CN201035156Y

CN201035156Y - 金属探测器及其传感器

Info

Publication number: CN201035156Y
Application number: CNU2007200688534U
Authority: CN
Inventors: 戴明远
Original assignee: SHANGHAI KAIGE ELECTRONICS CO
Current assignee: SHANGHAI KAIGE ELECTRONICS CO
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2017-04-10

Abstract

本实用新型提供了一种用于金属探测器的传感器，它包括由以相互包围的关系布置的第一、第二、第三电感线圈及电容构成。第一电感线圈是用漆包线绕的线圈并与电容组成一谐振选频电路。此外，第一电感线圈固定于印刷电路板上。第三电感线圈是直接刻制于印刷电路板上的线圈并位于最外圈。此外，第二电感线圈也是用漆包线绕的线圈，并可在与印刷电路板的平面垂直的方向上移动。此外，还提供了一种使用上述传感器的金属探测器。本实用新型能提高测量的灵敏度并能有效地分辨磁性和非磁性材料。

Description

金属探测器及其传感器

技术领域

本实用新型涉及一种金属探测器及其传感器，尤其涉及一种用于探测墙体内掩埋的金属被测物(如铜管、铁管)的探测器，及该探测器中的传感器。

背景技术

图1和图2a-c示出了现有的用于探测墙体内掩埋的金属物体的探测器。

图1是一种现有技术的金属探测器的示意图。该传感器为一绕有线圈的磁棒，激励电路在微处理器的控制下发出激励脉冲，激励脉冲通过电感L1、L2的耦合在L2、C中形成衰减振荡器。如果有金属物体靠近，则由于涡流损耗，振荡器会衰减得更快些，测量电路会有相应的信号输入微处理器。微处理器计算出金属物体离传感器的距离，通过显示器以发光二极管指示的形式显示出来。该方案结构简单、成本低，但测铜管灵敏度低。

图2a是另一现有技术的金属探测器的传感器的剖视图，图2b是其俯视图。图2c是该金属探测器的结构框图。如图所示，该传感器共有3组线圈，L2、L3为刻制在印制板上的线圈(作为副边)，L1为用漆包线绕的线圈(作为原边)。在微处理器控制下，激励电路向传感器发出激励方波，并在L1、C中形成正弦波，由于L1和L2、L3有电磁耦合关系，于是在L2、L3中形成两个大小相等、相位相反的信号。平衡控制电路通过改变线圈L3中部分线段的连接关系，以使这两个信号能充分抵消。当有金属物体靠近时，L2、L3的信号不能再完全抵消(不为零)，测量电路测到该信号，由微处理器计算其对应的距离参数，并在显示器上以液晶条形式显示出来。该方案测铁，测铜灵敏度高，但平衡控制复杂，铜、铁区别误报率太高。

发明内容

本实用新型的一个目的是提供一种显著提高测量精度和灵敏度的金属探测器。

本实用新型的另一目的是提供一种能清楚地区分诸如铜、铁等金属的金属探测器。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于金属探测器的传感器，它由以相互包围的关系布置的第一、第二、第三电感线圈及电容构成。第一电感线圈是用漆包线绕的线圈并与电容组成一谐振选频电路，且该第一电感线圈固定于印刷电路板上。第三电感线圈是直接刻制于印刷电路板上的线圈并位于最外圈。此外，第二电感线圈也是用漆包线绕的线圈，并可在与印刷电路板的平面垂直的方向上移动。通过该第二电感线圈的轴向移动可显著提升测量精度。此外，第二、第一和第三电感线圈按此顺序由内向外地同心布置。

根据本发明的另一方面，还提供了一种金属探测器，它包括上述传感器，向传感器施加激励信号的激励源，接收传感器的输出信号的滤波和放大电路，接收滤波和放大电路的输出信号的数模转换器，接收滤波和放大电路的输出信号的相位检测器，接收数模转换模块、相位检测模块和激励源的输出信号的微处理器控制单元，该微处理器控制单元根据来自激励源的信号和来自传感器的差分输出信号之间的相位关系来区分非磁性材料和磁性材料，并根据来自传感器的差分输出信号的幅值计算被测金属物体的距离远近，以及接收微处理器控制单元的输出信号的显示器。其中，滤波和放大电路包括运算放大器。

