金属探测定位器

金属探测定位器（精选8篇）

金属探测定位器 第1篇

设计并制作一个可自主移动的金属物体探测定位器(以下简称探测器),可探测置于玻璃板下的金属物体并给出定位指示。该探测器需采用TI公司LDC1000电感 / 数字转换器评估板(AY-LDC1000)作为金属物体探头,探头上应有定位指针,以给出明显定位指示。探头可在水平放置的玻璃板上移动。用直径Φ2(mm)的铁丝围成约50cm50cm的正方形闭合框作为探测区边界置于玻璃板下在探测区域内某处(距探测边界≥5cm)玻璃下放置一枚直径约19mm的镀镍钢芯1角硬币。探头能从“探头进入区”一侧任意指定位置和方向自行进入探测区(铁丝框包围区域)。通过探测,定位指针应指在硬币边沿之内。然后将一角硬币换成1元硬币,然后再将硬币改为铁环直径4cm指针尽可能指向铁环圆心(误差5mm), 探测到后给予声光指示。(图1)

所需材料:

1.AY-LDC1000数字电感一块10元。

2.小车一个28元。

3.L298N模块一个8元。

4.51单片机最小系统一个10元。

5.开关一个0.5元

6.蜂鸣器模块一个3元

7.电池若干。

8.四槽电池盒三个。

9.MSP430F5529单片机一个90元。

10.杜邦线若干3.4元。

系统框图:(图2)

原理图:(图3、图4)

MSP430电感检测代码:

STC52驱动小车代码:

整个检测过程是这样的:(图5)

自制简易金属探测器 第2篇

高频振荡器探测金属的原理 (转)

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高频振荡器探测金属的原理

调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。当探测线圈L1靠近金属物体时，由于电磁感应现象，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。如果能检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。

金属探测仪到底能探测怎样的物质? 第3篇

金属探测仪是一种主要运用于教育、安保、考古等领域的金属探测设备。例如,它可以帮助监考教师探查考生是否携带了违禁物品进入考场。然而,金属探测仪究竟能探测怎样的物质?“金属”指的是金属单质、金属元素,还是金属化合物?金属探测仪的探测效果和哪些因素有关?这些都值得研究。于是,我们决定组建一个研究性学习小组,就金属探测仪的功能及其探测效果做一次较为深入的研究。

基本构思:

我们向学校申请到了一支专用于考场的手持式金属探测仪,它的型号为MD-300型。从外观上看,它的主体是一个直径约14厘米的探测环,与环相连的手持杆长42厘米。探测环一旦发现“目标”,它的鸣叫器会发出尖锐的鸣叫声或振动器发生振动。

我们研究活动的基本做法是:将金属探测仪的探测环缓缓靠近被探测物,当探测仪发出鸣叫时,即用尺测量出被探测物与金属探测仪的探测环中心之间的距离。显然,物体的可探测距离越远,则说明其越容易被探测到,即该仪器越灵敏。为了确保实验结果的准确性、数据的可靠性,我们对所有的实验操作都重复3次,在数据上取其平均值,若有极值则舍去。

测试与分析:

1. 与元素形态的关系

铜和铁都是日常生活中被广泛使用的金属,所以我们首先对这两种金属的单质(块状固体)、固态化合物、溶液态化合物进行探测、对比,实验结果如下:

实验结果表明,金属探测仪所能探测的“金属”应该仅仅指游离态(即单质)的金属,而非广义上的“金属元素”。当金属一旦被转化为化合物,即无法被探测出。这不同于焰色反应,焰色反应所需要的“金属”则是广义上的“金属元素”。

2. 与金属形状的关系

以单质形式存在的金属还有外形的不同.例如,它们可以是细小粉末状的,可以是大颗粒状的,也可以是片状的、块状的等。首先,我们将化学实验中最常使用的金属粉末平铺在纸片上加以探测,结果如下:

结果表明,金属粉末不能被探测到。实验中,即使使用较大量的金属粉末,甚至使用整瓶金属粉末,金属探测仪都“视而不见”。那么,如果将这些金属的粉末颗粒加以放大又会有怎样的结果呢?

由于实验室有现成的锌粒(直径约3毫米),这是制取氢气常备的药品。另外,铁钉也可以看做一种有固定外形的大颗粒。于是,我们对这两种大颗粒状的金属进行测试,结果锌粒和铁钉都“乖乖现形”了!

