CN203587817U

CN203587817U - 一种手持数字金属探测器

Info

Publication number: CN203587817U
Application number: CN201320747368.5U
Authority: CN
Inventors: 张永宏; 任伟; 卢思祺
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2023-11-22

Abstract

本实用新型公开了一种手持数字金属探测器，包括电源、探测线圈、振荡电路、峰值保持电路、信号放大电路、A/D采集模块、主控芯片、声光报警电路和人机交互模块，所述电源给振荡电路、峰值保持电路和信号放大电路供电，所述探测线圈的输出端连接振荡电路的输入端，所述振荡电路产生的高频电路信号经峰值保持电路送入信号放大电路，所述信号放大电路将前述信号放大后送入A/D采集模块，经过A/D转换后的信号送入主控芯片，所述主控芯片将前述信号与预存的阈值进行比较，并根据比较结果触发声光报警电路动作，所述主控芯片同时将前述信号送入人机交互模块进行显示，操作简单方便、灵敏度可调。

Description

一种手持数字金属探测器

技术领域

本实用新型属于金属探测技术领域，涉及一种手持数字金属探测器。

背景技术

金属探测器作为一种最重要的安检设备，已被广泛地应用于社会生活和工业生产等诸多领域。在交通运输中，金属探测器可用于检测枪支、弹药、刀具等违禁金属物品，比如在机场、火车站、海关、展览会等都用金属探测器来对过往人员及行李进行安检，以排除违禁金属物品；在工业生产中，金属探测器用于在线监测，如去掉在食品、纺织和煤炭中的金属杂物等；在教学领域，用于探测手机等高科技产品、预防学生考试作弊等使用。

目前，国内金属探测仪器已逐步由模拟时代转向数字时代。模拟式金属探测器多采用电子管和晶体管，线路庞大而且功耗较高。随着电子器件大规模集成电路和微处理芯片的广泛应用，使得金属探测器逐步向数字化、智能化方向发展。如今，金属探测仪器大量用在社会生活和工业生产等领域，国外产品占了很大一部分。国内产品与国外产品相比还有一定差距。很大一部分政府机关、企业、大型活动组织者都倾向国外产品。但国外产品或是价格昂贵、或是对于小块金属灵敏度不高、或是体积庞大、或是界面不够友好而操作困难，这些都不适合可携带的小型金属探测器的广泛应用。传统的金属探测器则利用模拟电路进行检测和控制的，其电路复杂，探测灵敏度低，且整个系统易受外界干扰。

因此，基于现有手持金属探测器的不足，对现有手持金属探测器的结构进行创新性研究，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型的目的，在于提供一种电路简单、探测灵敏度高的手持数字金属探测器。

为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：一种手持数字金属探测器，包括电源、探测线圈、振荡电路、峰值保持电路、信号放大电路、A/D采集模块、主控芯片、声光报警电路和人机交互模块，所述电源给振荡电路、峰值保持电路和信号放大电路供电，所述探测线圈的输出端连接振荡电路的输入端，所述振荡电路产生的高频电路信号经峰值保持电路送入信号放大电路，所述信号放大电路将前述信号放大后送入A/D采集模块，经过A/D转换后的信号送入主控芯片，所述主控芯片将前述信号与预存的阈值进行比较，并根据比较结果触发声光报警电路动作，所述主控芯片同时将前述信号送入人机交互模块进行显示。

进一步的，所述振荡电路包括第一、二、三电阻和第一、二、三电容，所述第一、三电容的一端连接，并共同连接探测线圈的一端，第三电容的另一端分别连接三极管的基极和第二电阻的一端，而第二电阻的另一端与三极管的集电极连接，并共同连接电源；所述第一电容的另一端分别连接第一电阻的一端和第二电容的一端，第一电阻的另一端、三极管的发射极和第三电阻的一端连接，并共同连接峰值保持电路的输入端，所述第三电阻的另一端、第二电容的另一端和探测线圈的另一端连接，并共同接地。

进一步的，所述峰值保持电路包括第一、二级运算放大器、第四、五、六、七电阻、第四电容和第一至四二极管，所述电源给第一、二级运算放大器供电，所述第一级运算放大器的负输入端分别连接第五电阻的一端和第三二极管的阳极，振荡电路的输出端依次连接第一、二二极管后分别连接第一级运算放大器的正输入端和第四电阻的一端，而第三二极管的阴极、第六电阻的一端和第四二极管的阳极连接，并共同连接第一级运算放大器的输出端；所述第二级运算放大器的负输入端分别连接第五、六电阻的另一端和第二级运算放大器的输出端，第二级运算放大器的输出端还分别连接第七电阻的一端和信号放大电路的输入端，而第四二极管的阴极和第四电容的一端连接，并共同连接第二级运算放大器的正输入端，所述第四、七电阻的另一端、第四电容连接，并共同接地。

