专利名称：一种金属探测器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于无损电磁检测技术领域，特别涉及一种基于AVR单片机 的大距离智能金属探测器。
背景技术：
金属探测器广泛应用于各个探测技术领域，根据基本原理和检测线路， 其可分为差拍式、自激感应式、功率吸收式和平衡式。目前通常采用平衡式， 该类金属探测器可以得到较高的灵敏度，检测精度高，还具有测量距离大的 优点。采用完全模拟电路的平衡式金属探测器由模拟电路主动产生发射信号， 比较电路发生调制方波，显示器为指针式毫伏表头。虽然，采用完全模拟电 路的金属探测器具有线路简单、功能易实现的优点，但采用模拟电路的金属 探测器存在抗干扰性差、稳定性弱、参数调整困难等诸多缺点。
国内外关于智能金属探测器的专利或专利申请，如美国专利号5786696， 名称METAL DETECTOR FOR IDENTIFYING TARGET ELECTRICAL CHARACTERISTICS : DEPTH AND SIZE (能够探测金属物体类别及深度和大小的金属探测器)，中国 专利申请号200410067572.8，名称为智能金属探测器，上述专利或专利申请 的技术方案均采用高成本的D S P芯片和单片机的数字化方案来克服采用模 拟电路金属探测器所存在的缺点。但上述两个技术方案均存在成本高、电路 复杂的缺点。发明内容本实用新型提供一种成本低、电路简单的基于AVR单片机的大距离智能 金属探湖!l器o本实用新型所采取的技术方案大距离智能金属探测器，包括单片机及 人机对话装置(1 )、发射线圈组(2 )、接收线圈(3 )、接收电路(4 )、 波型转换选频功放综合电路(5 )、开关型调制有效值低通滤波综合电路(6 )、 电流电压转换电路(7 )、参考电平保持及飘移补偿综合电路(8 )、负电源 稳压模块式整机电源电路(10);AVR单片机产生方波信号经波型转换选频功放综合电路(5 )处理后，由 发射线圈组(2)发射建立电磁场；接收线圈(3 )采集的信号经接受电路(4)调整后，由开关型调制有效 值低通滤波綜合电路(6)整理成可控的有效值电平，针对该有效值电平的 飘移情况，通过电流电压转换电路(7 )进行处理得到易识别的大电压信号； 单片机及人机对话装置(1 )可选择不同的工作模式，并根据相应的工作模 式对该大电压信号进行判断，在液晶上显示出有无金属或金属类型、大小等 判断结果；参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)为电流电压转换电路(7)提 供一指定环境下的比较电平，并对仪器温度变化等因素所产生的缓慢的信号 飘移进行补偿；负电源稳压模块式整机电源电路(10)提供整机工作电压。 所述的大距离智饞金,漏器，还包括声响电路(9)，该声响电路(9 ) 为一变频信号的功放电路，声音频率与电流电压转换电路(7)输出的电值相关联。所述的大距离智能金属探测器，发射线圈组(2)由大小不同的发射线 圈组成，两发射线圈呈非对称式分布在接收线圈(3)的内外两侧，小发射 线圈与接收线圈同心，大发射线圈与接收线圈偏心。所述的大距离智能金属探测器，选用AVR ATmega系列单片机一只，该单 片机内自带非易失程序及数据存储单元，具有在线编程能力，自带十位AD转 换模块、两路PWM功能模块及多路IO，其极为方便地与点阵式或字符型液晶、 键盘组成AVR单片机智能判定及人机对话装置(1);单片机输出三路(A，、 B，、 C，)方波信号，接收两路(D，、 E，)直流电平转换 信号，输出一路(F')声频变频信号，输出一路(G')数字电平作为开关型 调制有效值低通滤波综合电路(6)中的两路低通滤波信号的选通开关信号； 键盘输出一路(H')参考电平保持及飘移补偿综合电路(8 )所需的复位信号。所述的大距离智能金属探测器，单片机产生一路(A，) 5 200KHz的方 波由波型转换选频功放综合电路(5 )转换为正弦波，经过发射线圈组(2) 向外部发射，建立电磁场。所述的大距离智能金属探测器，波型转换选频功放综合电路(5)包括互 感器、三极管、磁芯电感、电阻Rll、电阻R12、电容Cll、电容C12，单片 机产生的一路(A')方波由该电路(5)进行选频功率放大，转换成正弦波传 送至发射天线。所述的大距离智饞金属探测器，开关型调制有效值低通滤波综合电路(6) 包括放大器A、 B、 C、 D、集成电路CD4053、电阻R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 RIO、电容C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6，交流信号由电容C1引入，