我们又对薄膜状金属、片状金属、块状金属进行了探测。实验对象为铝箔、银箔、锌片、铜片、铁块、铜块等。其中,银箔来自于“银镜反应”,我们直接对内壁上附着的薄薄一层银箔的试管进行了探测。结果表明,包括薄薄的银箔在内,这些金属无一“漏网”。实验结果如下:

值得一提的是,金属探测仪能透过试管的玻璃壁“觉察”到内壁上银金属的存在,这也表明,探测金属不一定要求金属处于完全暴露的状态。正是基于这一点,金属探测仪才能够被广泛地用于检测一些比较隐蔽的违禁物品。

3. 与金属质量的关系

由于锌粒是颗粒状的,对不同量的固体样品取用都比较方便,所以我们选择锌粒为研究对象。为控制变量,我们把不同质量的锌粒分别装入3只相同规格的试管中,向着试管的底部垂直探测,这样至少能确保被探测物的横截面积是相同的。结果如下:

由此可看出,金属质量越大,越容易被探测到;反之,金属质量太小,可能就很难探测到。

实验结论:

广东为高考考场配金属探测器 第4篇

羊城晚报讯 记者夏杨、通讯员粤考宣报道：教育部9日召开了20全国高考招生电视电话会议，广东省副省长宋海在广东分会场参会并讲话。会议透露，今年广东各高考考场将配备金属探测器，严查手机等作弊设备带进考场，这也意味着今年考生需要提前到达考场。

去年广东高考查处违规作弊54人，过半是因手机问题取消当年考试成绩。宋海要求继续按照国家标准加强标准化考场建设。据介绍，探测器检测时间安排在考生进入考场后、进入试室前，地点就在试室门口，负责检测的是监考人员。今年广东高考共启用近2.5万个试室，每个试室配备一个探测器，即2.5万个，这项设备总投入约几百万元。

会议透露，今年全国各大高校将安排招生计划675万名，比去年增加2%。今年广东全省65.5万考生冲刺高考，比去年增加4万人。广东省教育考试院院长杨开乔透露，今年广东各高校的招生计划是43.2万人，比去年增加2万人，增幅为5%。

数显金属探测器的设计 第5篇

1 系统设计

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,金属产生的涡流

磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。金属的电导率越大,交变电流的频率越大,则涡电流强度越大,对原磁场的抑制作用越强。故当有金属物靠近通电线圈平面附近时,无论是介质磁导率的变化,还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。整个探测系统以AT89S52作为控制核心,其硬件电路分为两个部分,一部分作为线圈振荡电路,包括:多谐振荡电路,放大电路和探测线圈;另一部分为控制电路,包括:UGN3503型现行霍尔传感器,前置放大电路,峰值检波电路,ADC0809模数转换器,AT89S52单片机,LED显示电路,声音报警电路及电源电路等。系统框图如图1所示。

2 主要模块硬件电路设计

2.1 线圈震荡电路

由555构成一个多谐振荡器,产生一频率为24KHz脉冲信号,电路如图2所示。选择24KHz的超长波频率是为了减弱土壤对电磁波的影响。从多谐振荡器输出的正脉冲信号经过电容C8输出到Q1的基极,使其导通,经Q1放大后,就形成了频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到探测线圈L1中,在线圈内产生瞬时较强的电流,从而使线圈周围产生恒定的交变磁场。由于在脉冲信号作用下,Q1处于开关工作状态,而导通时间又非常短,所以非常省电,可以利用9V电池供电。

2.2 放大和峰值检波电路

由于UGN3503N线性霍尔传感器采集到的电压信号是一个很小的电信号,故在对其处理前要进行放大。设计中信号放大电路采用输入阻抗高、漂移较小、共模抑制比高的集成放大器LM324。如图3所示,UGN3503线性霍尔传感器输出的微弱信号经电容耦合到前级运算放大器U2A的同相输入端,运算放大器U2A把霍尔传感器的电压转换为对地电压。在电路设计中运放LM324采用+5V单电源供电,对于不同强度的信号均可通过调节前级放大电路的反馈电位器W1开改变放大倍数。经前级运算放大器放大的信号经耦合电容C2输入到后级峰值检波器中。采用组容耦合的方法可以使前后级的电路的静态工作点保持独立,隔离各级静态之间的相互影响,使得电路总漂移不会太大。

峰值检波电路由两级运算放大器组成,第一级运放U2B将输入信号的峰值传递到电容C6上,并保持下来。第二级运放U2C组成缓冲放大器,将输出与电容隔离开来,在设计中,为了获得优良的保持性能和传输性能,采用LM324。当输入电压V12上升时,V02电压跟随上升,使二极管D4、D5导通,D3截止,运放U2B工作在深度负反馈状态,给电容C6充电,Vc上升。当输入电压V12下降时,V02电压跟随下降,D3导通,运放U2B工作在深度负反馈状态,深度负反馈保证了二极管D4、D5可靠截止,Vc值得以保持。当V12再次上升时,V02在次上升使D4、D5导通,D3截止,再次对电容C6充电(Vc高于前次充电电压),V12下降时,D4、D5又截止,D3导通,Vc将峰时再次得以保持。输出V0反应Vc的大小,通过峰值检波和后级缓冲放大电路,将采集到的微弱电压信号放大至0v～5V的直流电平,以满足A/D转换器ADC0809所要求的输入电压变化范围。

