一种基于巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测方法及装置。本发明的方法包括两部分：第一部分针对克服激励线圈磁场分量，提出了“正交偏置”方法，即巨磁电阻传感器的偏置电流与激励线圈电流频率相同、相位相差90°，从而使巨磁电阻传感器输出的直流信号仅与金属电涡流磁场有关；第二部针对克服放大电路的直流失调，提出了“移相调制”方法，经过低通滤波器，从而率除了放大电路的直流失调，获得仅与金属电涡流有关的信号输出。本发明的装置由激励线圈、巨磁电阻传感器、检测电路组成。巨磁电阻传感器置于激励线圈中，激励线圈用于产生交流磁场，巨磁电阻传感器用于敏感金属电涡流磁场，检测电路用于检测金属涡流信号。
【专利说明】
-种基于巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测方法及装置
技术领域：
[0001] 本发明设及金属探测方法及装置，尤其设及一种基于巨磁电阻的金属探测方法及 装置。
【背景技术】：
[0002] 金属探测器是一种专口用来探测金属的仪器。金属探测器广泛应用于工业过程、 安全防范、勘探勘测、交通控制W及生活消费领域。
[0003] 现有线圈式金属探测器分为单线圈和平衡线圈两类。对于单线圈金属探测器，当 有金属接近检测线圈时，线圈的等效电感和等效电阻发生变化，引起谐振频率变化或者阻 抗变化，通过检测谐振频率或阻抗的变化来探测金属。当金属体积微小时，线圈电感量的变 化量相对线圈初试电感量的比值极小，需要极高的频率分辨率或阻抗分辨率，因此，难W探 测微小金属。对平衡线圈金属探测器，需要一组激励线圈和两组接收线圈。当两组接收线圈 应数、尺寸完全一致，且相对激励线圈的安装空间完全对称时，激励线圈电流在两组接收线 圈中产生的感应电势幅值和相位完全一致，两组接收线圈的感应电势的差分为零，当有金 属通过探测器时，两组接收线圈的差分电势仅包含金属满流引起的感应电势，从而使信号 放大电路的增益得到充分提高，进而提高金属探测灵敏度。然而，两组接收线圈应数、尺寸 难W完全一致，相对激励线圈的安装位置难W完全对称，因此，金属探测灵敏度仍然有限。
[0004] 现有基于巨磁电阻传感器的金属探测器由激励线圈、巨磁电阻传感器、检测电路 组成。激励线圈产生交流激励磁场，当有金属通过探测器时，金属中产生电满流，该电满流 产生与激励磁场同频率的满流磁场，巨磁电阻传感器将激励磁场与满流磁场的合成磁场转 换为电信号。激励磁场和满流磁场频率相同，无法通过滤波器将两者分离，又由于激励磁场 远远强于满流磁场，将满流磁场彻底淹没，使得检测电路的增益受到限制，因此，金属探测 灵敏度有限。
[0005] 本发明提供一种金属探测新法，即基于巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测方 法。
【发明内容】
：
[0006] 针对现有金属探测存在的问题，本发明提出一种基于巨磁电阻和正交偏置调制的 金属探测方法及装置，用于消除激励线圈电流产生的磁场、环境磁场、巨磁电阻传感器等效 零偏电阻、放大电路直流失调的影响，提高金属探测的灵敏度。
[0007] 本发明基于巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测装置由巨磁电阻传感器、激励线 圈、检测电路组成，巨磁电阻传感器置于激励线圈中，激励线圈用于产生交流磁场，巨磁电 阻传感器用于敏感金属电满流磁场，检测电路用于检测金属满流信号。
[000引检测电路包括正弦波信号发生器、功率驱动器、激励线圈电流取样电阻、正交移相 电路、方波发生器、调制开关、电压缓冲器、低通放大电路、反相器、解调开关、低通滤波器。
[0009]其中：