本实用新型的测量方法可以用来定位存在于其他物体里面，不可见的金属物体。例如，墙体或者地板里面的铜管或者铁管。可以做成手持的、便携式探测器等等。

综上所述，本实用新型的特点是：第一，差分变压器的一组线圈直接在印刷板上刻制的而成，线圈直径大，以提高检测灵敏度。第二，使用两组绕线式线圈，且两者轴向位置可调，以方便调节差分变压器零点输出电压。第三，采用比较驱动信号与被测信号之间相位关系的方法判别被测金属是铜质(非磁性材料)还是铁质(磁性材料)，判断正确，其误判率几为零。

应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1是一种现有技术的金属探测器的示意图。

图2a是另一现有技术的金属探测器的传感器的剖视图。

图2b是图2a所示传感器的俯视图。

图2c是上述另一现有技术的金属探测器的结构框图。

图3示出了本实用新型的金属探测器中的传感器。

图4是本实用新型的金属探测器的结构框图。

图5是本实用新型的金属探测器的基本步骤的流程图。

具体实施方式

对于本实用新型的金属探测器，由微处理器产生的激励源信号经过高精度的电容和电感器件滤波处理之后，产生电磁场。本实用新型用这个电磁场来判断金属物体的远近。当有不同的金属物体靠近时，会有不同的变化。磁性材料，如铁，由于其磁导性高于涡流的影响，起加强其场强的作用；相反，非磁性材料，如铜，其涡流作用大于磁导作用，起减弱附近场强的作用。本实用新型通过一种新型的感应线圈做为传感器来检测由不同金属物质引起的磁场不同的变化。

本申请针对上述的信号测量提出一种实用可行的新方法。通常来讲，如果信号的变化量和信号基数的比例越大，其灵敏度就越高。本实用新型很好地解决了图1所示的现行探测器灵敏度不高的问题。本方案采用的是差动变压器的原理，通过差分测量方法来检测微小信号的变化。其表现为，在无金属物质无靠近时，由于差分线圈的输出被调节到很小，仅有一点零点残余电压，基础信号很小。当金属物质靠近时，即使对电磁场的影响很小，由于基础信号很小，变化量和基础信号的比例仍然比较的大，灵敏度因此提高，能够探测到更远距离的金属物质。

在本实用新型中，对物体远近距离的检测是基于物体位置的远近对电磁场改变的大小来实现的。磁性金属材料在靠近激励源信号产生的电磁场时，引起磁场增强，会使感应线圈感应电压增大，但由于两组线圈的空间位置不同，所引起的变化量不一样，最终差分输出必然会改变。可以通过初始的调节使磁性金属材料靠近时，差分输出增大。同理，在非磁性金属材料靠近时，感应线圈感应电压减小，差分输出也会改变。差分输出对不同金属材料的不同改变，是作为判断金属物体距离远近，以及材料的依据。差分输出的幅值作为物体远近的判据；差分输出信号和源激励信号的相位关系可作为磁性和非磁性材料判断的依据。

本实用新型的磁性和非磁性材料判决算法基于差分输出信号和源激励信号的相位关系。通过比较源激励信号和差分输出信号对于磁性和非磁性材料显著不同的相位差别，可以很准确的判断出磁性和非磁性材，从而能分辨出铁与铜。

现在将详细参考附图描述本实用新型的实施例。

如图3所示，本实用新型的金属探测器中的传感器。该传感器是差分变压器，其零点残余电压的调节至关重要。如前文所述，零点残余电压越小，差分变压器输出基础信号就越小，对金属感应的灵敏度就越高。在本实施例中，将电感线圈13直接刻制于印刷电路板上，呈螺旋状，如图3所示。另一电感线圈12用漆包线绕制，原边激励信号的电感线圈11也同样用漆包线绕制并与电容器14组成一谐振选频电路。本实施例中，电容14采用高精密度电容。上述三个线圈同心地设置，其中线圈13位于外圈，线圈12处于内圈，线圈11于中间。电感线圈11固定在印刷电路板上，线圈12可以沿线圈11的轴向(即与电路板平面垂直的方向)移动，以此来调节零点残余电压。调节零点残余电压就是通过调节线圈12和13感应的电压的大小的差值来实现，两者越接近，零点残余电压越小。这种调节方法的优点在于可以连续的调节线圈11和12的轴向相对位置，也就是改变线圈12的感应电压，使其接近线圈11的感应电压，因此可以达到比较小的零点残余电压。

在上述实施例中，由电感线圈11和电容14组成的谐振选频电路可以对方波进行滤波，得到正弦波激励信号，其频率可以由L与C的值决定，具体值由下面公式决定。

f = \frac{1}{2 π \sqrt{LC}}

方波的发生是通过微处理器来控制PWM控制器作为激励源27(参考图4)来产生固定的方波信号，方波信号的频率为f，这样波形的谐波主要以基波f为主，其他频率谐波较少，完全可以通过电感11和电容14滤掉。激励源信号f的选取不宜过低，否则容易和市电产生的电磁波串扰；同理f不宜过高，否则会容易被其他电力电子装置干扰，如开关电源的开关噪声的干扰，适当的频率在3～10KHz。最终的频率由电感11和电容14选频器的通过频率决定。这个选频电路产生正弦波的电磁场会以上述选定的频率向四周扩散，图3中的电感12和13必然会受到感应，从而产生感应电动势。如前面所述，电感线圈12和13组成差动变压器，其输出电压为电感12和电感13的电压之差，其差值U0被称为零点残余电压。表达式可以表示如下：

U₀＝|U₁₂-U₁₃|

由图1中电感11，12以及13的空间位置分布可以得知，当有金属物靠近时，激励电感11的电压不会太大的改变，因为它是激励源，它的信号幅度以及频率是受微处理器以及电感11和电容14控制的。电感13的感应电压会受到较大的影响，因为其直径大，穿过它的磁力线分布在空间的范围大，易受到干扰，所以感应电压变化比较大；而和它同为差动变压器组成部分的另一个电感线圈12受到的干扰会比较的少，因为同样的道理，其半径小，位置位于激励电感11的内部，受到的干扰比较少。注意，U12变化的方向和U13的变化方向一致，即U12变大，U13变大；U12变小，U13变小。依据这个，U0的变化ΔU就会比较大，因为一个变化的大，

一个变化的小，其差值必然比较大。变化率r可用下面的表达式来说明

r＝ΔU/U₀

我们知道金属物质位置同等的条件下，ΔU越大，r就越大，这就提高了传感器的灵敏度。上述的本实用新型的方法解决了增大ΔU的问题。

同样，零点残余电压U0也可以减小，来提高变化率r。如图3和图4中所示，电感13是直接刻制在印刷电路板上的螺旋线圈，它和电感11一样都是固定在印刷电路板上，空间相对位置是确定，电感13的感应电压是确定的。而电感12的轴向位置是可以移动的，可以通过调节电感12和电感11的轴向位置来调节电感12的感应电压。轴向位置的改变与电感12的感应电压关系是非线性的但是连续的，因此可以在一定范围内连续调节电感12的位置，最终的结果是差动变压器的输出零点残余电压U0非常的小，可以在很小变化的情况下，有很大的变化率r，传感器灵敏度进一步得到提高。

本实用新型对所述的差分变压器输出的信号用高灵敏度放大器组成的测量电路进行放大后送入微处理器微处理器进行计算处理后产生显示信号，并在所述的显示器上显示金属物体离开传感器的距离。而铁质、铜质的判决则由所述的磁性和非磁性材料判决算法计算后，同样也在所述的显示器上显示出来。

如上所述，在得到一个高灵敏度的传感器之后，需要对传感器前端信号做处理。图4是本实用新型的金属探测器的结构框图。如图4所示，传感器的信号经过滤波和放大电路22的滤波处理和放大处理。这里的处理和放大方式有很多种，低通或者带通滤波器是必要的，由于信号比较小，信号含有的高次谐波噪声会比较多，可以用高品质因素的滤波器进行较好的滤波，同时选用增益带宽大的运算放大器对信号进行放大处理，最后取得所需的信号。

