一种基于电压向量分解的金属探测器的研制

　　1 .前言

　　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[ 1 ]、电感平衡式[ 3 , 4 ]和能耗式。然而，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。

　　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，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= Imcosωt 时，中心磁感应强度为

　　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:

　　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。

3 .工作原理

　　设 UE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