直流电平由D'电平信号端输出，单片机产生的两路(B'、 C')方波信号操 纵电子开关的通断时序，产生的通道选择信号操纵两路积分电平的合成。所述的大距离智能金属探测器，参考电平保持及飘移补偿综合电路(8) 的单放大器、电容C21、电阻R26、 R27、 R22组成积分器，双比较器LM393、 电阻R20、 R21、 R22、 R23、 R24、 R25、 二极管D1、 D2组成补偿电压翻转电路， 电阻R28、 R29、 R30、 R31、 R32、 二极管D3、 D4、 D5、电容C22、 RESET按键 开关、负电源及场效应管组成强补偿比较电平跟随开关电路。根据电磁场理论，两个发射线圈产生的交变磁场在接收线圈中分别产生 一个同频率、反相、差幅的感应电动势，两者相消即形成接收平衡。在交变 磁场中的金属由于涡流效应或磁效应将产生一个附加磁场，破坏一次场的磁 力线分布，该附加磁场又称为二次场。涡流效应与电导率相关，磁效应与磁 导率相关。目标金属所产生的二次场会使接收线圏中电流的大小和相位发生 变化。非铁磁性金属电导率较大，它包括顺磁体和抗磁体，顺磁体如钛、锰， 抗磁体如金、银，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应；铁磁 性金属导磁率很大，如铁、镍、钴，电导率也较大，可以认为是即导电又导 磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。不同类型的金属或不同大小、 形状的金属产生的二次场对一次场的影响不同。因此，可以通过对接收线圈 的信号处理来判断是否存在金属或判断金属类别及同类金属的大小。本实用新型的AVR单片机发出三路同频异相方波信号，第三路方波相位 可智能调整，三路方波分别用于发射信号及接收信号有效值的提取。本实用 新型通过对據暾^P鶬镇号进行电压有效值转换，比较有无影响二次电场的 有效值，电濂电压转換电路可取得伏/纳伏级电压转换，根据有效值的差异智
能判断县否存在垒属或判断盔属类别及同类金属的大小。本实用新型的金属探测器有地平衡、大于、等于三种工作模式。地平衡 模式平衡掉环境的二次场影响。在地平衡模式下，在无金属状态下按复位键 仪器自动记忆环境影响下的状态值。当对不同二次场检测时，通过比较初始 状态值判定是否存在金属及判断金属类别。大于、等于模式用于固定距离内 识别同类金属大小的工作。大于、等于两种模式下按复位健仪器记忆标准金 属块影响下的状态值。当对不同二次场检测时，通过比较初始状态值智能判 断同类金属的大小。本实用新型的金属探测器采用AVR单片机数字技术与模拟电路相结合， 同时采用AVR单片机完成人机对话功能，实现智能化参数调整，并提高了金 属探测器的稳定性和抗干扰性，从根本上改变了采用完全模拟电路技术方案 的缺陷；本实用新型还具有低成本、电路简单、探测距离大的优点。本实用新型的金属探测器可用于地下金属探测、地下管线探测、物理探 矿，也适用于所有需要检测金属物的行业，如食品、医药、纺织、服装、玩 具等，能将混入其中的金属颗粒检测出，确保食品、人身及工程作业的安全。
图1为基于AVR单片机的大距离智能金属探測器的系统框图。图2为波型转换选频功放综合电路。图3为开关型调制有效值低通滤波综合电路。图4为参考电平保持及飘移补偿综合电路。具体实癱方式
