CN111273359B - 高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构及其探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构及其探测器，包括：发射线圈、补偿线圈和一对接收梯度线圈，补偿线圈位于发射线圈内，接收梯度线圈位于补偿线圈内，且三者在同一平面内，且两两电磁耦合连接；发射线圈用于产生交变或者脉冲磁场，从而在金属内部形成涡流；补偿线圈用于产生一个与励磁信号同频反相的磁场，最大程度抑制发射线圈对接收梯度线圈的电磁干扰；接收梯度线圈是一对与发射线圈在同一平面内的平面差分接收线圈，用于抑制背景环境噪声及附加的发射信号经由互感的电磁干扰等信号。本发明可以有效的抑制背景环境噪声，以及发射线圈对接收梯度线圈的互感干扰，从而提升检测金属物体的灵敏度，并提升金属探测的距离。

Description

高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构及其探测器

技术领域

本发明涉及金属探测技术领域，更具体的说是涉及一种具有高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构及其探测器。

背景技术

基于脉冲涡流技术的金属收发探测器是利用信号发射装置激励被测物体内产生涡流，磁传感器检测被测物体内的涡流产生的二次衰减磁场，并通过理论计算反演就可以得到被测物体的电磁属性，从而判断出探测金属的种类、尺寸和埋藏深度等信息。因此，高灵敏度、高信噪比、高空间分辨率是金属收发探测器的发展趋势。

基于电磁感应原理的金属收发探测器，一般采用的激励信号为单频正弦信号，随着深入研究，发现用正弦波信号及其无数的奇数倍频信号叠加而成的脉冲合成波信号作为激励信号进行金属探测时，会得到更多的金属物体信息，具有更高的针对不同探测物体的分辨能力，因此逐渐采用脉冲涡流检测技术。

一般来说，金属收发探测器由以下几个部分组成：发射线圈，接收线圈，滤波电路，有些大型探矿探测器还包含工控机，用于方便绘制某些区域的地下矿藏分布。当发射线圈产生的交变磁场在被测导体表面产生涡流，探测线圈感应到导体表面的涡流产生的交变磁场时，就会触发报警电路，从而检测到金属的存在。

由于目前金属收发探测器在结构设计上通常采用接收线圈与发射线圈同轴放置，接收线圈与发射线圈的距离远远小于它与探测物体的距离，因此接收线圈受到来自发射线圈的干扰就会非常大，使得金属收发探测器无法准确识别微弱的目标二次衰减信号，除此之外，复杂的背景环境噪声也会干扰金属收发探测器对目标的有效识别。

因此，如何提供一种具有高信噪比的新型金属收发探测器，抑制内部互感等噪声和其他背景电磁场的干扰，实现远距离金属探测是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构及其探测器，可以显著提升电磁兼容性及抑制背景噪声，在空载情况下，探测器接收线圈可以实现微伏级电压信号输出，提高信噪比40dB以上。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构，包括：发射线圈、补偿线圈和一对接收梯度线圈，所述补偿线圈位于所述发射线圈内，所述接收梯度线圈位于所述补偿线圈内，且所述发射线圈、所述接收梯度线圈与所述发射线圈位于同一平面内，所述发射线圈、所述补偿线圈和所述接收梯度线圈两两电磁耦合连接。

进一步，一对所述接收梯度线圈串联反向连接。

进一步，所述发射线圈内部任意位置的磁感应强度为：

其中，M表示发射线圈的磁矩，R₁表示发射线圈的等效半径，r表示发射线圈平面内任意点到中心的距离，μ₀为真空磁导率，N₁为发射线圈的匝数，I₁为发射线圈内部的电流，S₁为发射线圈的表面积。