进一步的，所述信号放大电路包括第三、四、五级运算放大器、第八、十至十六电阻和可变电阻，所述电源给第三、四、五级运算放大器供电，并连接可变电阻的一端，可变电阻的另一端与第八电阻的一端连接，并共同连接第三级运算放大器的正输入端，第三级运算放大器的负输入端分别连接第十、十二电阻的一端，而第十二电阻的另一端与第十四电阻的一端连接，并共同连接第三级运算放大器的输出端，而第十电阻的另一端与第十一电阻的一端连接，并共同连接第四级运算放大器的负输入端，第十一电阻的另一端与第十三电阻连接，并共同连接第四级运算放大器的输出端，前述峰值保持电路的输出端与第四级运算放大器的正输入端连接，第十三电阻的另一端与第十五电阻的一端连接，并共同连接第五级运算放大器的负输入端，而第十五电阻的另一端与第五级运算放大器的输出端连接，并共同连接前述A/D采集模块的输入端，第十四电阻的另一端与第十六电阻的一端连接，并共同连接第五级运算放大器的正输入端，第八、十六电阻的另一端连接，并共同接地。

采用上述方案后，本实用新型手持数字金属探测器操作简单方便、体积小便携、开发价格低、灵敏度可调和界面友好，通过样机完善，可实现该仪器的产品化。

附图说明

图1是本实用新型手持数字金属探测器的整体模块图。

图2是本实用新型手持数字金属探测器的探测线圈、振荡电路电路图。

图3是本实用新型手持数字金属探测器的峰值保持电路图。

图4是本实用新型手持数字金属探测器的信号放大电路图。

图5是本实用新型手持数字金属探测器的使用逻辑图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例对本实用新型的技术方案及工作过程进行详细说明。

如图1所示，本实用新型公开了一种手持数字金属探测器，包括电源、探测线圈、振荡电路、峰值保持电路、信号放大电路、A/D采集电路、主控芯片、声光报警电路和人机交互模块。所述电源给振荡电路、峰值保持电路和信号放大电路供电，所述探测线圈的输出端连接振荡电路的输入端，利用金属探测器探测是否存在金属时，根据所述振荡电路产生稳定高频信号，通过探测线圈产生一定磁场，当探测线圈探测到金属时，由于涡流效应，电涡流产生新的磁场，磁场方向与原磁场方向相反，原磁场发生变化，即原振荡电路的振幅发生变化，所述振荡电路产生的变化的高频电路信号经峰值保持电路送入信号放大电路，所述信号放大电路将前述信号放大后送入A/D采集模块，经过A/D转换后的信号送入主控芯片，所述主控芯片将前述信号与预存的阈值进行比较，以确认是否有金属存在，并根据比较结果触发声光报警电路动作，所述主控芯片同时将前述信号送入人机交互模块进行显示。整个设计电源部分采用三端稳压集成电路块LM7805芯片稳压输出为系统供电，供电质量稳定。

如图2所示，所述振荡电路包括第一、二、三电阻R1、R2、R3和第一、二、三电容C1、C2、C3，所述第一、三电容C1、C3的一端连接，并共同连接探测线圈L的一端，第三电容C3的另一端分别连接三极管Q1的基极和第二电阻R2的一端，而第二电阻R2的另一端与三极管Q1的集电极连接，并共同连接电源VCC；所述第一电容C1的另一端分别连接第一电阻R1的一端和第二电容C2的一端，第一电阻R1的另一端、三极管Q1的发射极和第三电阻R3的一端连接，并共同连接峰值保持电路的输入端，所述第三电阻R3的另一端、第二电容C2的另一端和探测线圈L的另一端连接，并共同接地。通过振荡电路产生变化的磁场，进行金属探测时，当有金属存在时，探测线圈L内便产生电涡流，根据涡流效应，电涡流将产生新的磁场，该磁场与原磁场方向相反，从而使原有振荡电路的振幅发生变化。该振荡电路的振荡频率近似为LC并联电路的谐振频率，即