2.3 A/D转换电路

如图4所示,输出的电压信号送入ADC0809的模拟输入通道IN0进行A/D转换,将P2.7(地址总线的A15)作为片选信号,由AT89S52的写信号WR和P2.7控制ADC0809的地址锁存ALE和转换启动START,当ADC0809的START启动信号输入端为高电平时,A/D开始转换,在时钟的控制下,一位一位的逼近,比较器一次次进行比较,转换结束时,送出转换信号EOC,并将8位数字量D7至D0锁存到输出缓冲器。AT89S52的读信号RD端发出一个输出允许命令输入到ADC0809的ENABLE(即OE端),ENABLE(即OE端)呈现高电平,用以打开三态输出锁存器,AT89S52从ADC0809读取相应点位数字量,然后存入数据缓冲器中。

一旦发现金属出现,则被测量物理量超限由单片机I/O口的P1.0控制放光二极管进行光报警的同时,P1.6还触发蜂鸣器用声报警提醒检测人员注意。

3 系统程序设计

在工作过程中,由555定时器构成的多些振荡器产生一个脉冲为24KHz的脉冲信号,此脉冲信号经缓冲放大后,形成频率稳定度高、功率放大的脉冲信号输入到探测线圈中,通电的线圈会产生磁场,此时,固定在线圈L1中心的霍尔传感器UGN3503U就会感应到线圈周围的磁场,并将磁场强度信号线性的转变成电压信号。在无金属的情况下,假设霍尔输出电压为U0,该电压信号U0很微弱,属毫伏级信号,U0经过放大电路放大,再经过峰值检波电路,得到相应的0V～5V的峰值输出电压Ux,然后经A/D转换后,输入到CPU,由CPU完成Ux与基准电压U0的比较,二者比较|Ux-U0|得到一个差值,次差值与预设的灵敏度u在做比较。当然,u的大小设定决定着系统精度的高低。若|Ux-U0|>u,就确定为探测到金属,CPU输出口P1.0输出信号驱动发光二极管发光报警,同时P1.6控制蜂鸣器发出声响,进行声音报警。流程图如图5所示。

4 系统测试和结语

金属探测器的工作频率、灵敏度和稳定性是仪器的主要技术指标,探测器的灵敏度与探测线圈的尺寸大小有关,尺寸大即探测面积大,则线圈中心磁场强度低,在靠近线圈绕组附近磁场强度较高,霍尔元件固定在线圈中心,为了确保通过其磁通量,探测线圈的尺寸就不宜太大,具体尺寸通过实验确定。

设计的金属探测器,可以在机场、大型运动会(如奥运会)、展览会进行安全检测,以排查行李、包裹及人体夹带的刀具、枪支、弹药等伤害性违禁金属物品;工业部门(包括手表、眼镜、金银首饰、电子等生产含有金属产品的工厂)也可以使用金属探测器对出入人员进行检测,以防止贵重金属材料的丢失;考试也可使用金属探测器来防止考生利用手机等工具进行作弊,具有较好的应用范围。

参考文献

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[6]卢超.分布式矿井温度监测系统的设计[J].煤炭科学技术,2007(12):51-54

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电磁金属探测器的设计 第6篇

关键词：自动化,人身安全,金属探测器,报警

现在,各大企业生产线的自动化程度越来越高,对于制造厂商来说,产品中混入金属的情况时有发生,一旦发生,后果不堪设想,笔者设计的金属探测器则很好地解决了这个难题。它采用灵敏度极高的霍尔元件作为传感器,感应由于金属出现而引起的探测线圈周围磁场的变化,提高了检测精度,并且利用单片机作为主控部件[1],保证了检测实施的有效性。经过仿真和现场实验,证明其能达到预期效果,市场前景巨大。

1 电磁金属探测器工作原理

电磁金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的,图1所示是半径为R的单匝圆形电感线圈,当大小为I=Imcosω的交变电流通过此线圈时,线圈周围会产生交变磁场,进而可以计算出线圈中心轴线上某一点的磁感应强度为:

