一种金属探测传感器的制作方法

本实用新型涉及金属检测装置技术领域，具体涉及一种金属探测传感器。

背景技术：

目前，金属探测器这样的产品已经渗透到各行各业中，被广泛地用于工业和生活中。在生活方面，墙体基本上都是采用钢筋混泥土结构，在装修房屋时不可随意开槽打孔，必须知道在墙体什么位置有钢筋或者线缆。通过金属探测器测可准确探测出钢筋或者线缆在墙体中具体位置和深度，从而避免开槽打孔误伤钢筋线缆。安全方面，机场、火车站等这些对安全有特别要求的地方，使用金属探测器对过往人员进行安全检查，进行排查是否携带有违禁的管制刀具，枪支弹药等危险物品。在工业加工也可以使用金属探测对出入员工进行检测，特别是贵重金属加工厂，可以防止贵重金属丢失。

由此可见，金属探测器可以准确判断和定位金属的特性，在多个领域得到广泛使用。为了能够准确判断金属在包围物中的深度和位置，必须提高其金属探测器中传感器的灵敏度。目前国外在这方面做的较好，感应距离和灵敏度都控制很好，但是其价格较贵。国内该类金属探测器产品灵敏度和测量深度普遍偏低，无法准确判断出金属在包围物的准确情况。

基于在这样一个技术背景下，急需提高产品的可靠性，增加适用范围。为此，本申请人此前向国家知识产权局申请的公开号为CN107831547A的发明专利申请中，公开了一种金属探测器，尝试通过双补偿方法对线圈生产安装工艺、电子元器件产生的偏差进行补偿，但是，该金属探测器仍只能抵消因互感产生的固有感应电压，完成让信号进入正常范围内，且仅限于可以测量金属，但是测量的深度和灵敏度仍无法达到理想效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供了一种金属探测传感器，可显著提高金属探测传感器的测量深度与灵敏度。

本实用新型采用以下技术方案：

一种金属探测传感器，包括磁场发射单元，磁场接收单元，

磁场发射单元包括发射线圈，磁场接收单元包括接收线圈和补偿处理线圈，所述接收线圈围绕所述发射线圈从内到外依次设置第一接收线圈、第二接收线圈、第三接收线圈和第四接收线圈，所述第一接收线圈与所述第四接收线圈的绕制方向相反，所述第二接收线圈与所述第三接收线圈的绕制方向相反，所述第三接收线圈与所述第四接收线圈的绕制方向相反，所述补偿处理线圈设于所述第三接收线圈与所述第四接收线圈之间。

进一步地，所述补偿处理线圈与所述第四接收线圈的绕制方向相反。

进一步地，所述补偿处理线圈与所述第四接收线圈之间设有电子补偿开关。

进一步地，所述电子补偿开关的个数为3～5个。

进一步地，所述第一接收线圈与所述第二接收线圈的圈数为定值。

进一步地，所述发射线圈由一根漆包线绕制而成，所述接收线圈由同一根漆包线绕制而成。

进一步地，所述发射线圈和所述接收线圈设置为圆形。

进一步地，所述发射线圈与所述接收线圈位于同一平面且圆心重叠。

进一步地，还包括报警器，所述报警器与所述磁场接收单元电性连接。

进一步地，还包括控制器，所述磁场发射单元、所述磁场接收单元以及所述报警器与所述控制器电性连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过第一接收线圈和第四接收线圈对金属进行测量；通过第二接收线圈和第三接收线圈提高金属探测传感器的测量深度和灵敏度；通过补偿处理线圈、电子补偿开关对磁场不同心、发射线圈轴线偏移进行补偿处理，保证了磁场同心以及在没有探测到金属时，输出电压为0。

附图说明

图1是现有线圈补偿原理图；

图2是本申请金属探测传感器检测线圈的结构示意图；

图3是本申请金属探测传感器的电路原理图。

图中：1.壳体、2.电源、3.控制器、4.磁场发射单元、4-1.发射线圈、4-2.发射电路、5.磁场接收单元、5-1.接收线圈、5-1-1.第一接收线圈、5-1-2.第二接收线圈、5-1-3.第三接收线圈、5-1-4.第四接收线圈、5-1-5.补偿处理线圈、5-1-6.电子补偿开关、5-2.接收电路、6.报警器、10.内部容纳空间。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步描述说明。

