CN108398724A - 波形探测电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种波形探测电路，包括：中央处理器、信号发生器、励磁线圈、感应线圈组、第一滤波器、第一放大电路和模数转换器；中央处理器与信号发生器相连；中央处理器根据用户输入的启动指令向信号发生器发送启动信号；信号发生器根据启动信号生成交变电流；感应线圈组容置于励磁线圈内，并与第一滤波器电连接；感应线圈组根据变化后的探测磁场生成第一探测数据；第一滤波器对第一探测数据进行滤波处理，得到第二探测数据；第一放大电路对第二探测数据进行信号放大处理，得到第三探测数据；模数转换器对第三探测数据进行模数转换处理，得到第四探测数据；中央处理器解析第四探测数据，根据解析结果生成提示信息，并显示。

Description

波形探测电路

技术领域

本发明涉及金属探测技术领域，尤其涉及一种波形探测电路。

背景技术

随着社会的发展，安全问题越来越受到人们的关注。不论是机场、车站、地铁、出入境、法院、监狱、戒毒所、看守所、医院、学校、大型演绎场馆、重要国际会议、国际会展等，对访客的安检都是必不可少的。所谓安检，就是通过某些技术手段和设施来检查旅客或观众是否携带有枪支、刀具、弹药和易燃易爆危险品等，从而拦截住可能的安全隐患，预防暴力犯罪或事故的发生。

现有的安检电路一般是通过手持式探测器，对访客进行逐一排查，安检效率低。另一种方式，是通过闸门或者安检门，对人携带的金属物品进行检测报警。但是，现有的闸门或者安检门中的电路，灵敏度不高，性能也不够稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种波形探测电路，根据电磁感应原理探测金属物体，并通过设置滤波器和放大电路的方式对所采集到的模拟信号进行滤波、放大、整形和模数转换，得到数字信号，并对数字信号进行进一步的筛选、判断和分析，最终准确判定被探测物是否为金属物体以及被探测物为何种金属物体，且本发明实施例提供的波形探测电路的敏度高，性能稳定。

为实现上述目的，本发明提供了一种波形探测电路，包括：中央处理器、信号发生器、励磁线圈、感应线圈组、第一滤波器、第一放大电路和模数转换器；

所述中央处理器与所述信号发生器相连；所述中央处理器根据用户输入的启动指令向所述信号发生器发送启动信号；

所述信号发生器与所述感应线圈电相连；所述信号发生器根据所述启动信号生成交变电流，并将所述交变电流发送至所述励磁线圈，使得所述励磁线圈根据所述交变电流产生探测磁场；

所述感应线圈组容置于所述励磁线圈内，并与所述第一滤波器电连接；

当金属物体通过所述探测磁场时，所述探测磁场发生变化；所述感应线圈组根据变化后的探测磁场生成第一探测数据，并将所述第一探测数据发送至第一滤波器；

所述第一滤波器与所述第一放大电路相连；所述第一滤波器对所述第一探测数据进行滤波处理，得到第二探测数据，并将所述第二探测数据发送至第一放大电路；

所述第一放大电路与所述模数转换器相连；所述第一放大电路对所述第二探测数据进行信号放大处理，得到第三探测数据，并将所述第三探测数据发送至模数转换器；

所述模数转换器与所述中央处理器相连；所述模数转换器对所述第三探测数据进行模数转换处理，得到第四探测数据，并将所述第四探测数据发送至中央处理器；

所述中央处理器解析所述第四探测数据，根据解析结果生成提示信息，并显示。

优选的，所述电路还包括第二放大电路；所述第二放大电路分别与所述信号发生器和所述励磁线圈相连；

所述第二放大电路接收所述信号发生器发送的所述交变电流，对多数交变电流进行放大，并将放大后的交变电流发送至所述励磁线圈，使得所述励磁线圈根据所述放大后的交变电流产生探测磁场。

优选的，所述电路还包括第二滤波器；所述第二滤波器分别与所述模数转换器和所述中央处理器相连；

所述模数转换器将所述第四探测数据发送至第二滤波器；

所述第二滤波器对统计时间内的第四探测数据进行采样，得到多个第四探测数据；

对所述多个第四探测数据组进行平均值计算，得第四探测数据的平均波值，并将所述第四探测数据的平均波值发送至所述中央处理器。

优选的，所述中央处理器具体用于：

对比所述第四探测数据的平均波值与预设阈值范围，根据对比结果生成提示信息，并显示。

进一步优选的，所述第四探测数据的平均波值包括波形相位角数据和波形幅度数据。

进一步优选的，所述电路还包括第一红外传感器和第二红外传感器；

所述第二过滤器根据所述金属物体依次通过所述第一红外传感器和所述第二红外传感器的时间得到所述统计时间。

优选的，所述第一放大电路和所述第二放大电路为多级差分放大电路。

本发明提供的一种波形探测电路，根据电磁感应原理探测金属物体，并通过设置滤波器和放大电路的方式对所采集到的模拟信号进行滤波、放大、整形和模数转换，得到数字信号，并对数字信号进行进一步的筛选、判断和分析，最终准确判定被探测物是否为金属物体以及被探测物为何种金属物体，且本发明实施例提供的波形探测电路的敏度高，性能稳定。

