一种立体线圈式抗电磁干扰脉冲金属探测器的制作方法

本发明涉及金属探测技术领域，具体涉及一种立体线圈式抗电磁干扰脉冲金属探测器。

背景技术：

脉冲式金属探测器是一种探测深度非常深的仪器，非常适合考古堪探和路政工程方面的应用。不同于其他类型的金属探测器，脉冲式金属探测器的工作原理是：通过主机产生的脉冲信号去驱动线圈产生强大的短暂的脉冲电流。由于线圈所产生的每个脉冲都会产生一个磁场，而每个脉冲结束的时候磁场极性会反转并崩溃，因此会在线圈上产生一个尖峰波，这个尖峰电流持续的时间非常短，称为反射电流。如果有金属物体在线圈下方，脉冲结束后产生的磁场会在物体上产生相反的磁场，这一磁场叠加到反射电流中就引起这一电流衰减的速度变慢，主机会时刻监视这一衰减电流的长度变化，通过与预期设定的进行比较，如果衰减时间变长，主机就可以判定是由外界金属物引起的衰减时间变长，从而判断是有金属物。

现有脉冲式金属探测器大多都由一根多芯电缆绕制而成，即采用单线圈同时承担发射和接收的任务。而单线圈在工作的时候是没有抵抗外界信号干扰的能力，一旦有外界的干扰信号，比如附近存在高压线、无线发射塔或基站等大功率的电磁信号源时，就很容易被脉冲式金属探测器的前端接收放大，而导致误判的情况发生。虽然通过在脉冲式金属探测器的前端放大之前或之后加入滤波器能够在一定程度上消除这种干扰电磁波，但是由于现有脉冲式金属探测器的前端放大电路都采用的是一个高灵敏度的放大器，即只有高灵敏度才能采集得到反馈的回波信号，而这些干扰电磁波已经完全破坏了回波信号，既然连回波信号都已经不完整了，任何的滤波器都已经无效了，所以任何的金属回波和干扰都会被放大而没有抵制的能力。

技术实现要素：

本发明所要解决的是现有脉冲式金属探测器易受到外界信号干扰而出现误判的问题，提供一种立体线圈式抗电磁干扰脉冲金属探测器。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种立体线圈式抗电磁干扰脉冲金属探测器，由探测器、副机和主机组成。

所述探测器包括探测框架、抗外部干扰线圈和探测线圈；其中探测框架由上层环形框架、下层环形框架和至少一条绝缘连接杆组成；上层环形框架和下层环形框架均为水平设置的环形框架；上层环形框架位于下层环形框架的正上方，两者之间存在一定的高度差，并通过直立设置的绝缘连接杆连接；抗外部干扰线圈固定在上层环形框架上；探测线圈固定在下层环形框架上。

所述副机包括副机外壳以及设置在副机外壳内的副机处理电路；其中副机处理电路包括副机微控制器、mos管、前置放大器、电阻r1-r8、二极管d1-d4和光耦组成；副机微控制器的驱动脉宽调制端经由电阻r5连接光耦的一端，光耦的另一端连接电阻r7的一端；电阻r7的另一端同时连接mos管m1的栅极和电阻r6的一端；电阻r6的另一端和mos管m1的源极接负电源；抗外部干扰线圈和探测线圈的一端、电阻r1和r2的一端、二极管d1和d4的阳极、以及二极管d2和d3的阴极同时接地；抗外部干扰线圈的另一端连接电阻r1的另一端和电阻r3的一端，电阻r3的另一端连接二极管d1的阴极、二极管d2的阳极和前置放大器的输入正端；探测线圈的另一端连接电阻r2的另一端和电阻r4的一端，电阻r4的另一端连接二极管d3的阳极、二极管d4的阴极和前置放大器的输入负端；电阻r5的两端分别接前置放大器的输入负端和输出端；前置放大器的输出端连接副机微控制器的模数转换采集端；副机微控制器与副机通信模块相连。

所述主机包括主机外壳以及设置在主机外壳内的主机处理电路；主机处理电路由主机微控制器、主机通信模块、显示屏、功能操作按键、音频脉宽调制模块和报警喇叭组成；显示屏和功能操作按键作为人机交互界面，同时嵌设在主机外壳的表面，并与主机微控制器相连；主机通信模块与副机通信模块连接，主机通信模块与主机微控制器相连；主机微控制器的输出端经由音频脉宽调制模块与报警喇叭的输入端连接。