f = \frac{1}{2 π \sqrt{LC}}

其中

C = \frac{C 1 \cdot C 2}{C 1 + C 2}

如图3所示，所述振荡电路输出的电压Vs经第一、二二极管D1、D2降压，减小共模信号后得到Vi1输入到峰值保持电路。所述峰值保持电路包括第一、二级运算放大器U1、U2,第四、五、六、七电阻R4、R5、R6、R7,第四电容C4和第一至四二极管D1、D2、D3、D4，所述电源VCC给第一、二级运算放大器U1、U2供电，所述第一级运算放大器U1的负输入端分别连接第五电阻R5的一端和第三二极管D3的阳极，振荡电路的输出端依次连接第一、二二极管D1、D2后分别连接第一级运算放大器U1的正输入端和第四电阻R4的一端，而第三二极管D3的阴极、第六电阻D3、R6的一端和第四二极管D4的阳极连接，并共同连接第一级运算放大器U1的输出端；所述第二级运算放大器U2的负输入端分别连接第五、六电阻R5、R6的另一端和第二级运算放大器的输出端U2，第二级运算放大器U2的输出端还分别连接第七电阻R7的一端和信号放大电路的输入端，而第四二极管的阴极和第四电容C4的一端连接，并共同连接第二级运算放大器U2的正输入端，所述第四、七电阻R4、R7的另一端、第四电容C4连接，并共同接地。峰值保持电路由两级运算放大器组成，第一级运算放大器U1将输入信号的峰值传递到电容C4上，并保持下来。第二级运算放大器U2组成缓冲放大器，将输出与电容C4隔离开来。在设计中，为了获得优良的保持性能和传输性能，采用了输入阻抗高、响应速度较快、跟随精度较好的运算放大器LM358。当输入电压Vi1上升时，Vo1跟随上升，使二极管D4导通，D3截止，第二级运算放大器U2工作在深度负反馈状态，使第四电容C4充电，输出Vc上升。当输入电压Vi1下降时，Vo1跟随下降，D3导通，U2也工作在深度负反馈状态，深度负反馈保证了第四二极管D4可靠截止，Vc值得以保持。

如图4所示，本实用新型中来自振荡电路的信号通常都伴随着很大的共模信号，由探测线圈和振荡电路输出，再经峰值保持电路输出的电压Vc共模信号大，差模信号小，所以考虑使用三运放组成的高共模抑制比电路来放大差模信号。所述信号放大电路包括第三、四、五级运算放大器U3、U4、U5、第八、十至十六电阻R8、R10-R16和可变电阻（在本实施例中采用滑动变阻器R9），所述电源VCC给第三、四、五级运算放大器U3、U4、U5供电，并连接滑动变阻器R9的一端，可变电阻R9的另一端与第八电阻R8的一端连接，并共同连接第三级运算放大器U3的正输入端，第三级运算放大器U3的负输入端分别连接第十、十二电阻R10、R12的一端，而第十二电阻R12的另一端与第十四电阻R14的一端连接，并共同连接第三级运算放大器U3的输出端，而第十电阻R10的另一端与第十一电阻R11的一端连接，并共同连接第四级运算放大器U4的负输入端，第十一电阻R11的另一端与第十三电阻R13连接，并共同连接第四级运算放大器U4的输出端，前述峰值保持电路的输出端与第四级运算放大器U4的正输入端连接，第十三电阻R13的另一端与第十五电阻R15的一端连接，并共同连接第五级运算放大器U5的负输入端，而第十五电阻R15的另一端与第五级运算放大器U5的输出端连接，并共同连接前述A/D采集模块的输入端，第十四电阻R14的另一端与第十六电阻R16的一端连接，并共同连接第五级运算放大器U5的正输入端，第八、十六电阻R8、R16的另一端连接，并共同接地。所述信号放大电路由三个运算放大器U3、U4、U5组成，其中U3、U4为两个性能一致的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，U5构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制U3、U4的共模信号。在此引入可调参考电压Vr，通过调节滑动变阻器R9旋钮获得。三运放高共模抑制比电路输出电压Vo公式为：

Vo = (1 + \frac{{2 R}_{11}}{R_{10}}) \cdot \frac{R_{15}}{R_{13}} \cdot (V_{r} - V_{C})

其中，R₁₁=R₁₂，R₁₃=R₁₄，R₁₅=R₁₆。

理想情况下，当无金属导体靠近时应调节Vr满足Vr=Vc，则Vo=0；当有金属靠近时Vo值为Vc变化值的倍。

如图5所示，本实用新型中得到的峰值保持电路的输出电压Vc、参考电压Vr以及放大电路输出电压Vo将实时的显示在人机交互模块（在本实施例中采用LCD1602液晶屏）上。为提高金属探测器工作的稳定性和精确性，避免因电源电压下降等因素引起的参考电压Vr与无金属靠近时峰值保持电路输出电压Vc偏差过大，金属探测器探测金属之前须对Vr和Vc进行校验，LCD1602液晶屏上会显示校验界面，内容包括Vr、Vc的当前值，方便用户调节Vr至合适值，这是使用前准备工作，以提高探测器的灵敏性。