以下结合附图对本实用新型作详细说明。如图1所示，选用AVR ATmega系列单片机一只，单片机内自带非易失程 序及数据存储单元，具有在线编程能力，自带十位AD转换模块、两路P寵 功能模块及多路I O口，其极为方便地连接点阵式液晶或字符型液晶与输入 键盘组成AVR单片机智能判定及人机对话装置1。 AVR单片机产生A，、 B '、 C，三路同频异相方波，频率选定5 200KHz范围内的一固定值。A，路方波 经过波型转换选频功放综合电路5转换成正弦波后，由发射线圈组2发射而 建立一相对衡定的电磁场。发射线圈组2由两个大小不等的线圈组成，大小 线圈呈非对称式分布于接收线圈3的内外两侧，小发射线圈与接收线圈同心， 大发射线圈与接收线圈偏心。B'路方波为一与接收电磁波固定4 5度相移的 方波，C'路方波为一与接收电磁波相位有0至1 8 O度相位差可调的方波， B '、 C '两路方波进入开关型调制有效值低通滤波综合电路6来操纵调制开关 的通断。接收线圈3采集的电磁波信号通过接收电路4、开关型调制有效值低 通滤波综合电路6后整理成为一个可控的直流电平信号D '，直流电平信号D' 再经过I/U转换电路即电流电压转换电路7转换成为偏离于中电位的与电磁 场受金属影响所至变化相关的直流电压信号E',直流电压信号E'是一个易识 别的大电压信号。参考电平保持及飘移补偿综合电路8给电流电压转换电路7 提供一指定环境下的比较参考电平，并对探测器温度变化等因素产生的缓慢 信号飘移进行补偿。AVR单片机智能判定及人机对话装置1对D'、 E，电压值进行AD转换，根据两个数值来判定有无金属、金属类型、金属大小，或在 操作过程中对C'路方被选取相位调节值以使仪器适用于现场工作环境。AVR
单片机智能判定及人机对话装置1为用户提供一提示明确、操作简便的液晶 显示键盘操作系统，液晶显示用于显示图形、文字，从而实现智能化控制。声响电路9为一变频信号的功放电路，声音频率与电流电压转换电路7输出 的电压值相关，用于当判断出现符合条件的金属时的语音提示。负电源稳压 模块式整电源电路10处理九伏电池直流电源，提供整机五伏工作电压及复位 开关所需的负电压。如图2所示为波型转换选频功放综合电路5。 AVR单片机产生的A'路方波 由R11输入，电阻Rll、 R12、功率三极管、电容Cll、互感器及电源VDD构 成基本的三极管集电极功率放大电路，将A，路方波信号功率放大输出，电感 Cl、 C2、电容C11构成LC选频电路，选择出同频正弦波信号，电容C12及磁 心电感将功率放大后的正弦波信号输出至发射天线建立电磁场。如图3所示为开关型调制有效值低通滤波综合电路6。由电路图可知，电 容C1将经接收线圈和接收电路处理得到的交流信号耦合到两放大器A、 B。 A 为同相信号跟随，B为异相跟随。放大器A的输出进入电子开关的XO、 Y0通 道。放大器B的输出进入电子开关的X1、 Yl通道，由B'、 C'两路方波控制电 子开关的通断以获取不同大小的电平信号D'。电子开关的通道选择信号用来 控制电子开关Z0的通断，以选择探测器的工作模式。当Z0断开时，为地平 衡工作模式；当Z0导通时，为大于、等于工作模式。放大器C与电阻R3、 R5、 R6、 R7及电容C2、 C3构成一路有效值低通滤波电路，放大器D与电阻R4、 R8、 R9及电容C4、 C5、 C6构成另一路有效值低通滤波电路，两路有效值低通 滤波电路信号可以相互合成，调制前端输入信号处理得到电平信号D'。如图4所示为参考电平保持及飘移补偿综合电路8 。单放大器与电容C21 、 电阻R26、 R27、 R22组成积分器，双比较器LM393与电阻R20、 R21、 R22、 R23、 R24、 R25、 二极管D1、 D2组成补偿电压翻转电路，电阻R28、 R29、 R30、 R31、 R32、 二极管D3、 D4、 D5、电容C22、 RESET按键开关、负电源及场效应管组 成强补偿比较电平跟随开关电路。本电路的输入为电流电压转换电路7的输 出信号，该信号与本电路的输出信号相关。RESET按键开关接通，当电流电压 转换电路7的输出信号相对中电位为正时，本电路输出信号电平正向上升； 反之当电流电压转换电路7的输出信号相对中电位为负时，本电路输出信号 电平负向下降，影响电流电压转换电路7的输出信号，使电流电压转换电路7 的输出信号相对中电位下降为零电位差，此时补偿到位。RESET按键开关断开 后，比较电平得已保持。由于金属探测器周围环境因素的变化，在无金属物 的干扰下，电流电压转换电路7的输出信号也将出现微量的飘移，以双比较 器LM393为核心组成的补偿电压翻转电路对比较电平进行了微量补偿，保持 探测器的稳定性。本实用新型的金属探测器在采用大小不同天线盘的配置下，可设计出不 同探测距离的金属探测器，即系列产品。如以600咖X600鹏X6mm钢板最大 感应检测距离计，在无干扰现场环境下，可分为L50米、3.00米、4.50米、 6.00米机型。