附图说明

图1为本发明实施例提供的波形探测电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的波形探测电路中信号放大电路图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例提供的波形探测电路的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的波形探测电路包括：中央处理器1、信号发生器2、第二放大电路3、励磁线圈4、感应线圈组5、第一滤波器6、第一放大电路7、第二滤波器8和模数转换器9。

其中，中央处理器1可以理解为波形探测电路的控制单元和处理单元，负责整个电路的执行，例如单片机。中央处理器1与信号发生器2相连。中央处理器1根据用户输入的启动指令向信号发生器2发送启动信号，使得信号发生器2根据启动信号产生交变电流。

信号发生器2的产生的交变电流需要通过第二放大电路3放大电流强度。第二放大电路3的首要功能是尽可能提高信噪比，使得放大后的交变电流可以产生稳定的探测磁场。

在一个具体的例子中，第二放大电路3采用AD620仪表放大器。由AD620构成的信号放大电路如图2所示，信号放大电路包括信号输入端1、电线接地端2、电阻支路端3和信号输出端4，交变电流由信号输入端1输入，经放大后再由信号输出端4输出。信号输入端1的三极管提供简单的差分双极输入,通过输入级内部运放的反馈,保持输入三极管的集电极电流恒定,并使输入电压加到外部增益控制电阻R上。因AD620设计体积小,功耗非常低,因而适用于低电压、低功耗的应用场合。

第二放大电路3与励磁线圈4相连，第二放大电路3向励磁线圈4输出放大后的交变电流，根据电磁感应原理，使得励磁线圈根据放大后的交变电流产生探测磁场。这一过程可以理解为电生磁的过程。

感应线圈组5设置于励磁线圈4的内部，当金属物体通过探测磁场时，探测磁场发生变化，感应线圈组5通过磁耦合的方式感受探测磁场中正弦波的变化，并根据变化后的探测磁场生成第一探测数据。第一探测数据可以理解为电压和/或电流模拟信号。这一过程可以理解为磁生电的过程。

具体的，感应线圈组5包括第一感应线圈和第二感应线圈。第一感应线圈与第二感应线圈反向串联，使得第一感应线圈所产生的第一电动势与第二感应线圈所产生的第二电动势大小相等且方向相反。

理想情况下，由于第一感应线圈与第二感应线圈的电动势大小相同，但相位相反，所以感应线圈组5输出的电压可看作趋近于零。当有电子产品通过励磁线圈4时，探测磁场发生变化，导致第一感应线圈与第二感应线圈的电动势不再平衡，从而有电压输出，生成第一探测数据。

由于波形探测电路是利用电磁场工作的，而电磁场的干扰项非常复杂，干扰可能来自于电路周边环境，也可能来自于电路本身的，所以进行滤波是必然的。因此，感应线圈组5需要将第一探测数据发送至第一滤波器6，第一滤波器6对第一探测数据进行滤波处理后，得到第二探测数据。

由于经过一次滤波处理后，第二探测数据中所携带的信号信息会相对减小，所以在经过一次滤波处理后，需要再次进行一次信号放大处理。因此，第一滤波器6需要将第二探测数据发送至第一放大电路7，第一放大电路7对第二探测数据进行多级差分放大处理，在放大信号的同时，进一步减小信号噪声。第一放大电路7对第二探测数据进行滤波处理后，得到第三探测数据得到第三探测数据。此时，第三探测数据仍为电压和/或电流模拟信号。

由于电压和/或电流信号数据不能直接被计算机处理，因此在对第三探测数据进行处理前，需要将第三探测数据转化为数字信号。因此，第一放大电路7需要将第三探测数据发送至模数转换器8。模数转换器8对第三探测数据进行模数转换处理，得到第四探测数据。第四探测数据可以理解为可被计算机读取、处理的数字信号。

模数转换器8的转换精度和转换速度决定电路所能达到的精度和速度，虽然交变电流信号是直流缓变信号，但模数转换器8需要有足够的转换精度。因此，模数转换器8选用的转换芯片需为多量程、两通道、12位高精度的转换芯片。其中，两通道用于收集感应线圈组5中同水平位置的第一感应线圈和第二感应线圈的信号。