上述方案中，抗外部干扰线圈和探测线圈的结构和参数完全相同。

上述方案中，抗外部干扰线圈和探测线圈均为方环形或圆环形。

上述方案中，抗外部干扰线圈和探测线圈之间的高度差介于50厘米至70厘米之间。

上述方案中，抗外部干扰线圈与上层环形框架相绝缘，探测线圈和下层环形框架相绝缘。

上述方案中，抗外部干扰线圈固定在上层环形框架的正下方，探测线圈固定在下层环形框架的正下方。

上述方案中，主机通信模块和副机通信模块均为无线通信模块。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、通过采用2组线圈来实现信号的差模抑制，从而抵消外界信号的干扰，提高金属探测仪的探测精度，使其能够在具有复杂干扰源(如周围存在高压线、基站铁塔等)的环境下，依旧能够做出准确探测；

2、将2组线圈安装在探测框架上，探测框架的结构设计能够有效兼顾操作的便利性与探测深度，并使得线圈的信号能够被有效且无损地传送至微控制器中进行处理，以进一步提高探测精度。

3、将数据处理功能拆分为主机与副机来实现，主机与副机之间通过有线或无线实现数据传输。由于模拟信号不再需要经过很长的信号线，所以晃动引起的由信号线产生的不稳定因素基本上已经避免。而且由于主机与副机都有各自的mcu，所以在数据处理的速度上将会变得相当快。

附图说明

图1为一种立体线圈式抗电磁干扰脉冲金属探测器的原理框图。

图2为副机处理电路的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参见图1，一种立体线圈式抗电磁干扰脉冲金属探测器，包括探测端和主机端。其中探测端包括探测器和副机。主机端包括主机。

所述探测器包括探测框架、抗外部干扰线圈和探测线圈。探测框架作为抗外部干扰线圈和探测线圈的安装载体，其主要由上层环形框架、下层环形框架和至少一条绝缘连接杆组成。上层环形框架和下层环形框架均为水平设置的环形框架。上层环形框架位于下层环形框架的正上方，两者之间存在一定的高度差，并通过直立设置的绝缘连接杆连接。抗外部干扰线圈和探测线圈作为探测器的主要工作部件，其分别由一根多芯电缆缠绕而成，圈数一般为6圈到7圈。抗外部干扰线圈固定在上层环形框架上，且抗外部干扰线圈与上层环形框架相绝缘。探测线圈固定在下层环形框架上，且探测线圈与下层环形框架相绝缘。线圈(包括抗外部干扰线圈和探测线圈)固定在对应环形框架(包括上层环形框架和下层环形框架)上，其可以位于对应环形框架的正上方，或者位于对应环形框架的正下方，或者缠绕在对应环形框架上。在本发明优选实施例中，外部干扰线圈固定在上层环形框架的正下方，探测线圈固定在下层环形框架的正下方。抗外部干扰线圈和探测线圈之间的高度差介于50厘米至70厘米之间，从而能够有效兼顾操作与探测深度。抗外部干扰线圈和探测线圈的结构和参数完全相同，且工作在相同的相位，实现差模抑制。由于抗外部干扰线圈和抗外部干扰线圈需要固定在探测框架上，所以抗外部干扰线圈的形状与上层环形框架的形状相同，探测线圈与下层环形框架的形状相同。在设计时，环形框架(包括上层环形框架和下层环形框架)也即线圈(包括抗外部干扰线圈和探测线圈)的大小尺寸可以根据探测的单位面积来决定，当线圈的环形尺寸较大时，发射脉冲相对大。反之，当线圈的环形尺寸较小时，发射脉冲相对大。另外，环形框架(包括上层环形框架和下层环形框架)也即线圈(包括抗外部干扰线圈和探测线圈)的形状也可以根据具体设计要求而确定，其可以为正方环形、长方环形、圆环形、多边环形、甚至是不规则的环形。但考虑到正方环形和长方环形不容易出现探测死角，而作为优选方案。

所述副机固定在探测器上，其主要由副机外壳以及设置在副机外壳内的副机处理电路组成。其中副机处理电路包括副机微控制器、mos管、前置放大器、电阻r1-r8、二极管d1-d4和光耦组成。参见图2。