校验完成之后，系统将保存此时的Vc、Vo分别至Vs1、Vs2。Vs1表示无金属靠近时峰值电路的输出电压，Vs2表示无金属靠近时放大电路的输出电压。当金属靠近时，Vo值会发生变化，当Vo与Vs2的差值超过设定的阈值时，系统会自动报警，否则不报警。改变阈值可以实现系统的灵敏度可调，阈值越小，灵敏度越高。但由于外界干扰的存在，软件滤波并不能完全滤除，因此阈值不能取得太低。为防止误操作、碰撞等因素调节滑动变阻器电位即Vr，导致Vo变化，出现误报警，于是在每次对Vo电压采集并处理后，通过Vr与Vs1的差值判断Vr是否处于合适范围内，即设定误差允许范围，如果Vr已超出合适的取值范围，则在LCD1602上显示校验界面，需重新进行校验，在允许范围内则可对Vo进行采样判断在有效范围是否有金属存在，从而实现金属探测。

本实用新型提供的一种金属探测器，工作过程可总结如下几个主要步骤：

⑴、根据应用场合，首先对金属探测器进行参考信号调节，即参考阈值，系统自动保存，同时金属探测器LCD1602液晶屏显示校验界面，检验金属探测器电源是否稳定。

⑵、调节后，开始进行金属探测，金属探测器靠近探测物，系统自动进行前端探测信号采集，输入主控芯片处理与事先设定的误差范围和阈值比较，以确认是否有金属存在，并通过液晶显示。

⑶、若探测到金属，会产生声光同时报警提示，作相应处理，否则继续探测或停止探测。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种手持数字金属探测器，其特征在于：包括电源、探测线圈、振荡电路、峰值保持电路、信号放大电路、A/D采集模块、主控芯片、声光报警电路和人机交互模块，所述电源给振荡电路、峰值保持电路和信号放大电路供电，所述探测线圈的输出端连接振荡电路的输入端，所述振荡电路产生的高频电路信号经峰值保持电路送入信号放大电路，所述信号放大电路将前述信号放大后送入A/D采集模块，经过A/D转换后的信号送入主控芯片，所述主控芯片将前述信号与预存的阈值进行比较，并根据比较结果触发声光报警电路动作，所述主控芯片同时将前述信号送入人机交互模块进行显示。

2.如权利要求1所述的一种手持数字金属探测器，其特征在于：所述振荡电路包括第一、二、三电阻和第一、二、三电容，所述第一、三电容的一端连接，并共同连接探测线圈的一端，第三电容的另一端分别连接三极管的基极和第二电阻的一端，而第二电阻的另一端与三极管的集电极连接，并共同连接电源；所述第一电容的另一端分别连接第一电阻的一端和第二电容的一端，第一电阻的另一端、三极管的发射极和第三电阻的一端连接，并共同连接峰值保持电路的输入端，所述第三电阻的另一端、第二电容的另一端和探测线圈的另一端连接，并共同接地。

3.如权利要求1所述的一种手持数字金属探测器，其特征在于：所述峰值保持电路包括第一、二级运算放大器、第四、五、六、七电阻、第四电容和第一至四二极管，所述电源给第一、二级运算放大器供电，所述第一级运算放大器的负输入端分别连接第五电阻的一端和第三二极管的阳极，振荡电路的输出端依次连接第一、二二极管后分别连接第一级运算放大器的正输入端和第四电阻的一端，而第三二极管的阴极、第六电阻的一端和第四二极管的阳极连接，并共同连接第一级运算放大器的输出端；所述第二级运算放大器的负输入端分别连接第五、六电阻的另一端和第二级运算放大器的输出端，第二级运算放大器的输出端还分别连接第七电阻的一端和信号放大电路的输入端，而第四二极管的阴极和第四电容的一端连接，并共同连接第二级运算放大器的正输入端，所述第四、七电阻的另一端、第四电容连接，并共同接地。

4.如权利要求1至3中任一项所述的一种手持数字金属探测器，其特征在于：所述信号放大电路包括第三、四、五级运算放大器、第八、十至十六电阻和可变电阻，所述电源给第三、四、五级运算放大器供电，并连接可变电阻的一端，可变电阻的另一端与第八电阻的一端连接，并共同连接第三级运算放大器的正输入端，第三级运算放大器的负输入端分别连接第十、十二电阻的一端，而第十二电阻的另一端与第十四电阻的一端连接，并共同连接第三级运算放大器的输出端，而第十电阻的另一端与第十一电阻的一端连接，并共同连接第四级运算放大器的负输入端，第十一电阻的另一端与第十三电阻连接，并共同连接第四级运算放大器的输出端，前述峰值保持电路的输出端与第四级运算放大器的正输入端连接，第十三电阻的另一端与第十五电阻的一端连接，并共同连接第五级运算放大器的负输入端，而第十五电阻的另一端与第五级运算放大器的输出端连接，并共同连接前述A/D采集模块的输入端，第十四电阻的另一端与第十六电阻的一端连接，并共同连接第五级运算放大器的正输入端，第八、十六电阻的另一端连接，并共同接地。