一种数字式金属探测器的设计

　　1　引　　言

　　金属探测器在食品、塑料制品、木材、制药、造纸以及建筑装修等行业均有着重要的应用。

　　从金属探测器的应用来看,有连续式和间歇性工作方式。从被探测金属的电磁性质来分有磁性金属,如铁,也有非磁性金属,如铜,铝等。目前,金属探测器的检测电路多采用模拟电路,这就限制了检测功能的灵活性,并容易受工作环境因素(尤其是高频情况)影响,因此,检测精度和可靠性不容易得到保证。金属探测器的工作原理主要有差拍式、平衡式和能耗式[1～2]三种,　　其中第一、二种方法采用了2个或2个以上的振荡线圈,在这种结构的电中,振荡电路参数性能的一致性、工作点稳定性等会直接影响检测精度,这就要求元器件的参数具有严格的一致性,并且设备的日常维护量也较大。更多的设计采用能耗式,这种电路利用电压变化来检测金属,但电压变化往往同时受电阻变化和电感变化两种因素的影响,而这两种因素引起的电压　　变化相互耦合,这样就不可避免地影响了检测精度。

　　笔者提出一种数字式金属探测器,该探测器是一种嵌入式的计算机检测设备,能同时检测电压和相位变化,具有平衡式的较高检测精度,并且功能灵活,不仅能检测各种金属,而且能实现金属分类,降低了对元器件性能一致性的严格要求,适于大规模生产。

　　2　金属探测器工作原理

　　金属探测器以一种以上频率工作,图1表示了双频率工作原理[2],由振荡器1和2分别产生低高两种频率fL和fH的信号,经混频放大器在线圈L1中产生两种频率电压U ₁,L2为探测线圈,在该线圈中产生的感应电压记为U ₂,其矢量图如图2所示[3]。当在探测区域中没有金属物体时,电压U ₂=U _A,当在检测区域中出现金属时,其大小和方向都发生了变化,U 2=U  _B,则电压增量为U _AB=U _B-U  _A。将U _AB在U和I轴上分解,在I轴上的分量是有功分量,表示了金属物体的涡流损耗和吸收功率,其大小与金属的大小、形状等因素有关;而在U轴上的分量是无功分量,它表示金属的属性。图3中的a、b、c分别表示磁性金属、非磁性金属和绝缘物质的频率曲线。

　　3　检测原理的实施方案

　　从上述金属探测器的原理可知,为了实现金属检测,需要产生至少两种不同频率fL和fH的信号,然后检测不同频率下U·AB的有功分量和无功分量。采用微控制器为核心处理器构成的检测器原理如图4所示。微控制器采用Atmel公司的Atmega8单片机,这是一款基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位单片机,具有4通道的10位ADC,3个带有比较模式的定时/计数器等强大功能[4]。