进一步，所述接收梯度线圈输出电压为：

其中，V_1m和V_2m分别是发射线圈和补偿线圈在接收梯度线圈中产生的感应电压，R₂为补偿线圈的半径，N₂为补偿线圈的匝数，I₂为补偿线圈内部的电流，S₂为补偿线圈的表面积，r_m为一对接收梯度线圈的等效半径，r_m＝2R₃,N_m＝N₃，R₃为一个接收线圈的半径，N₃为一个接收线圈的匝数，N_m为接收梯度线圈的匝数，且N_m远大于N₁，ω表示电磁场的角频率。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构及其探测器，其中，发射线圈用于产生交变或者脉冲磁场，从而在金属内部形成涡流；补偿线圈用于产生一个与励磁信号同频反相(有固定相位差)的磁场，最大程度抑制发射线圈对接收梯度线圈的电磁干扰；接收梯度线圈是一对与发射线圈在同一平面内的平面差分接收线圈，用于抑制背景环境噪声及附加的发射信号经由互感的电磁干扰等信号，本发明可以有效的抑制背景环境噪声，以及发射线圈对接收梯度线圈的互感干扰，从而提升检测金属物体的灵敏度，并提升金属探测的距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构实施例一结构示意图。

图2附图为本发明提供的高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构实施例一结构等效图。

图3附图为本发明高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构实施例二结构示意图。

图4附图为本发明检测原理框图。

图5附图为有无补偿线圈的输出电压对比图。

图6附图为利用本发明高信噪比差分式金属收发探测器不同电压对铜板的探测距离实验图。

图7附图为传统的差分式金属收发探测器不同电压对铜板的探测距离实验图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例一公开了一种高信噪比差分式金属收发探测器的圆形线圈结构，包括发射线圈1、补偿线圈2和一对接收梯度线圈3，补偿线圈2位于发射线圈1内，接收梯度线圈3位于补偿线圈2内，且补偿线圈2、接收梯度线圈3与发射线圈1在同一平面内，发射线圈1、补偿线圈2和接收梯度线圈3两两电磁耦合连接，一对接收梯度线圈3包括两个接收线圈，两个接收线圈串联反接。

其中，发射线圈内部任意位置的磁感应强度在此只考虑轴向分量Bz，如公式(1)所示：

其中，M表示发射线圈的磁矩，R₁表示发射线圈的等效半径，r表示发射线圈平面内任意点到中心的距离，μ₀为真空磁导率，N₁为发射线圈的匝数，I₁为发射线圈内部的电流，S₁为发射线圈的表面积。

详细计算每个接收线圈的感应电压是一个非常复杂的问题，因此简化金属收发探测器的接收梯度线圈结构，假设接收梯度线圈是一个半径为r_m、匝数为N_m的等效感应线圈，如图2所示。

由式(1)可知，接收梯度线圈的输出电压公式如下：

加入补偿线圈后，接收梯度线圈输出电压为：

其中，V_1m和V_2m分别是发射线圈和补偿线圈在接收梯度线圈中产生的感应电压，R₂为补偿线圈的半径，N₂为补偿线圈的匝数，I₂为补偿线圈内部的电流，S₂为补偿线圈的表面积，r_m为一对接收梯度线圈的等效半径，r_m＝2R₃,N_m＝N₃，R₃为一个接收线圈的半径，N₃为一个接收线圈的匝数，N_m为一对接收梯度线圈的匝数，且N_m远大于N₁，，ω表示电磁场的角频率。即频率f的2π倍。

假设R₁:R₂：r_m＝4:1.5:1，公式(3)变成公式(4)

没有金属时，理想的金属收发探测器的输出电压应该为零。由公式(4)可以看出，主要影响输出电压的是发射线圈和补偿线圈的匝数N和电流I。令N₁:N₂＝1:2，可得发射线圈的电流为补偿线圈的3倍，这样补偿线圈的电流就可以较小，最终接收梯度线圈就可以清楚的感应到被测金属微弱的有用信号。由于金属收发探测器属于主动磁探，探测频率可以根据实验环境自行设置，接收信号可以利用具有锁相放大功能的电路板锁定频率接收并放大接收信号。