第三探测数据经过模数转换后，进入数字信号处理环节，这里仍然进行一次滤波处理。需要说明的是，第一滤波器6所进行的滤波处理为模拟信号的滤波处理，而第二滤波器9所进行的滤波处理为数字信号的滤波处理。

具体的，模数转换器8将第四探测数据发送至第二滤波器9，第二滤波器9首先对统计时间内的第四探测数据进行采样，得到多个第四探测数据。然后，第二滤波器9对多个第四探测数据组进行平均值计算，得第四探测数据的平均波值。第四探测数据的平均波值包括波形相位角数据和波形幅度数据。这一过程可以理解为第二过滤器9进行多次采样并计算平均滤波，然后根据正玄波处理，提取其幅度值和相位角的过程。

其中，波形相位角数据可以理解为某一交流电压随时间(或空间位置)作正弦或余弦变化时，决定交流电压量在任一时刻(或位置)状态的一个数值，可以根据公式U＝Umsin(ωt+Φu)得到。U表示交流电压的有效值，Um表示该交流电压的最大值，ω为交流电的角频率，t为时间，Φu是该交流电压的初相位，(ωt+Φu)则为相位角。

优选的，本发明实施例提供的波形探测电路还包括第一红外传感器11和第二红外传感器12。第一红外传感器11和第二红外传感器12用于确定金属物体通过感应线圈组的时间，也就是第二滤波器9对第四探测数据进行采样的采样统计时间。当金属物体通过第一红外传感器11时，开始计时，当金属物体通过第二红外传感器12时，计时结束。计时所得到的时间即为统计时间。

进一步优选的，第二滤波器9选用FIR滤波器(Finite Impulse Response)。

在得到波形相位角数据和波形幅度数据后，第二过滤器9将波形相位角数据和波形幅度数据发送至中央处理器1，中央处理器1综合对比波形相位角数据和波形幅度数据与预设阈值范围，根据对比结果确定通过感应线圈组的物体是否为金属物体，以及金属物体为何种金属物。

具体的，预设阈值范围包括预设的相位角参数和预设的波形幅度阈值。中央处理器1确定波形幅度数据是否超出预设的波形幅度阈值，且确定波形相位角数据是否在预设的相位角参数范围内。预设的相位角参数包括0°、45°、90°、120°和180°。

如果波形幅度数据超出预设的波形幅度阈值，且波形相位角小于0°，则说明当前通过感应线圈组的物体为手机；

如果波形幅度数据超出预设的波形幅度阈值，且波形相位角大于等于0°且小于45°，则说明当前通过感应线圈组的物体为类似于马口铁罐状的金属物体；

如果波形幅度数据超出预设的波形幅度阈值，且波形相位角大于等于45°且小于90°，则说明当前通过感应线圈组的物体为类似于铝制罐体状的金属物体；

如果波形幅度数据超出预设的波形幅度阈值，且波形相位角大于等于90°且小于120°，则说明当前通过感应线圈组的物体为类似于铜制罐体状的金属物体；

如果波形幅度数据超出预设的波形幅度阈值，且波形相位角大于等于120°且小于180°，则说明当前通过感应线圈组的物体为类似于刀枪状的金属物体。

在一个示例中，提示信息可以为声音放大电路输出的声音信息，当中央处理器检测到金属物品时，向声音放大电路发送报警信号，声音放大电路输出报警声音。

在另一个示例中，提示信息可以为发光二极管输出的光信息，当中央处理器检测到金属物品时，向发光二极管发送报警信号，发光二极管进行闪烁以报警。

在再一个示例中，提示信息可以为显示屏输出的显示图像信息，当中央处理器检测到金属物品时，向显示屏发送报警信号，显示屏对报警的物品进行显示，比如刀、手机等。该显示屏可以是液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)。

在再一个示例中，提示信息可以是上述三种情况的任意组合，以实现报警方式的多样化。

优选的，预设的相位角参数和预设的波形幅度阈值可以是控制单元根据用户输入的启动指令解析得到的。例如，当用户只需检测待检测物是否为刀具时，向中央处理器输入“检测刀具”的启动指令，则控制单元根据该指令解析得到只针对与“刀具”的预设的相位角参数和预设的波形幅度阈值。

或者，预设的相位角参数和预设的波形幅度阈值还可以是根据对不同的金属制品多次通过安检装置的实验得到的数据，并预存在控制单元本地的。

中央处理器1可以根据用户需要设定检测到何种金属物时生成何种提示信息。例如，在一些赛事的安检场景中，观赛者可以携带手机入场但不能携带其他金属物品入场，则当中央处理器1确定金属物体为手机时，不生成报警信息。而在一些车站的安检场景中，参会者不可以携带刀具等物品进入车站，但可以携带例如易拉罐类的物品，则当中央处理器1确定金属物体为刀具时生成高级别报警提示信息，用于提示用户当前有刀具通过安检装置，必须进行进一步检查。而当中央处理器1确定金属物体为铝制罐体状物体时生成低级别报警提示信息，用于提示用户当前有铝制罐体状通过安检装置，可以有条件的进行检查。