随后，信号进入数模转换器25，进行数模转换。在处理之前，需要在不存金属的空气中进行预设定，此时测量的信号为零点残余电压产生的信号，即没有任何金属在附近的情况下信号值。这个信号值被数模转换器25测量，存储在非易失性存储器中作为测量的基准值，这个操作只要做一次即可，比如，在产品出厂前设定。当金属物体靠近时，滤波和放大电路22输出的信号值必然改变，在基准值基础上的改变量的大小和物体的远近有关，通过计算该改变量的大小，就可以判断出物体的远近程度。相位检测器23是判断磁性与非磁性材料的依据，对传感器的信号和源激励信号的差别进行判断从而得出被测物测材质是铁质(磁性材料)还是非铁质(非磁性材料)。上述判断和计算由微处理器控制单元(MCU)26进行。最后的结果通过该MCU26处理之后，在液晶显示器24上显示。显示方式可以是通过条形图形的多少表示物体的远近，通过特定的符号图形，表示物体的材质。当然，本实用新型的具体实现并不限于此。例如，显示器24可以是LED显示，且显示方式也可以是任何能清楚表明物体远近距离和材质的形式。

图5对本实用新型的工作流程做了更详细的描述，步骤31是开/关电源的步骤，如果作为手持式产品，一般用干电池供电，比如，9V的干电池。需要先进行步骤32以检查电池的状态，如其电压值、温度以及内阻的检查。如果电池能够使用，则此时可以进行探测。步骤33是测量传感器的信号，进而在步骤34处判断信号的强度，同时计算物体的远近，下一步骤35是基于相位的判断，判断出被测金属是磁性的还是非磁性的。最后在步骤36中显示出上述判断的结果。

本领域技术人员可显见，可对本实用新型的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本实用新型的精神和范围。因此，旨在使本实用新型覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本实用新型的修改和变型。

Claims

1.一种用于金属探测器的传感器，由以相互包围的关系布置的第、第二、第三电感线圈及电容构成，所述第一电感线圈是用漆包线绕的线圈并与所述电容组成一谐振选频电路，所述第一电感线圈固定于印刷电路板上，所述第三电感线圈是直接刻制于印刷电路板上的线圈并位于最外圈，其特征在于，

所述第二电感线圈也是用漆包线绕的线圈，并可在与所述印刷电路板的平面垂直的方向上移动。

2.如权利要求1所述的用于金属探测器的传感器，其特征在于，所述第二、第一和第三电感线圈按此顺序由内向外地布置。

3.如权利要求1所述的用于金属探测器的传感器，其特征在于，所述第一、第二、第三电感线圈是同心的。

4.一种金属探测器，其特征在于，包括：

传感器，由以相互包围的关系布置的第一、第二、第三电感线圈及电容构成，所述第一电感线圈是用漆包线绕的线圈并与所述电容组成一谐振选频电路，所述第一电感线圈固定于印刷电路板上，所述第三电感线圈是直接刻制于印刷电路板上的线圈并位于最外圈，所述第二电感线圈也是用漆包线绕的线圈，并可在与所述印刷电路板的平面垂直的方向上移动；

激励源，向所述传感器施加激励信号，

滤波和放大电路，接收所述传感器的输出信号，

数模转换器，接收所述滤波和放大电路的输出信号，

相位检测器，接收所述滤波和放大电路的输出信号，

微处理器控制单元，接收所述数模转换模块、所述相位检测模块和所述激励源的输出信号，该微处理器控制单元根据来自所述激励源的信号和来自所述传感器的差分输出信号之间的相位关系来区分非磁性材料和磁性材料，并根据来自所述传感器的差分输出信号的幅值计算被测金属物体的距离远近，

显示器，接收所述微处理器控制单元的输出信号。

5.如权利要求4所述的金属探测器，其特征在于，所述滤波和放大电路包括运算放大器。

6.如权利要求4所述的金属探测器，其特征在于，所述第二、第一和第三电感线圈按此顺序由内向外地布置。

7.如权利要求4所述的金属探测器，其特征在于，所述第一、第二、第三电感线圈是同心的。