金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。根据电磁感应原理，当有金属靠近通电线圈平面附近时，将发生两种物理现象：

一、线圈周围磁场变化

当金属物接近通电线圈时，将使通电线圈周围的磁场发生变化，对于半径为R的单匝圆形电感线圈，当其中通过交变电流I＝Imcosωt时，线圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥-萨伐尔定律可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度B为：

其中，μr为相对磁导率，μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，X为磁场中心到计算磁场强度点的距离。

当有效的磁场范围内是没有金属时，那么μr将不发生变化。如果在有效的磁场范围出现金属时，μr必然将发生变化，最后引起整个磁感应强度的变化。

二、涡流效应

根据电磁理论，当金属物体被置于变化的磁场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。据此，将一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流过线圈的电流会在周围产生交变磁场，当将金属靠近线圈时，金属产生的祸流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率σ越大，交变电流的频率越大，则祸电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。

根据以上两点的基本理论，设计出一种传感器来感应磁场的变化，并将磁场的变化转变为电信号，从而实现金属的探测。

发射线圈和接收线圈的结构中，由于互感原理的作用，接收线圈会得到一个由互感原理产生的感应电压。这个电压是固有的，即使在没有金属进入感应范围内时也有感应电压存在。而且感应电压V1远远大于需要的真实信号V2。感应电压V1为几十上百毫伏，而真实信号V2在微伏级，相差很大。真实信号V2范围在微伏级，ADC是不可能直接采样转换这么低的电压。为了让ADC能够正确转换真实信号V2，必须要放大1000倍以上。

Vadc＝(V1+V2)*1000

通过这个运算之后Vadc远远大于ADC的满量程电压。真实信号已经无法从中获取，根本无法实现金属探测。

由于V1这个电压是固有的，通过这个特性，设计一个相反方向的线圈来减弱V1电压。只剩下V2电压。理论公式为：

Vadc＝(V1+V2-V补偿)*1000

如果V1刚好等于V补偿，那么可以得到补偿后的结果：

Vadc＝V2*1000

通过这样的理论计算就可以让真实信号V2落入ADC的采样范围。

如图1所示，通过在V1相同平面增加一组接收线圈，这组线圈提供感应电压。增加的一个接收线圈V3作为补偿线圈，接收补偿线圈获得与V1相同的感应电压只是方向相反。通过这个补偿线圈施加反向的电压可以抵消V1，使Vadc在没有感应到金属时等于0。通过这样的方法，可以满足基本测量要求。但是，目前这种方法，只能抵消因互感产生的固有感应电压，完成让信号进入正常范围内。即只能限于可以测量，但是测量深度，灵敏度都还无法达到理想效果。因此，需要通过调整线圈的位置使其达到需要的测量深度和灵敏度。除此之外在生产过程中由于线圈绕制时，无法保证磁场同心，导致在没有探测到金属时，输出电压不为0，因此还需要做一个针对发射线圈的补偿处理，使最终输出的信号满足测量要求。

如图2所示，本实施例一种金属探测传感器包括磁场发射单元4，和磁场接收单元5。磁场发射单元4包括发射线圈4-1。磁场接收单元5包括接收线圈5-1和补偿处理线圈5-1-5，接收线圈5-1围绕发射线圈4-1从内到外依次设置第一接收线圈5-1-1、第二接收线圈5-1-2、第三接收线圈5-1-3和第四接收线圈5-1-4。第一接收线圈5-1-1与第四接收线圈5-1-4的绕制方向相反，第二接收线圈5-1-2与第三接收线圈5-1-3的绕制方向相反，第三接收线圈5-1-3与第四接收线圈5-1-4的绕制方向相反。其中，第四接收线圈5-1-4对进入交变磁场的金属进行感应，产生的感应电压为V1，第一接收线圈5-1-1对没有金属进入交变磁场时的第四接收线圈5-1-4进行补偿，产生的感应电压为V3，V1、V3方向相反，一个为正，一个为负，V3对V1进行补偿，理论上能够实现差压为0。通过第一接收线圈5-1-1和第四接收线圈5-1-4可以完成对金属进行的测量。为了提高金属探测传感器的测量深度和灵敏度，本申请进一步设置了第二接收线圈5-1-2与第三接收线圈5-1-3，对第四接收线圈5-1-4进一步补偿。