优选的，励磁线圈4和感应线圈5组可对应设置为左右两套，分别用于探测人体左边区域和右边区域。其中，右套励磁线圈和感应线圈组负责探整个探测区域2/3的空间，左套励磁线圈和感应线圈组负责探整个探测区域1/3的空间。

并且，左右两套感应线圈组5均设置有五组感应线圈组5，这五组感应线圈组5的在励磁线圈4中的位置、尺寸和排布方式均与人体的探测位置相对应，分别用于探测人体头部、胸部、腰部、大腿部和小腿部的区域。每组感应线圈组所生成探测数据均包括感应线圈的位置信息。在中央处理器1解析探测数据时，还可以得到感应线圈位置信息。最后，中央处理器可1以根据感应线圈的位置信息确定当前通过感应线圈组的物体被携带与人体的哪个位置，并在提示信息中显示给用户。

本发明实施例提供的一种波形探测电路，本发明提供的一种波形探测电路，根据电磁感应原理探测金属物体，并通过设置滤波器和放大电路的方式对所采集到的模拟信号进行滤波、放大、整形和模数转换，得到数字信号，并对数字信号进行进一步的筛选、判断和分析，最终准确判定被探测物是否为金属物体以及被探测物为何种金属物体，且本发明实施例提供的波形探测电路的敏度高，性能稳定。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种波形探测电路，其特征在于，所述波形探测电路包括：中央处理器、信号发生器、励磁线圈、感应线圈组、第一滤波器、第一放大电路和模数转换器；

所述中央处理器与所述信号发生器相连；所述中央处理器根据用户输入的启动指令向所述信号发生器发送启动信号；

所述信号发生器与所述感应线圈电相连；所述信号发生器根据所述启动信号生成交变电流，并将所述交变电流发送至所述励磁线圈，使得所述励磁线圈根据所述交变电流产生探测磁场；

所述感应线圈组容置于所述励磁线圈内，并与所述第一滤波器电连接；

当金属物体通过所述探测磁场时，所述探测磁场发生变化；所述感应线圈组根据变化后的探测磁场生成第一探测数据，并将所述第一探测数据发送至第一滤波器；

所述第一滤波器与所述第一放大电路相连；所述第一滤波器对所述第一探测数据进行滤波处理，得到第二探测数据，并将所述第二探测数据发送至第一放大电路；

所述第一放大电路与所述模数转换器相连；所述第一放大电路对所述第二探测数据进行信号放大处理，得到第三探测数据，并将所述第三探测数据发送至模数转换器；

所述模数转换器与所述中央处理器相连；所述模数转换器对所述第三探测数据进行模数转换处理，得到第四探测数据，并将所述第四探测数据发送至中央处理器；

所述中央处理器解析所述第四探测数据，根据解析结果生成提示信息，并显示。

2.根据权利要求1所述的波形探测电路，其特征在于，所述电路还包括第二放大电路；所述第二放大电路分别与所述信号发生器和所述励磁线圈相连；

所述第二放大电路接收所述信号发生器发送的所述交变电流，对多数交变电流进行放大，并将放大后的交变电流发送至所述励磁线圈，使得所述励磁线圈根据所述放大后的交变电流产生探测磁场。

3.根据权利要求1所述的波形探测电路，其特征在于，所述电路还包括第二滤波器；所述第二滤波器分别与所述模数转换器和所述中央处理器相连；

所述模数转换器将所述第四探测数据发送至第二滤波器；

所述第二滤波器对统计时间内的第四探测数据进行采样，得到多个第四探测数据；

对所述多个第四探测数据组进行平均值计算，得第四探测数据的平均波值，并将所述第四探测数据的平均波值发送至所述中央处理器。

4.根据权利要求1所述的波形探测电路，其特征在于，所述中央处理器具体用于：

对比所述第四探测数据的平均波值与预设阈值范围，根据对比结果生成提示信息，并显示。

5.根据权利要求4所述的波形探测电路，其特征在于，所述第四探测数据的平均波值包括波形相位角数据和波形幅度数据。

6.根据权利要求4所述的波形探测电路，其特征在于，所述电路还包括第一红外传感器和第二红外传感器；

所述第二过滤器根据所述金属物体依次通过所述第一红外传感器和所述第二红外传感器的时间得到所述统计时间。

7.根据权利要求1或2所述的波形探测电路，其特征在于，所述第一放大电路和所述第二放大电路为多级差分放大电路。