权利要求1、 一种金属探测器，包括单片机及人机对话装置(l)、发射线圈组(2)、接收线圈(3)、接收电路(4)及整机电源电路(10)，整机电源电路(10) 提供工作电压，其特征在于单片机及人机对话装置(1)产生的方波经波型 转换选频功放电路(5)发送给发射线圈组(2)建立电磁场；接收线圈(3)接收的信号经接收电路(4)调整后，通过低通滤波电路 (6)整理成可控的有效值电平，并由电流电压转换电路(7)转换成大电压 信号，单片机及人机对话装置(1)根据该电压信号判断识别并显示；参考电平保持及飘移补偿电路(8)为电流电压转换电路(7)提供比较 电平，并对信号飘移进行补偿。
2、 根据权利要求1所述的金属探测器，其特征在于发射线圈组(2) 由两个大小不等的发射线圈构成，呈非对称式分布在接收线圈(3)的内外两 侧，小发射线圈与接收线圈同心，大发射线圈与接收线圈偏心。
3、 根据权利要求1所述的金属探测器，其特征在于设声响电路(9)为单片机及人机对话装置(1)的判断结果提供语言信息。
4、 根据权利要求1所述的金属探测器，其特征在于单片机及人机对话装置(1)输出三路(A，、 B，、 C，)方波信号，接收两路(D，、 E，)直流电平转 换信号，输出一路(F，)声频变频信号，输出一路(G')数字电平作为低通滤 波电路(6)中的两路低通滤波信号的选通开关信号；键盘输出一路(H')参 考电平保持及飘移补偿电路(8)操作所需的复位信号。
5、 根据权利要求4所述的金属探测器，其特征在于单片机及人机对话 装置(1)产生的一路(A，)方波的频率为5-200KHz，经波型转换选频功放 电路(5)转换为正弦波，然后经过发射线圈组(2)向外发射，建立电磁场。
6、 根据权利要求5所述的金属探测器，其特征在于波型转 换选频功放综合电路(5)包括互感器、三极管、磁芯电感、电阻Rll、电阻 R12、电容CU、电容C12，单片机产生的一路(A，)方波由该电路(5)进行 选频功率放大，转换成正弦波传送至发射天线。
7、 根据权利要求4所述的金属探测器，其特征在于开关型 调制有效值低通滤波综合电路(6)包括放大器A、 B、 C、 D、集成电路CD4053、 电阻Rl、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 RIO、电容Cl、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6，交流信号由电容C1引入，直流电平由D电平信号端输出，单片机产 生的两路(B，、 C')方波信号操纵电子开关的通断时序，产生的通道选择信号操纵两路积分电平的合成。
8、 根据权利要求1或4所述的金属探测器，其特征在于参 考电平保持及飘移补偿综合电路(8)的单放大器、电容C21、电阻R26、 R27、 R22组成积分器，双比较器LM393、电阻R20、 R21、 R22、 R23、 R24、 R25、 二 极管D1、 D2组成补偿电压翻转电路，电阻R28、 R29、 R30、 R31、 R32、 二极 管D3、 D4、 D5、电容C22、 RESET按键开关、负电源及场效应管组成强补偿比 较电平跟随开关电路。
专利摘要本实用新型涉及大距离智能金属探测器包括AVR单片机智能判定及人机对话系统(1)等，单片机产生方波经波型转换选频功放综合电路(5)后，由发射线圈组(2)建立电磁场；接收线圈(3)采集信号经接受电路(4)后，由开关型调制有效值低通滤波综合电路(6)整理成可控的有效值电平，通过IU转换电路(7)得到易识别的电压信号；系统(1)对该电压信号进行判断；参考电平保持及飘移补偿综合电路(8)为IU转换电路(7)提供比较电平，并对信号漂移进行补偿；负电源稳压模块式整机电源电路(10)提供工作电压。本实用新型的金属探测器实现智能化参数调整，并提高了稳定性和抗干扰性；还具有低成本、电路简单、探测距离大的优点。
文档编号G01V3/10GK201037870SQ20072010746
公开日2008年3月19日 申请日期2007年3月26日 优先权日2007年3月26日
发明者向荣忠, 孟宪峰, 晶 赵 申请人:晶 赵