chǎng)一臺(tái)性能良好的安全門式金屬探測(cè)器就可以保護(hù)價(jià)值上億元的飛機(jī)和數(shù)百人甚至數(shù)萬人的生命安全。因此，對(duì)金屬探測(cè)器的研發(fā)引起政府和專家的高度重視。我國在冶金、醫(yī)療、食品、原材料加工等行業(yè)中，先后引進(jìn)美國、日本、澳大利亞、等國和歐洲國家研制的金屬探測(cè)器，在北京、廣州、上海、深圳等地進(jìn)行各種型號(hào)的金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)和研究，并投入到廣泛的生產(chǎn)生活應(yīng)用中。 現(xiàn)在，金屬探測(cè)器的應(yīng)用已經(jīng)從軍工、礦業(yè)、紡織等領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到木材加工、藥品、玩具、安檢、野外探險(xiǎn)等領(lǐng)域。此外，國外還研制出了 X 光、紅外線式金屬探測(cè)器，能夠準(zhǔn)確指示出金屬碎片的位置和大小，達(dá)到精確除鐵的目的。此外，這些探測(cè)器也能應(yīng)用在安檢方面，提升其檢測(cè)的精度。目前，有一部分科研人員正在研究利用超高頻的電磁波譜：萬億赫茲輻射或稱 T 射線。T 射線的引用可能使安全監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、食品加工等領(lǐng)域的檢測(cè)精度發(fā)生質(zhì)的變化。食品加工商可以通過使用 T 射線檢測(cè)裝置來檢測(cè)密封包裝食品得知其含水量，確保食品的新鮮度達(dá)到最好。英國的 TeraView 公司設(shè)計(jì)出能夠運(yùn)用到碼頭的金屬探測(cè)器，這種探測(cè)器的檢測(cè)精度可以達(dá)到：隨身攜帶的剃須刀或行李中的塑料炸藥。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的精度有了很大的提高，使金屬探測(cè)能夠達(dá)到較高靈敏度的要求。國產(chǎn)的 JTJ 型金屬探測(cè)器能夠檢測(cè)到直徑為 0.44cm 的鐵球；南非生產(chǎn)的金手指(GOLD  FINGER)型金屬探測(cè)器，通過二維檢測(cè)，能夠在顯示屏上標(biāo)出被檢測(cè)到的金屬塊的大小、位置，其靈敏度最高可檢測(cè)出 0.5g的黃金；隨著靈敏度的提高，誤報(bào)警率也大幅提高；較高的靈敏度和準(zhǔn)確報(bào)警之間相互矛盾；故研制出適用于各個(gè)領(lǐng)域，且能夠精確報(bào)警的探測(cè)器成為電磁檢測(cè)行業(yè)的重中之重。 
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2.  探測(cè)器的原理分析及整體設(shè)計(jì)

2.1  基本原理
麥克斯韋提出了位移電流假說：在任何隨時(shí)間變化的電場(chǎng)都要在附近空間激發(fā)磁場(chǎng)；十九世紀(jì)早期，丹麥的物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，推翻了幾百年來電和磁無關(guān)的定論。同期的法國的物理學(xué)家畢奧和薩伐爾在拉普拉斯的幫助下總結(jié)出了畢奧-薩伐爾定律，定理描述變化的電流周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，在電流附近某點(diǎn)的瞬時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度可由公式 2.1 和 2.2 求的。傳統(tǒng)的檢測(cè)金屬方法是：當(dāng)有金屬物體通過探測(cè)器的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，其等效電阻由原來的 R1變?yōu)楣?2.21)中的 R，阻值增大；等效電感由原來的 L1  變?yōu)槭?2.22)中的 L，電感量減小。從而導(dǎo)致檢測(cè)線圈兩端電壓的幅值和相位發(fā)生變化，通過檢測(cè)這些變量可以判斷被測(cè)物是否為金屬。渦流的作用導(dǎo)致阻抗的實(shí)部(電阻部分)增大，而虛部等效電感量是增大或者減小，由下部金屬的材料決定。當(dāng)金屬為非磁性材料時(shí)，電感量減��；為磁性材料時(shí)，由于金屬材料被磁化使其電感量增大。新的檢測(cè)方式是：切斷原線圈兩端電流時(shí)，被測(cè)物中的渦電流不會(huì)立即消失，會(huì)以某種方式衰弱，如果在被測(cè)物下部又有一個(gè)線圈時(shí)，線圈兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) EMF，測(cè)量 EMF 的大小也可以判斷被測(cè)物是否為金屬，甚至可以判定金屬的種類。發(fā)生線圈輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)時(shí)，這種測(cè)量接收信號(hào)衰減曲線的方法在 2.6 節(jié)詳細(xì)介紹。 
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2.2  金屬導(dǎo)體在線圈中的磁場(chǎng)分析
假定存在一個(gè)球形導(dǎo)體固定在某個(gè)發(fā)射線圈和接收線圈的中間，如圖 2.3 所示，以球形導(dǎo)體的中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，發(fā)射線圈和接收線圈的軸心為坐標(biāo)系的 Z 軸，其半徑大小分別為 Rt、Rs。發(fā)射線圈、接收線圈的截面與 XOY 平面平行。坐標(biāo)系原點(diǎn)到發(fā)射線圈、接收線圈的距離分別為 rt和 rs，設(shè)球形導(dǎo)體的半徑為 a，電導(dǎo)率為 σ，磁導(dǎo)率為 μ。發(fā)射線圈通入大小為 I、角頻率為 ω 的交變電流時(shí)，在周圍產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，球形導(dǎo)體感應(yīng)到交變磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦電流；由渦電流產(chǎn)生的新磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)相互疊加。假定某一時(shí)刻原磁場(chǎng)保持不變，接收線圈的 EMF只與新磁場(chǎng)有關(guān)。新磁場(chǎng)隨著渦電流的變換而變化，渦電流的大小不僅與原磁場(chǎng)有關(guān)，而且與自身的電阻率、磁導(dǎo)率等有關(guān)；判斷新磁場(chǎng)的變化情況最有效的方式是測(cè)定接收線圈 EMF 的變化。金屬探測(cè)器從最初的模擬信號(hào)技術(shù)[22]到數(shù)字脈沖技術(shù)，由原來“渦流效應(yīng)”到現(xiàn)在的巨磁電阻傳感器等科學(xué)技術(shù)成果。探測(cè)器由原來的笨重、功能簡(jiǎn)單發(fā)展到現(xiàn)在的輕便、智能化。無論是探測(cè)精度，還是穩(wěn)定性，都有了質(zhì)的飛躍。金屬探測(cè)器一般根據(jù)檢測(cè)原理分為差拍式、自激感應(yīng)式、耗能式、平衡式等�，F(xiàn)在國內(nèi)的檢測(cè)精度較低的金屬探測(cè)器大都采用從差拍式、自激感應(yīng)式、耗能式等探測(cè)技術(shù)，檢測(cè)精度較高的采用平衡式原理。平衡式相對(duì)其它式金屬探測(cè)器性能更加穩(wěn)定、可靠。下面對(duì)這幾種金屬探測(cè)器[23]的工作原理作簡(jiǎn)要介紹。 
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3. 硬件電路設(shè)計(jì)....21 
3.1 發(fā)射模塊 .....21 
3.1.1 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生 ..........21 
3.1.2 接收線圈上的信號(hào) ........23 
3.2 接收模塊設(shè)計(jì) .........24 
3.3 主控芯片 .....25 
3.3.1 DSP 系統(tǒng) ........26 
3.3.2 DSP 電源電路 ....27 
3.3.3 DSP 的晶振及復(fù)位電路 ....28
3.4 電源模塊 .....30 
3.5 RS485 通信模塊 .......30 
3.6 輸出驅(qū)動(dòng)模塊 .........31 
3.7 人機(jī)界面模塊 .........31
3.8 鍵盤模塊 .....34 
3.9 PCB 的制作 ...........35 
3.10 本章小結(jié) ....36 
4. 軟件設(shè)計(jì)........37 
4.1 DSP 程序設(shè)計(jì) .........37
4.2 人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì) ...........42
4.3 本章小結(jié) .....44 
5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及改進(jìn)措施..........45 
5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 .....45 
5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .....46 
5.3 抗干擾措施 ...........51 
5.4 本章小結(jié) .....51 