[0010] (I)正弦波信号发生器产生的正弦波信号经功率驱动器进行功率放大后驱动激励 线圈；
[0011] (2)激励线圈电流取样电阻用于将激励线圈的交流电流转换为电压信号；
[0012] (3)正交移相电路分别对激励线圈电流取样电阻两端的电压移相+90°和-90%分 别称为+90°移相信号和-90°移相信号；
[0013] (4)方波发生器输出占空比50 %的方波信号；
[0014] (5)方波发生器输出信号高电平、低电平分别选择调制开关的输出为+90°移相信 号或-90°移相信号，或为-90°移相信号或+90°移相信号；
[0015] (6)调制开关的输出经电压缓冲器缓冲后，提供巨磁电阻传感器的偏置电流；
[0016] (7)低通放大电路滤除交流分量，对信号进行放大；
[0017] (8)反相器对低通放大电路的输出进行单位增益反相；
[0018] (9)方波发生器输出信号高电平、低电平分别选择解调开关的输出为低通放大电 路的输出和反相器的输出，或为反相器的输出和低通放大电路的输出；
[0019] (10)解调开关的输出经低通滤波器滤除交流分量，得到仅与金属电满流有关的信 号输出。
[0020] 本发明的原理如下：
[0021] 本发明的金属探测装置由巨磁电阻传感器、激励线圈、检测电路组成，其中巨磁电 阻传感器置于激励线圈中。激励线圈接入交流电流，产生交流磁场。当有金属通过激励线圈 时，金属在交流磁场作用下产生满流电流，满流电流随之产生满流磁场。巨磁电阻传感器输 出电压等效为
[0022] Uo = k(Ba+Be+化 Ha+丫 Ia
[0023] =k(Ba+化 Ha+ 丫 la+kBela (1)
[0024] 式（1)中，k、Ba、Be、Bb、丫、Ia分别为巨磁电阻传感器的磁场灵敏度系数、激励电流 产生的交流磁场、金属满流磁场、环境磁场、与磁场无关的等效零偏电阻、巨磁电阻传感器 的偏置电流。由式（1)可知，激励电流产生的交流磁场、环境磁场、与磁场无关的等效零偏电 阻会对金属满流信号探测的灵敏度产生影响。
[0025] 设激励线圈的电感为^，激励线圈电阻为Ri,金属满流等效电感为L2、金属满流等 效电阻为化，金属满流电流有效值为12,激励线圈与金属满流的互感为M，激励线圈的电压有 效值为El、激励电压的角频率为CO、激励电流有效值为II，则电气方程：
[0026] 拉+j?Ml2 = Ii 化+jubli (2)
[0027] j?MIi = l2R2+j?L2l2 (3)
[0028] 由式(2)与（3)可得：
[0030] 激励电流产生的磁场为：[0031] Ba = AIl 巧）[0032] 式(5)中A为金属探测器的结构常数。[0033] 金属满流产生的磁场为：
[0029] C4)
[0034]
(6)
[0035] 式(6)中P为金属探测器的结构常数。[0036] 将式(5)、（6)带入式(1)可得下式；
[0037] (7)
[00；3 引 (8)
[0039] 式(8)等式右边第一项、第二项、第=项是与金属满流无关的干扰项，第四项是仅 与金属满流有关的信号项。为了消除干扰项，本发明采用如下方法：
[0040] 令巨磁电阻传感器偏置电流Ia与激励线圈电流Il频率相同，相位正交，幅值成正 比，即：
[0041 ] Ia=化 Il (9)
[0042] (10)
[0043] 式（10)右边第一项、第二项、第=项、第四项均为交流分量，只有第五项为直流分 量，且只与金属满流有关。
[0044] 采用低通滤波器滤除式(10)中交流分量，得到：
[0045] (11)
[0046] 式（11)表明，采用与激励线圈电流频率相同、相位正交的电流作为巨磁电阻传感 器的偏置电流，可有效消除与金属满流信号无关的干扰项，为充分提高放大电路增益创造 了条件。