副机微控制器的驱动脉宽调制端经由电阻r5连接光耦的一端，光耦的另一端连接电阻r7的一端。电阻r7的另一端同时连接mos管m1的栅极和电阻r6的一端。电阻r6的另一端和mos管m1的源极接负电源。抗外部干扰线圈和探测线圈的一端、电阻r1和r2的一端、二极管d1和d4的阳极、以及二极管d2和d3的阴极同时接地。抗外部干扰线圈的另一端连接电阻r1的另一端和电阻r3的一端，电阻r3的另一端连接二极管d1的阴极、二极管d2的阳极和前置放大器的输入正端。探测线圈的另一端连接电阻r2的另一端和电阻r4的一端，电阻r4的另一端连接二极管d3的阳极、二极管d4的阴极和前置放大器的输入负端。电阻r1和r2与线圈并联，作为阻尼电阻，其作用是防止线圈产生振铃。电阻r3和r4，作为探测线圈和抗干扰线圈信号反馈电阻，用于线圈反馈信号，同时起到线圈信号进入前置放大器之前的缓冲作用。4个二极管d1-d4用于对线圈反馈信号限幅，限制进入前置放大器同相输入端的幅度，避免线圈上由于过高的峰值损坏放大器。电阻r5的两端分别接前置放大器的输入负端和输出端。电阻r5为前置放大器的反馈电阻，其作用是决定前端前置放大器的放大倍数。前置放大器的输出端连接副机微控制器的模数转换采集端。副机微控制器与副机通信模块相连。

所述主机挂在探测者身上或放在探测器记录点上，其主要由主机外壳以及设置在主机外壳内的主机处理电路组成。主机处理电路由主机微控制器、主机通信模块、显示屏、功能操作按键、音频脉宽调制模块和报警喇叭组成。显示屏和功能操作按键作为人机交互界面，同时嵌设在主机外壳的表面，并与主机微控制器相连。主机通信模块与副机通信模块通过有线或无线方式实现连接，主机通信模块与主机微控制器相连。主机微控制器的输出端经由音频脉宽调制模块与报警喇叭的输入端连接。

本发明的原理如下：假设有两个信号v1、v2，他们的共模信号为vcom，差模信号为vdiff。共模信号(幅度相等，相位相同的信号)：就是这两个信号共同拥有的那部分：vcom＝(v1+v2)/2；差模信号(幅度相等，相位相反的信号)：就是这两个信号各自拥有的那部分：对于v1，vdiff＝(v1-v2)/2；对于v2，vdiff＝-(v1-v2)/2；由于前置放大器所输出的信号，包含了被破坏的回波信号和干扰电磁信号，因为本发明采用2个线圈组成差分放大，形成一个差模信号传输的方式来解决探测过程中的干扰问题。

使用时，操作者只需提着探测器，并让探测器的下层环形框架离开地面一定距离，保持平衡慢慢在待测区域行走。此时，微控制器mcu发出驱动脉冲，并经由mos管去同时驱动抗外部干扰线圈和探测线圈，抗外部干扰线圈和探测线圈同时产生强大的短暂的脉冲电流，其两者工作在相同相位下。当探测器的正下方存在金属物体时，抗外部干扰线圈和探测线圈的反射电流发生变化，主机同时接收到抗外部干扰线圈和探测线圈所反馈回来的反射电流后，经过电阻r1-r5、二极管d1-d4和前置放大器进行放大后送入到微控制器mcu中。微控制器mcu对2个反射电流进行差模抑制计算后，得到抑制干扰后的反射电流信号，并将这一该抑制干扰后的反射电流信号与预期设定的进行比较，如果衰减时间变长，主机就可以判定是由外界金属物引起的衰减时间变长，从而判断是有金属物。当金属物体进入到探测框的范围内，主机就会发出声音警报提示。

此外，本发明将现有主机内部所有的功能拆分由主机与副机来实现，主机与副机之间通过有线或无线实现数据传输。脉冲发射、前端放大和adc采集转移到副机上去，副机能够直接固定在探测框架上，这样探测线圈接收的模拟回波信号只需要一小段很短的线(约几厘米)进入副机内部的前端放大，然后adc把采集到的前端信号转换成数字信号，这些数字信号再通过有线或无线方式传输发送到主机上，主机只需要把接收到的数字信号经过处理，然后对应发出报警声音即可。因为线圈所采集的模拟信号不再需要很长的信号线，所以晃动引起的由信号线产生的不稳定因素基本上已经避免。而且由于主机与副机都有各自的mcu，所以在数据处理的速度上将会变得相当快，而主机的任务处理也将变得非常简单，只需要按键处理和显示屏显示功能信息，把一些要求副机进行调节的参数，如发射频率、接收灵敏度、功率等，发送给副机，然后副机再把采集到的数据发送给主机，最后主机只需把接收到的数据转换成报警音频即可。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。