5.  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及改進(jìn)措施

本系統(tǒng)針對(duì)礦業(yè)中輸送煤炭、金屬礦石、非金屬礦石設(shè)計(jì)的，在礦中需要檢測(cè)出來的金屬主要是：鏟斗齒塊、齒錳鋼塊、鏜孔齒塊、條鋼、條鏈、鐵制工具等。輸送礦石主要用的是傳送帶(或輸送帶)，傳送帶主要由牽引件、承載構(gòu)架、驅(qū)動(dòng)裝置、支撐件、皮帶等組成，能夠影響金屬探測(cè)器的主要因素是皮帶、支撐件，因?yàn)樘綔y(cè)器完全可以通過移動(dòng)位置來避開其它部件的影響。皮帶中含有鐵絲網(wǎng)，皮帶的接頭或修補(bǔ)處都是用的鐵釘；在設(shè)置探測(cè)器靈敏度時(shí)都需要考慮。 金屬探測(cè)器的靈敏度設(shè)計(jì)上需要對(duì)礦石背景分類；金屬礦石的品位對(duì)靈敏度影響較大，而非金屬礦石則對(duì)靈敏度沒有影響。 

5.1  實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

利用 Altium Designer 軟件將硬件圖設(shè)計(jì)成 PCB 板，能夠?qū)崿F(xiàn)焊接任務(wù)，并完成相應(yīng)的焊接組裝工作，其次通過程序下載然后將程序下載至 TMS320F2812型 DSP 和 STC12C5A60S2 單片機(jī)中進(jìn)行最后的調(diào)試。接收面板的尺寸為 200cm×40cm×2cm；發(fā)射面板為 200cm×20cm×2cm。硬件電路板焊接完成后需要進(jìn)行一系列的測(cè)試，來確定硬件系統(tǒng)能否正常工作。測(cè)試主要完成以下內(nèi)容[39]： (1)查看硬件電路板有沒有焊接好、漏焊、短路，，關(guān)鍵是查看在各個(gè)元器件同地線之間有沒有短路。 (2)檢查發(fā)射面板、接收面板的電纜和是不是正確連接到控制器上。 (3)給系統(tǒng)上電后，檢測(cè)各個(gè)器件的兩端電壓是不是達(dá)到正常值，大功率器件有沒有發(fā)熱、發(fā)燙跡象；完成的金屬探測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)的調(diào)試，實(shí)物圖如圖 5.2所示。調(diào)試好的金屬探測(cè)器的顯示面板如圖 5.1 所示。

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總結(jié)

本文介紹了多種原理的金屬探測(cè)器。描述了圓形和矩形線圈的磁場(chǎng)分布和平衡線圈的基本原理，并在圓形平衡線圈模型的基礎(chǔ)上提出靈敏度、可靠性更高的矩形平衡線圈模型，并加以改進(jìn)得出改進(jìn)平衡式金屬檢測(cè)原理。以此理論為基礎(chǔ)，結(jié)合檢測(cè)原理以及電路知識(shí)，設(shè)計(jì)出應(yīng)用在礦業(yè)中檢測(cè)金屬雜質(zhì)的金屬探測(cè)器。通過金屬探測(cè)器實(shí)驗(yàn)，將的到的結(jié)果與理論設(shè)定值相比較，驗(yàn)證探測(cè)器的靈敏度和可靠性。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品技術(shù)性能的要求，通過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試探測(cè)器的檢測(cè)效果，本文設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)器的檢測(cè)精度能夠滿足市場(chǎng)的需求；需要注意，為了最大程度上抑制干擾，提高檢測(cè)精度，加入了數(shù)字濾波電路；同時(shí)加入了屏蔽罩和穩(wěn)固措施，使探測(cè)器的穩(wěn)定性到了較大的提高。 設(shè)計(jì)的不足之處是不能消除輸送帶和補(bǔ)丁處鐵釘?shù)挠绊�。需要設(shè)計(jì)出能夠使探測(cè)器識(shí)別出皮帶接頭，在皮帶接頭處降低探測(cè)器的靈敏度，減少誤報(bào)。 
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：58913