[0047] 对前述低通滤波后的信号进行放大，放大电路的输出为：
[004引 (12)
[0049] 式(12)中，〇和^分别为放大电路的增益、放大电路输出直流失调电压。
[0050] 虽然通过前述方法，将金属满流信号转换为直流信号，并且消除了干扰项，使得放 大电路增益得到提高，但是由于放大电路存在直流失调分量，依然会限制金属探测的灵敏 度。
[0051] 为了消除放大电路直流失调电压对金属探测灵敏度的限制，本发明进一步采取如 下方法：
[0052] 令巨磁电阻传感器偏置电流IaW角频率《0在jull和-jull间切换，等效于用单位 幅值+1、单位幅值-1的占空比50%角频率《0的信号与化Ii相乘后作为巨磁电阻传感器的偏 置电流Ia,即对巨磁电阻传感器的偏置电流相对激励线圈电流的正交相位进行调制，则放 大电路的输出为：
[0053]
(B)
[0054] 用单位幅值+1、单位幅值-I的占空比50%角频率《0的信号与放大电路输出相乘 进行解调，可得：
[0055]
(14)
[0056] 解调后的输出经过低通滤波，可得：
[0化7] 15)
[005引式（15)表明，经过对巨磁电阻传感器偏置电流相对激励线圈电流的正交相位进行 调制，对放大电路的输出进行同步解调和低通滤波后，放大电路的直流失调得到了消除，从 而提高了金属探测的灵敏度。
[0059] 本发明基于巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测方法包括如下步骤：
[0060] 1.给激励线圈施加角频率O的交流电流；
[0061] 2.对激励线圈交流电流移相90°得到信号Ial,对激励线圈交流电流移相-90°得到 信号Ia2;
[0062] 3.产生角频率《0、占空比50%的选择信号，周期选择巨磁电阻传感器偏置电流为 Ial或Ia2,即对巨磁电阻传感器偏置电流相对激励线圈电流的正交相位进行调制；
[0063] 4.对巨磁电阻传感器输出信号进行低通滤波放大；
[0064] 5.放大后的信号分为两路，一路保持不变且为Ul，另一路单位增益反相且为U2;
[0065] 6.用前述角频率CO 0、占空比50%的选择信号周期选择Ul或U2作为解调输出；
[0066] 7.对上述解调输出进行低通滤波，获得仅与金属满流有关的输出信号。
【附图说明】
[0067] 图1金属探测装置框图
[0068] 图2检测电路框图
[0069] 图3金属探测装置详细连接框图
[0070] 本发明的实施例
[0071] -种金属探测装置的组成见附图1，该探测装置由激励线圈1、巨磁电阻传感器2、 检测电路3组成，巨磁电阻传感器置于激励线圈中，激励线圈用于产生交流磁场，巨磁电阻 传感器用于敏感金属电满流磁场，检测电路用于检测金属满流信号。
[0072] 附图1中的检测电路组成见附图2。包括正弦波信号发生器1、功率驱动器2、激励线 圈电流取样电阻3、正交移相电路4、方波发生器5、调制开关6、电压缓冲器7、低通放大电路 8、反相器9、解调开关10、低通滤波器11。
[0073] 附图1中的装置详细连接见附图3。包括正弦波信号发生器1、功率驱动器2、激励线 圈电流取样电阻3、正交移相电路4、方波发生器5、调制开关6、电压缓冲器7、低通放大电路 8、反相器9、解调开关10、低通滤波器11、激励线圈12、巨磁电阻传感器13。
[0074] 其中；
[0075] (1)正弦波信号发生器1产生的正弦波信号经功率驱动器2进行功率放大后驱动激 励线圈12;
[0076] (2)激励线圈电流取样电阻3用于将激励线圈12的交流电流转换为电压信号；
[0077] (3)正交移相电路4分别对激励线圈电流取样电阻3两端的电压移相+90°和-90% 分别称为+90°移相信号和-90°移相信号；