为了保证了磁场同心以及在没有探测到金属时，输出电压为0，磁场接收单元5还包括补偿处理线圈5-1-5、电子补偿开关5-1-6。补偿处理线圈5-1-5位于第三接收线圈5-1-3与第四接收线圈5-1-4之间。补偿处理线圈5-1-5与第四接收线圈5-1-4的绕制方向相反。

补偿处理线圈5-1-5与第四接收线圈5-1-4之间设有电子补偿开关5-1-6，电子补偿开关5-1-6的个数为3～5个，3～5个是比较合理的个数，实际情况中也可以采用其它数值。本实施例采用5个电子补偿开关5-1-6，S1、S2、S3、S4和S5，通过操作S1～S5，可实现对发射线圈的补偿处理工作，使最终输出的信号满足测量要求，获得最终实际能够使用的线圈。

第二接收线圈5-1-2产生的感应电压为V4，第三接收线圈5-1-3产生的感应电压为V5。当调节金属探测传感器的测量深度和灵敏度时，第一接收线圈5-1-1与第二接收线圈5-1-2的圈数为定值，第三接收线圈5-1-3的圈数则根据实际生产情况做调整。

发射线圈4-1由一根漆包线绕制而成，接收线圈5-1由同一根漆包线绕制而成。接收线圈5-1的形状根据发射线圈4-1的形状进行设置，本实施例发射线圈4-1和接收线圈5-1设置为圆形。发射线圈4-1与接收线圈5-1位于同一平面且圆心重叠。

如图3所示，优选地，本申请金属探测器，还包括壳体1、电源2、控制器3和报警器6。壳体1形成一个内部容纳空间10，用于把电源2、控制器3、磁场发射单元4、磁场接收单元5、报警器6容纳于内部容纳空间10，电源2用于给控制器3、磁场发射单元4、磁场接收电源5、报警器6供电。报警器6与磁场接收单元5电性连接。磁场发射单元4、磁场接收单元5以及报警器6与控制器3电性连接。所述磁场发射单元4包括发射电路4-2，所述控制器3通过所述发射电路4-2控制所述发射线圈4-1在所述金属探测器周围产生周期性变化的交变磁场。所述磁场接收单元5包括接收电路5-2，所述接收线圈5-1与所述接收电路5-2电连接。

报警器6包括声音报警器6-1或灯光报警器6-2，也可以同时设置两种报警器，本实施例优选设置两种报警器，报警器6受控制器3控制，声音报警器6-1用于发出声音向金属探测器使用操作人员发出警报，灯光报警器6-2用于发出光信号向金属探测器使用操作人员发出警报。

采用本申请金属探测器对其检测线圈进行补偿的方法，包括以下步骤：

S1.磁场发射单元4产生交流磁场；

S2.磁场接收单元5判断是否有金属介入交流磁场，若是，第四接收线圈5-1-4根据不同的金属产生不同的感应强度；

S3.报警器6根据不同的感应强度发出不同频率的报警信号；

S4.若没有金属介入交流磁场，则判断输出电压是否为零，若不为零，则打开电子补偿开关5-1-6调节补偿处理线圈5-1-5产生磁场强度的大小，使输出信号满足测量要求。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本实用新型提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本实用新型的保护范围。

本实用新型通过第一接收线圈5-1-1和第四接收线圈5-1-4对金属进行有效测量；通过第二接收线圈5-1-2和第三接收线圈5-1-3提高金属探测传感器的测量深度和灵敏度；通过补偿处理线圈5-1-5、电子补偿开关5-1-6保证了磁场同心以及没有探测到金属时的输出电压为0，市场推广性较高。