实施例二：本发明不局限于线圈形状，本实施例公开了一种矩形式金属收发探测器线圈结构，如图3所示，探测原理与实施例一相同。

上面详细介绍了用于金属收发探测器的线圈结构，将此线圈结构安装在传统探测器主体结构内，并对应配置好主机等，就构成本发明高信噪比差分式金属收发探测器。

本发明探测器检测原理为：在脉冲涡流金属检测过程中，信号发射端输入重复的固定脉冲信号到发射线圈，发射线圈周围产生交变磁场(一次磁场)，交变脉冲磁场在水下/地下环境被测物体感生出涡旋电流，继而产生一个衰减的反向二次磁场，另外，信号发射源产生的另一个频率相同、相位相反的脉冲信号会传输到补偿线圈，使其产生反相交变磁场，接收线圈接收到的是发射线圈和补偿线圈产生的两个磁场分别诱发的涡流场，即衰减之后的二次场在接收线圈中相互抵消后的磁场。当发射线圈附近有金属时，二次衰减场会发生显著变化，接收梯度线圈通过接收场的信号改变实现对金属进行检测，即接入锁相放大器滤波后的接收线圈的感应电动势会发生变化。另外，接收线圈采用梯度结构即串联反接，可以有效的抑制掉背景环境噪声的干扰，以提高信噪比，本发明原理框图如图4所示。

为了验证本发明的效果，通过实验对进行了空载测试。在进行数据采集的过程中，考虑到周围存在复杂的背景噪声，并且发射信号的频率是一个固定频率，因此采用锁相放大器进行锁频输出，频率600Hz时的测试结果如图5所示。

由图5可以看出，加入补偿线圈的输出电压范围为1mV-20mV，因此，本发明金属收发探测器线圈结构相对于传统的差分式金属收发探测器，对噪声信号的抑制效果提升约40dB。

金属远距离探测和抑制干扰信号是同样重要的工作，通过实验对比了两种金属收发探测器在电压为5Vpp、10Vpp和20Vpp的远距离金属测试实验，测试结果如图6和图7所示。

当信号源为本发明金属收发探测器提供5Vpp、10Vpp和20Vpp的脉冲信号时，它所能感应到的最大距离分别为1.3m、1.4m和1.9m。当信号源为传统的差分式金属收发探测器提供5Vpp、10Vpp和20Vpp的脉冲信号时，它所能感应到的最大距离分别为0.5m、0.6m和0.8m，因此，本发明金属探测器所能探测的金属距离远远大于传统型差分金属探测器。

本发明具备高信噪比，可以抑制环境噪声及收发线圈之间的互感，提升地下或水下隐藏金属的探测精度，可应用在考古，地下管道检测，地下矿藏探测等领域。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构，其特征在于，包括：发射线圈(1)、补偿线圈(2)和一对接收梯度线圈(3)，所述补偿线圈(2)位于所述发射线圈(1)内，所述接收梯度线圈(3)位于所述补偿线圈(2)内，且所述发射线圈(1)、所述补偿线圈(2)和所述接收梯度线圈(3)位于同一平面内，所述发射线圈(1)、所述补偿线圈(2)和所述接收梯度线圈(3)两两电磁耦合连接。

2.根据权利要求1所述的高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构，其特征在于，一对所述接收梯度线圈(3)串联反向连接。

3.根据权利要求1或2任一所述的高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构，其特征在于，所述发射线圈(1)内部任意位置的磁感应强度为：

其中，M表示发射线圈的磁矩，R₁表示发射线圈的等效半径，r表示发射线圈平面内任意点到中心的距离，μ₀为真空磁导率，N₁为发射线圈的匝数，I₁为发射线圈内部的电流，S₁为发射线圈的表面积。

4.根据权利要求3所述的高信噪比差分式金属收发探测器的线圈结构，其特征在于，所述接收梯度线圈(3)输出电压为：

其中，V_1m和V_2m分别是发射线圈和补偿线圈在接收梯度线圈中产生的感应电压，R₂为补偿线圈的半径，N₂为补偿线圈的匝数，I₂为补偿线圈内部的电流，S₂为补偿线圈的表面积，r_m为一对接收梯度线圈的等效半径，r_m＝2R₃,N_m＝N₃，R₃为一个接收线圈的半径，N₃为一个接收线圈的匝数，N_m为接收梯度线圈的匝数，且N_m远大于N₁，ω表示电磁场的角频率。

5.高信噪比差分式金属收发探测器，其特征在于，包括权利要求1～4任意一项所述的差分式金属收发探测器的线圈结构。

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