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式中 u介质的磁导率,u=u0ur;

ur相对磁导率;

u0真空磁导率。

图1所示的单匝圆形电感线圈的原理是:当线圈中有交变电流通过时,线圈周围会产生交变电磁场,电磁场的磁感应强度与产生磁场的导体的电流大小、有无铁芯及距离远近等有关。当线圈有效探测范围内无金属时,介质的磁导率为真空磁导率等于1,因为磁感应强度等于磁场强度乘以磁导率,所以此时磁感应强度保持不变。反之,当在线圈的有效探测范围内发现金属物的存在时,由于铁磁性金属的相对磁导率大于1,会使此时介质的磁导率发生变化,从而引起线圈周围的磁感应强度发生变化。同时,在该交变磁场中的金属导体内会产生涡流,进而产生涡旋电场,涡旋电场又会激发涡旋磁场而使外磁场产生变化。金属的电导率与最后产生的涡旋磁场成正比例关系,因此金属的电导率越大,对原磁场的抑制作用越强。最后只需检测磁场的变化就可以达到探测是否有金属物存在的目的[2,3]。

2 系统硬件设计

金属探测器整个系统流程如图2所示,现对主要硬件电路作简要介绍。

2.1 C8051F500单片机

C8051F500本身带有12位A/D转换模块,它采用48引脚小封装,使得该产品非常适合于需要高性能(50MI/s)和高集成度(12位ADC)的紧凑型PCB尺寸的应用。凭借其片上稳压器、上电复位、VDD监视器、看门狗定时器及时钟振荡器等功能,该单片机成为真正独立的片上系统解决方案。Flash存储器可以实现在系统编程时,提供非易失性数据存储,同时支持8051固件的现场升级,可以通过软件完全控制所有外设,并可单独关闭任意一个或所有外设,以节约功耗。

2.2 方波信号产生电路

首先,利用单片机编程分别选择不同的频率来测试效果[4],经过大量实验,最终确定线圈的合适的频率值为15.625kHz,方波信号产生电路如图3所示,其工作原理是:晶振Y产生大小为4MHz的正弦波信号,经过非门电路CD4069整形后将其变为同样大小的方波信号,再利用二进制串行计数分频器CD4040对信号进行28分频,最终得到了稳定的、大小为15.625kHz的方波信号。

2.3 正弦信号产生电路

将已经产生的方波信号经过图4所示的包含电感、电容和变压器的滤波电路,可得到符合要求的正弦信号[4]。方波和正弦波信号频率相同,因为方波是由不同频率和幅值的正弦波信号组成的,而电路中的滤波器滤去了其高波分量,得到了最后的一倍波形,也就是正弦波。

2.4 功率放大电路和扩流电路

功率放大电路解决了输入信号强度低,线圈不能推动系统工作的问题,电路中变压器的进一步滤波功能保证了正弦信号的纯度。变压器扩流电路为图5的右下角部分,此设计增大了发射线圈的电流,获得了较强的磁场强度[4]。

2.5 传感器线圈部分

传感器线圈部分主要利用的是霍尔元件,当有金属物进入时,霍尔元件可以检测磁场的变化并将其转换为电压信号,笔者采用的是线性霍尔元件UGN3503,它是一种三端输出的线性霍尔集成电路,将霍尔元件、高增益线性差分放大器和射级跟随器集成在同一半导体基片上,为用户提供一个由外电压源驱动、使用方便的磁敏传感器,在一定磁感应强度范围内,其输出电压与外磁感应强度呈线性关系,在零磁感应强度时,输出电压为3.6V,可工作于-20～+85℃,有较高的灵敏度,能测出极其细微的变化,其特征为:灵敏度很高、可以平稳响应至23kHz、噪声输出低、工作于4.5～6.0V之间,且为优化磁性包装。

2.6 峰值保持部分

峰值保持电路的功能是跟踪输入信号,直到输入信号达到峰值进入保持状态,保持输入信号的峰值不变,直到被复位,回到跟踪状态。它使后端电路准确地得知了什么时候可以采样到峰值,减小了采样时刻不准确带来的误差。在此要注意充电电容的选择要适度,避免太大和太小而带来充电速度慢和捕获电压不稳定的问题产生。峰值保持部分电路如图6所示[4]。

3 软件设计

金属探测器主程序流程如图7所示[5,6]。

4 结束语

经过现场实验,确定该金属探测器能够及时检测出传送带上食品中的金属异物,保证了产品干净出厂,保障了广大消费者的人身安全,具有广泛的应用前景和发展潜力。

参考文献

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[3]殷建国.单片机金属检测器系统研究[J].现代电子技术,2010,33(4):183～184.

[4]张忠祥.基于ATmega8515控制的金属探测器研究[D].济南:山东大学,2006.

[5]周尚丽,张宇,王春枝.单片机在霍尔式铁金属检测装置中的应用[J].湖北工学院学报,2000,15(3):21～22.

手持数字金属探测器的研究 第7篇

金属探测器的用途十分广泛如纺织、食品、服装、寻宝、矿冶、探雷等领域, 金属探测器作为一种探测类的电子仪器, 已在各个领域广泛应用, 军事上, 可探测金属地雷;在考古上, 可用来探测埋有金属物品的古墓, 发现其中的金银首饰或金银财宝等;在工程建设上, 可探测地面下的金属埋设物如管线、管道等;在安检上, 可探测那些隐藏的或随身携带的金属器械等;在采矿上, 可用来探测金属颗粒等[1]。随着金属探测器技术的发展, 金属探测器也越来越先进, 出现了数字式的探测器, 后来为了便于携带和使用出现了手持式的数字金属探测器, 手持数字金属探测器发挥出越来越重要的作用。

2 手持数字金属探测器的检测装置

手持数字金属探测器的检测装置的主要作用就是: (1) 检测出目标物质中是否含金属杂质; (2) 可实现相位检测; (3) 采用先进的DSP嵌入系统技术; (4) 可进行两路检测; (5) 能自动调节和设定相关检测参数; (6) 能够调整金属的检测灵敏度; (7) 有键盘修改参数界面。下面介绍一下检测装置的总体方案和系统构成。

2.1 检测装置总体方案

手持数字金属探测器的检测装置应考虑到如下几个方面: (1) 必须要有相当高的灵敏度, 能检出符合精度要求的金属含量; (2) 还要有相当高的稳定性, 能对外界环境的各种干扰有抵抗能力, 维护方便; (3) 能够实现检测数据采集、显示、处理、存储、标记和查询等任务; (4) 有较好的灵活性, 易于扩展[2]。

检测装置的开发过程流程如下: (1) 根据需求编写任务说明书; (2) 以任务说明书为根据, 确定技术指标; (3) 确定DSP芯片中的外围芯片; (4) 总体设计的软、硬件设计分工:软、硬件设计说明书编写, 软件编程、调试, 系统集成, 硬件电路, 硬件调试; (5) 系统测试、完成样机、然后中试、产品测试、进行生产。

2.2 检测装置的系统构成

手持式数字金属探测器主要由两个部分构成:控制装置和涡流传感器。控制装置由检波电路、滤波电路、正弦波振荡器、LCD显示电路、信号处理电路、电源电路等构成[3]。手持式数字式金属探测器的系统组成过程如下: (1) 正弦波振荡器; (2) 传感器; (3) 调制解调电路; (4) 滤波; (5) 信号处理; (6) 动作电路。

3 涡流传感器的原理与设计

数字金属探测器中的一个重要装置就是传感器。现在传感器的种类非常多, 分类方法也不一样, 通常采用的分类方法主要有两种:一种按传感器变换原理进行分类;另一种按被测对象参数进行分类。此外, 其他的分类方法还有按传感器材料分类和传感器是否能产生电动势进行分类等。现代的手持数字传感器主要使用的是涡流传感器。自上个世纪70年代以来, 涡流式传感器是一种迅速发展的传感器, 该传感器是利用电涡流效应来进行工作的。由于涡流式传感器的灵敏度高、结构简单、不受等介质影响、频响范围宽, 还能够进行非接触性测量, 适用范围较广, 因此这种传感器受到各个领域的重视[4]。目前, 涡流传感器已广泛用于测量位移、厚度、振动、温度、转速、硬度等参数及无损探伤领域等。

涡流传感器的理论基础是电磁场理论, 其作用部位为传感器探头中的线圈会产生时涡流, 传感器探头中的线圈会产生出时变磁场, 探头经过了被测的成块金属导体之后, 在金属导体内部就产生涡流, 然后可以根据产生的涡流大小来判断金属的厚度、大小等。涡流传感器能够实现无接触就测量金属板的厚度、导体表面中的非导体镀层厚度、废金属板中的金属镀层厚度, 还能对金属内部实现无损探伤。其中的反射式涡流传感器在测量金属厚度时的过程, 就是对线圈中电量参数的反射过程。通过监测线圈变化时电参量的变化, 就能测量反射金属体中金属的厚度。

3.1 涡流传感器工作原理

涡流传感器的内部主要由无骨架或有骨架的空心线圈组成, 该传感器的测量基本原理如下。当给线圈通上交流电之后, 由于存在电流, 根据电磁场相关理论, 在线圈周围会产生交变磁场, 称为HL, 假如被测的金属导体被放置在这个磁场里, 这时就产生了涡流, 同时又将产生另一交变磁场, 称为HZ, HL与HZ方向相反, HZ试图削弱原来的磁场HL, 进而可能导致探头内的线圈电感量产生变化[5]。电感变化量大小与该导体的几何形状、磁导率、电导率、电源频率、线圈参数及导体间至线圈的距离有关, 假如限制某些参数不变, 只让其中的一个参数发生变化, 涡流传感器便能够完成对这个参数的测量工作。在对金属厚度用传感器的检测过程中, 只有导体至线圈之间的位移参数可视为唯一变量, 别的参数都是不变量。假设金属导体是均匀材质, 它的性能是各向同性和线性的, 则金属导体系统和线圈的物理性质一般用磁导率、尺寸因子、电导率、频率和激励电流I等参数来进行描述。

3.2 涡流传感器的设计过程

根据电磁场相关理论, 发射线圈所发出的交变磁场是在两个接收线圈进行差动连接过程中所产生的反相、同频、等幅值的一个感应电动势, 两者之间可相消最后形成接收平衡。当那些金属杂质的物质经过传感器时, 在线圈周围所产生的磁场由于有物质进入而发生了变化, 我们可以在接收线圈周围检测出由于磁场变化而导致的电压差, 采用滤波电路可以滤除一些高频干扰信号, 可以放大所需要的低频电压信号, 最后传送给相应的报警、显示电路信号, 而引起动作。具体过程如下:振荡电路, 滤波电路, 功率放大到发射电圈;与之平行路径是接受线圈, 解调电路, 平衡调节电路, 发射线圈;从接受线圈出来还有一个路径是接受线圈, 解调电路, 滤波、放大电路, 显示、报警。

4 结论

数字金属探测器在生产和生活过程中的使用越来越广泛, 数字金属探测器技术也越来越先进, 尤其是手持式数字金属探测器。本文分析了金属探测器中的最重要的装置-检测装置的总体方案和系统构成, 还分析了手持金属探测器中的传感装置-涡流传感, 探讨了它的工作原理和设计过程, 希望能够对以后的手持数字金属探测器有所帮助。

摘要：随着科学技术的发展, 数字金属探测器的使用越来越广泛, 技术也越来越先进, 出现了很多手持式的数字金属探测器。文章探讨了金属探测器中的重要装置-检测装置和手持式金属探测器中的涡流传感装置。

关键词：数字,金属探测器,手持

参考文献

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[3]周学才, 李传芳.一种新型高稳定度金属探测及保护系统[J].电测与仪表.1997 (04) [3]周学才, 李传芳.一种新型高稳定度金属探测及保护系统[J].电测与仪表.1997 (04)

[4]陈娟.数字式金属探测器的研究[D].南昌大学.2007:68~84.[4]陈娟.数字式金属探测器的研究[D].南昌大学.2007:68~84.

[5]Sadao Yamazaki, , Hiroshi Nakane, Akio Tanaka.Basic Analysis of a Metal Detector.IEEE Transactions on Instrumentation and Measure-ment.2002[5]Sadao Yamazaki, , Hiroshi Nakane, Akio Tanaka.Basic Analysis of a Metal Detector.IEEE Transactions on Instrumentation and Measure-ment.2002

浅谈水下探测设备用金属铠装缆 第8篇

金属铠装缆是水下探测系统的关键组成部分, 广泛应用于遥控机器人 (ROV, Remotely Operated Vehicle) 、拖体、潜标、温盐深探测仪 (CTD, C、T、D分别代表盐度、温度和深度) 、水下取样设备、海底资源综合探测及其他水下作业装备和系统中, 属于动态线缆范畴, 具有电力传输、光纤通信、铜缆通信、遥控指令传输、视频影像传输、探测设备收放等综合功能, 具备较高的拉伸强度, 灵活的弯曲特性, 优良的耐腐蚀、耐磨损和耐受反复收放等特点。金属铠装缆属于工程定制产品, 市场总体需求量不大, 并且金属铠装缆技术水平高, 集成度高, 制造装备和制造难度大, 难以形成标准化、批量化生产。长期以来, 我国无论是新上探测设备的配套缆, 还是其运行和维护用缆, 基本依赖进口。我国研制单位少, 配套技术水平低, 对金属铠装缆的设计、分析、制造、检测、海试等关键技术研究尚属空白, 在一定程度上也制约了我国海洋技术水平的发展。

1 国内外技术现状

作为水下探测设备与母船的连接件, 经历了几十年的技术发展, 金属铠装缆的关键技术已经较为成熟, 但均掌握在国外公司手中。国外制造商, 如Nexans、Rochester、JDR、MacArtney、Cortland、Storm等公司已经建立了完善的金属铠装缆设计、分析、制造和检测技术理论, 能够制造满足不同使用要求和不同工作水深的金属铠装缆产品, 图1示出了国外公司一些典型金属铠装缆的结构。目前, 具有丰富的实际工程应用经验的国外公司生产的金属铠装缆最大的应用深度已达到10km, 我国“大洋一号”科考船装备的“海龙号”ROV系统、“海洋六号”综合调查船装备的“海狮号”ROV系统均使用了进口金属铠装缆, 其在我国海洋科考中发挥着重要作用。

我国在金属铠装缆的研究、设计、制造和检测技术领域与国际先进水平还存在较大的差距。据调研和有关报道, 虽然我国有少数企业可以提供金属铠装缆, 但适用水深一般不超过500m, 且生产的金属铠装缆的水密性能不高, 尚未完全掌握金属铠装缆的关键技术, 适用于深海的金属铠装缆的设计、制造和检测技术领域几乎为空白, 我国用于水深超过500m的金属铠装缆全部依赖进口。

2 使用要求

金属铠装缆在工程系统使用中主要应满足以下要求:a.水下探测设备在安全工作载荷下的供电、通信等功能需求;b.在安全工作状态下的动态弯曲 (如经过滑轮、导缆孔、绞车、运动补偿器等所产生的弯曲) 要求;c.海洋环境中的耐腐蚀性, 以满足金属铠装缆在海洋环境中的长期使用寿命;d.保证扭矩平衡, 采用多层钢丝扭矩平衡设计, 通过钢丝预成型技术和金属铠装缆预拉伸工艺技术, 最大限度消除金属铠装缆的残余应力和扭矩偏差;e.当水下探测设备作业完成后, 金属铠装缆被绞车收起时, 绞车上的金属铠装缆因拉伸而承受了很大的侧压力, 应确保金属铠装缆的铠装元件和其他元件在承受侧压力时所产生的变形在可承受范围内, 以保证金属铠装缆的可靠性和使用寿命。

3 结构设计[1,2,3]

金属铠装缆的使用条件决定了其属于动态缆, 而不是常规的静态缆, 因此其在设计和使用等方面有着一定的独特性。在金属铠装缆结构设计时, 应针对金属铠装缆中不同构件的材料特性和结构特性以及应用系统中的水动力学特性, 建立相应的力学模型, 采用有限元数值分析的方法对不同载荷工况下金属铠装缆的安全工作载荷、最小弯曲半径等进行力学分析和研究。通过力学分析和研究, 获取理论数据和参数, 同时还应通过对金属铠装缆的电气性能、光传输性能、机械物理性能、环境性能和水密性能等分析、设计计算和综合性能研究, 最终完成结构设计, 以满足金属铠装缆的工程系统使用功能要求。

金属铠装缆的结构和截面设计最为关键的是综合考虑和合理匹配金属铠装缆中供电单元、铜缆通信单元、光纤单元、铠装、护套等各组成部分。在金属铠装缆的供电单元结构设计时, 应先根据水下探测设备的供电需求, 如单相工作电压、三相工作电压、供电功率等参数计算导体的额定电流, 再通过导体的额定电流计算导体的直流电阻, 从而选择适当截面积的导体。单根导体的额定电流I的计算公式为:

式中Δθ为高于环境温度的导体温升, R为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻, Wd为导体绝缘单位长度的介质损耗, T1为单根导体和金属套之间单位长度热阻, T2为金属套和铠装之间内衬层单位长度热阻, T3为电缆外护层单位长度热阻, T4为电缆表面和周围介质之间单位长度热阻, n为电缆中载有负荷的导体数, λ1为电缆金属套损耗相对于所有导体总损耗的比率, λ2为电缆铠装损耗相对于所有导体总损耗的比率。

单位长度电缆导体直流电阻R′的计算公式为:

式中YS为集肤效应因数, YP为邻近效应因数。

在金属铠装缆的光纤单元结构设计时, 应根据水下探测设备的通信要求 (即对光纤衰减的要求) 选择光纤类型、光纤芯数等, 同时还应综合考虑光纤单元外径、光纤单元最小弯曲半径、光纤余长以及不锈钢束管的厚度等参数。

在金属铠装缆的钢丝铠装结构设计时, 应特别注意其断裂拉伸强度和扭矩平衡的计算。内外层铠装钢丝是主要承力元件, 承担了金属铠装缆主要的拉伸强度, 其他元件承担的拉伸强度很小可忽略。铠装钢丝的断裂拉伸强度P的计算公式为:

式中Ni, No分别为内外铠装层承力元件的根数;di, do分别为内外铠装层承力元件的直径;Si, So分别为内外铠装层承力元件的抗拉强度;θi, θo分别为内、外铠装层承力元件的绞合角度。

扭矩平衡系数RT的计算公式为:

式中Di, Do分别为内、外铠装层节圆直径。

4 材料选择和制造工艺

在金属铠装缆的材料选择中, 尤以纵向水密材料的选择最为关键。在线芯元件成缆过程中, 需要将水密材料填入线芯元件的间隙中, 这样既起到了空间占位的作用, 又起到了阻水、阻油的效果。纵向水密材料的选择和填充将直接影响缆芯的紧凑程度、水密性能等。在金属铠装缆的制造工艺中尤以预拉伸工艺最为关键。为保证绞合钢丝的稳定性, 进一步消除铠装钢丝的内应力, 还需对金属铠装缆进行预拉伸。预拉伸的强度应根据铠装缆的断裂强度, 按照一定比例进行, 在最大程度上消除铠装钢丝的残余应力和绞合应力, 从而保证铠装钢丝服帖, 不松散。

5 性能检测试验

由于金属铠装缆结构复杂, 产品功能集供电单元、铜缆通信单元、光纤单元于一体, 涵盖了不同轴向张力和角度, 同时使用环境和海上条件也很复杂, 因此相关金属铠装缆产品的检测较为复杂, 必须从光、机、电、环境等各方面加以综合考量。虽然大部分试验可以借助于现有电线电缆常用的光、机、电检测装置和检测系统, 但部分涉及深水或海洋特殊环境、动态张力工况的性能, 需要开发合适的检测系统。在金属铠装缆的检测试验中尤以张力卷绕试验、张力疲劳试验和振动疲劳试验最为关键。

张力卷绕试验主要用于测定金属铠装缆在安全工作载荷情况下的反复收放使用的能力。在张力卷绕试验时, 将一定长度的金属铠装缆试样放在张力卷绕试验装置上, 两端固定并连接测量仪器, 逐步加载至张力轮之间的金属铠装缆承受设计负荷, 启动卷绕装置, 按照规定的卷绕速度, 循环卷绕规定次数, 并同步记录各组成元件的监测数据, 试验结束后应进行相关耐电压试验。

张力疲劳试验主要用于测定金属铠装缆在正常使用状态下可承受由于母船受海洋波浪环境影响而产生负荷突变的能力。在张力疲劳试验时, 将一定长度的金属铠装缆试样放在张力疲劳试验装置上, 两端固定并连接测量仪器, 逐步加载至金属铠装缆起始负荷, 启动试验装置, 按照规定的张力增加速度, 增加至规定的负荷, 然后再降低至起始负荷, 如此循环反复规定次数, 并同步记录各组成元件的监测数据, 试验结束后应进行相关耐电压试验。

振动疲劳试验主要用于测定金属铠装缆在正常使用状态下可承受海洋波浪涡激振动的能力。在振动疲劳试验时, 将一定长度的金属铠装缆试样放在振动疲劳试验装置上, 设定振动频率和振动次数后开始试验, 期间按要求时间间隔监测金属铠装缆各组成元件数据, 试验结束后应进行相关耐电压试验。

6 结束语

本文主要对金属铠装缆的结构设计、材料选择、制造工艺、性能检测试验等关键技术进行简要分析, 希望为我国金属铠装缆的研制提供一定的参考。面对我国在深海金属铠装缆设计、制造和检测技术领域的空白, 江苏中天科技股份有限公司将通过承担的“十二五”国家高技术研究发展计划 (863计划) “深海ROV、拖体等设备用铠装缆技术”课题研制过程, 突破金属铠装缆的关键技术和制造工艺, 形成金属铠装缆设计、制造和检测能力, 以及专业技术人才队伍的储备, 填补空白, 以期打破国外的技术垄断, 实现和满足金属铠装缆主要由我国配套供应, 替代进口, 有效降低采购成本, 并为其它应用场合的金属铠装缆提供基础研制条件, 为我国海洋技术领域的发展提供有力的保障。

摘要：金属铠装缆广泛应用于遥控机器人 (ROV) 、拖体、潜标、温盐深探测仪 (CTD) 、水下取样设备、海底资源综合探测及其他水下作业装备和系统中, 属于动态线缆范畴, 具有电力传输、光纤通信、铜缆通信、遥控指令传输、视频影像传输、探测设备收放承载等综合功能, 具备较高的拉伸强度, 灵活的弯曲特性, 优良的耐腐蚀、耐磨损和耐反复收放等特点。由于金属铠装缆技术难度高、制造装备要求高, 因此我国研制单位少, 配套技术水平低。结合“十二五”863计划课题的研制, 主要对金属铠装缆的结构设计、材料选择、制造工艺、性能检测试验等关键技术进行简要分析。

关键词：金属铠装缆,水下探测设备,扭矩平衡

参考文献