[0078] (4)方波发生器5输出占空比50%的方波信号；
[0079] (5)方波发生器5输出信号高电平、低电平分别选择调制开关6的输出为+90°移相 信号或-90°移相信号，或为-90°移相信号或+90°移相信号；
[0080] (6)调制开关6的输出经电压缓冲器7缓冲后，提供给巨磁电阻传感器13的偏置电 流；
[0081] (7)低通放大电路8滤除交流分量，对信号进行放大；
[0082] (8)反相器9对低通放大电路8的输出进行单位增益反相；
[0083] (9)方波发生器5输出信号高电平、低电平分别选择解调开关10的输出为低通放大 电路8的输出或反相器9的输出，或为反相器9的输出或低通放大电路8的输出；
[0084] (10)解调开关10的输出经低通滤波器11滤除交流分量，得到仅与金属电满流有关 的信号输出。
[0085] W上显示描述了本发明的基本原理和主要特征。本发明不受上述实施例的限制， 在不脱离本发明原理和范围下，本发明还会有各种变化和改进，运些变化和改进也属于本 专利的权利。
【主权项】
1. 一种基于巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测装置，由巨磁电阻传感器、激励线圈、 检测电路组成，巨磁电阻传感器置于激励线圈中，激励线圈用于产生交流磁场，巨磁电阻传 感器用于敏感金属电涡流磁场，检测电路用于检测金属涡流信号，其特征在于检测电路包 括正弦波信号发生器、功率驱动器、激励线圈电流取样电阻、正交移相电路、方波发生器、调 制开关、电压缓冲器、低通放大电路、反相器、解调开关、低通滤波器； 正弦波信号发生器产生的正弦波信号经功率驱动器进行功率放大后驱动激励线圈； 激励线圈电流取样电阻用于将激励线圈的交流电流转换为电压信号； 正交移相电路分别对激励线圈电流取样电阻两端的电压移相+90°和-90°，分别称为+ 90°移相信号和-90°移相信号； 方波发生器输出占空比50 %的方波信号； 方波发生器输出信号高电平、低电平分别选择调制开关的输出为+90°移相信号或-90° 移相信号，或为-90°移相信号或+90°移相信号； 调制开关的输出经电压缓冲器缓冲后，提供巨磁电阻传感器的偏置电流； 低通放大电路滤除交流分量，对信号进行放大； 反相器对低通放大电路的输出进行单位增益反相； 方波发生器输出信号高电平、低电平分别选择解调开关的输出为低通放大电路的输出 和反相器的输出，或为反相器的输出和低通放大电路的输出； 解调开关的输出经低通滤波器滤除交流分量，得到仅与金属电涡流有关的信号输出。2. -种基于巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测方法，用于如权利要求1所述的基于 巨磁电阻和正交偏置调制的金属探测装置，其特征在于包括以下步骤： 一、 给激励线圈施加角频率ω的交流电流； 二、 对激励线圈交流电流移相90°得到信号Ial，对激励线圈交流电流移相-90°得到信 号 Ia2; 三、 产生角频率ω〇、占空比50%的选择信号，周期选择巨磁电阻传感器偏置电流为Ial 或Ia2,即对巨磁电阻传感器偏置电流相对激励线圈电流的正交相位进行调制； 四、 对巨磁电阻传感器输出信号进行低通滤波放大； 五、 放大后的信号分为两路，一路保持不变且为U1，另一路单位增益反相且为U2; 六、 用前述角频率ω 〇、占空比50%的选择信号周期选择Ul或U2作为解调输出； 七、 对上述解调输出进行低通滤波，获得仅与金属涡流有关的输出信号。
【文档编号】G01V3/10GK105954806SQ201610247899
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】刘要辉, 王天真, 彭建学
【申请人】上海海事大学