一种高灵敏度金属探测器的研究

摘要

金属探测器（metal detector）在现代社会生活中的应用越来越广泛。与此同时，对它功能上的提高和完善正受到客户的广泛关注。本文以电缆绝缘料（直径为4mm左右的塑料小颗粒）中混有的金属杂质为研究对象，基于涡流传感器的特性设计了一个应用在电缆料传送带上的金属探测器。 本文在分析涡流传感器灵敏度影响因素的基础上，提出了应用Mn-Zn铁氧体作为金属探测器探测磁芯的材料。并应用ANSYS有限元分析软件分别仿真、计算了单个大磁极、单侧阵列式磁极和对称阵列式磁极探测磁芯的磁力线、磁感应强度值、磁通量、电感以及杂质的损耗。通过计算结果，分析了各种磁芯的优缺点，设计了探测磁芯的结构，确定了激励电源的频率。 在单个大磁极探测磁芯中，涡流磁场对激励磁场的影响很小，探测灵敏度很低；单侧阵列式磁极探测磁芯虽然改善了单个大磁极探测磁芯存在的问题，但是在探测区域内提离效应的影响过于明显，探测器的灵敏度会因此而降低；对称阵列式磁极系统作为探测磁芯时可以将提离效应显著降低。经过ANSYS软件的分析计算后发现，对于本文所研究的问题，当探测磁极问的距离为3mm时探测区域中部同一水平线上的磁感应强度值基本相同；当激励频率为1MHz以上时，金属铁杂质的能耗相对于频率的增加变化缓慢。因此本文最终选用对称阵列式磁极系统作为探测器的磁芯，探测磁极的间距设置为3mm，激励电源频率设置为1MHz。 本文还设计了一个高频探测电路。探测电路包括振荡电路、信号放大电路、谐振电路、峰值检波电路、电压比较电路和声光报警电路等几部分。当探测区域内存在杂质时，电压比较器输出5V电压，驱动后续电路发出声光报警。最后通过试验证实，涡流对振荡线圈输出电压相位的影响完全可以通过示波器进行观察；在只考虑幅值变化的情况下，本文设计的探测器能准确探测出直径1mm的铁球和直径2.5mm的铜球，在考虑相位的情况下，灵敏度必然会更高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1前言

1.2金属探测器的发展历史与前景

1.2.1金属探测器的发展历史

1.2.2金属探测器的发展方向

1.2.3国内金属探测器发展状况

1.3研究金属探测器的目的和意义

第2章涡流传感器的原理与设计

2.1涡流检测的发展史

2.2涡流传感器工作原理

2.2.1涡流传感器工作原理

2.2.2涡流传感器特性分析

2.3金属探测器的设计方案

2.4金属探测器的设计

2.4.1涡流及涡流损耗

2.4.2影响灵敏度的因素

2.4.3金属探测器磁路设计方案

2.5本章小结

第3章探测磁头的设计

3.1有限元方法及其分析软件

3.1.1有限元分析方法

3.1.2电磁场边值问题的有限元法

3.1.3 ANSYS软件

3.2单个大磁极的仿真计算

3.2.1计算步骤及参数设置

3.2.2计算结果及分析

3.2.3结果比较

3.3单侧阵列式磁极系统的设计

3.3.1模型及参数设置

3.3.2计算结果与分析

3.3.3结果比较

3.4对称阵列式磁极系统的设计

3.4.1模型及参数设置

3.4.2计算结果及分析

3.4.3结果比较

3.5本章小结

第4章探测磁头的优化设计

4.1激励频率的选择

4.1.1膝点频率的计算

4.1.2频率对相位的影响

4.1.3频率的选择

4.2提离高度的影响

4.2.1单侧阵列式磁极系统的提离效应

4.2.2对称阵列式磁极系统的提离效应

4.3磁极间距的选择

4.4本章小结

第5章实验与结论

5.1实验电路的设计

5.1.1振荡电路的设计

5.1.2放大电路的设计

5.2实验结果

5.2.1相位变化的检测

5.2.2峰值变化的检测

5.3本章小结

结论

参考文献