金属感应探测线圈半径优化设计

　　0　引　言

　　利用电磁感应方法探测隐蔽的金属物,除了军事上的应用外,在海关检查、机场安检、公安侦破、被加工原料中的金属异物探测、探矿等都有着广泛的应用。

　　若能探测出处于较大探距的小金属物,较大金属物的探测自然不成问题。因此,提高远距小金属物的检出灵敏度,历来是研制金属探测仪器常新的课题。

　　本文讨论采用优化探测线圈半径的方法来提高探测仪器的灵敏度。

　　1　检测原理

　　用电磁感应法探测金属物体,采用探测线圈做传感器,以探测线圈与电容器组成振荡器的选频网络,并以振荡器的振荡频率受被探金属物的电磁扰动而产生的相对频偏Δω/ω为探测仪器的检测标的。然后,采用相应的电子线路将检测到的相对频偏转换为与其相关的电压、电流或转换为频率(或振幅)与Δω/ω密切相关的音频信号。探测仪器最终则以转换后的电压、电流或音频信号作为其输出量。显然,用这种方法探测金属物体,要提高仪器的探测灵敏度,其关键应是尽可能提高仪器的原始输出量,即提高仪器检测到的相对频偏。

　　2　探测线圈半径与相对频偏Δω/ω的关系

　　2.1　探测线圈的自感L

　　作为探测传感器的扁平线圈,其电感可根据扁平线圈的计算公式求出:

　　2.2　探测线圈与被探金属物间的互感M

　　设被探金属物处于探测线圈轴线上,与线圈端面距离(探距)为x,将被探物等效为一个单匝线圈,其包围的面积为S2,如图1所示。匝数为N的探测线圈通以电流I,当x较大、被探物较小时,被探物所在处的磁感应强度B可看成是匀强的[1],则:

　　2.3　引入电感ΔL

　　探测线圈L与电容C组成如图2的串联谐振电路,并用该谐振电路做选频网络组成探测振荡器。图中,L2与R2为被测物的等效电感和等效电阻。M构成L和L2之间的电磁联系。M的存在,使被测物在L中产生引入电阻ΔR(对串联谐振电路的频偏没有贡献不予讨论)和引入电感ΔL[2]:

　　2.4　线圈匝数与相对频偏

　　检测仪器中,由探测线圈L与电容C构成的LC串联谐振电路作振荡器的选频网络,振荡器的振荡频率:

　　由式(7)可见,在探测线圈的c, h与a相比较小时,探测线圈的匝数N与相对频偏Δω/ω无关,说明不能有效地用调整探测线圈匝数的方法来提高探测仪器的灵敏度。

　　2.5　线圈半径对相对频偏Δω/ω的影响

　　设δ=Δωω,对式(7)求导(求导中将γ以常量计。可以证明:在小金属物处于大探距条件下,由此引起的误差极小,可以忽略不计)有: