專(zhuān)利名稱(chēng)：金屬探測(cè)器及其傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種金屬探測(cè)器及其傳感器，尤其涉及一種用于探測(cè)墻體內(nèi) 掩埋的金屬被測(cè)物(如銅管、鐵管)的探測(cè)器，及該探測(cè)器中的傳感器。
背景技術(shù)：
圖1和圖2a-c示出了現(xiàn)有的用于探測(cè)墻體內(nèi)掩埋的金屬物體的探測(cè)器。 圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的金屬探測(cè)器的示意圖。該傳感器為一繞有線圈的磁棒， 激勵(lì)電路在微處理器的控制下發(fā)出激勵(lì)脈沖，激勵(lì)脈沖通過(guò)電感L1、 L2的耦合在 L2、 C中形成衰減振蕩器。如果有金屬物體靠近，則由于渦流損耗，振蕩器會(huì)衰減 得更快些，測(cè)量電路會(huì)有相應(yīng)的信號(hào)輸入微處理器。微處理器計(jì)算出金屬物體離傳 感器的距離，通過(guò)顯示器以發(fā)光二極管指示的形式顯示出來(lái)。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成 本低，但測(cè)銅管靈敏度低。圖2a是另一現(xiàn)有技術(shù)的金屬探測(cè)器的傳感器的剖視圖，圖2b是其俯視圖。 圖2c是該金屬探測(cè)器的結(jié)構(gòu)框圖。如圖所示，該傳感器共有3組線圈，L2、 L3為 刻制在印制板上的線圈(作為副邊)，L1為用漆包線繞的線圈(作為原邊)。在微 處理器控制下，激勵(lì)電路向傳感器發(fā)出激勵(lì)方波，并在L1、 C中形成正弦波，由于 L1和L2、 L3有電磁耦合關(guān)系，于是在L2、 L3中形成兩個(gè)大小相等、相位相反的 信號(hào)。平衡控制電路通過(guò)改變線圈L3中部分線段的連接關(guān)系，以使這兩個(gè)信號(hào)能 充分抵消。當(dāng)有金屬物體靠近時(shí)，L2、 L3的信號(hào)不能再完全抵消(不為零)，測(cè) 量電路測(cè)到該信號(hào)，由微處理器計(jì)算其對(duì)應(yīng)的距離參數(shù)，并在顯示器上以液晶條形 式顯示出來(lái)。該方案測(cè)鐵，測(cè)銅靈敏度高，但平衡控制復(fù)雜，銅、鐵區(qū)別誤報(bào)率太 高。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的一個(gè)目的是提供一種顯著提高測(cè)量精度和靈敏度的金屬探測(cè)器。 本實(shí)用新型的另一目的是提供一種能清楚地區(qū)分諸如銅、鐵等金屬的金屬探測(cè)器。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種用于金屬探測(cè)器的傳感器，它由以相 互包圍的關(guān)系布置的第一、第二、第三電感線圈及電容構(gòu)成。第一電感線圈是用漆 包線繞的線圈并與電容組成一諧振選頻電路，且該第一電感線圈固定于印刷電路板 上。第三電感線圈是直接刻制于印刷電路板上的線圈并位于最外圈。此外，第二電 感線圈也是用漆包線繞的線圈，并可在與印刷電路板的平面垂直的方向上移動(dòng)。通 過(guò)該第二電感線圈的軸向移動(dòng)可顯著提升測(cè)量精度。此外，第二、第一和第三電感 線圈按此順序由內(nèi)向外地同心布置。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種金屬探測(cè)器，它包括上述傳感器，向傳 感器施加激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)源，接收傳感器的輸出信號(hào)的濾波和放大電路，接收濾波 和放大電路的輸出信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，接收濾波和放大電路的輸出信號(hào)的相位檢測(cè) 器，接收數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、相位檢測(cè)模塊和激勵(lì)源的輸出信號(hào)的微處理器控制單元， 該微處理器控制單元根據(jù)來(lái)自激勵(lì)源的信號(hào)和來(lái)自傳感器的差分輸出信號(hào)之間的 相位關(guān)系來(lái)區(qū)分非磁性材料和磁性材料，并根據(jù)來(lái)自傳感器的差分輸出信號(hào)的幅值 計(jì)算被測(cè)金屬物體的距離遠(yuǎn)近，以及接收微處理器控制單元的輸出信號(hào)的顯示器。 其中，濾波和放大電路包括運(yùn)算放大器。本實(shí)用新型的測(cè)量方法可以用來(lái)定位存在于其他物體里面，不可見(jiàn)的金屬物體。 例如，墻體或者地板里面的銅管或者鐵管。可以做成手持的、便攜式探測(cè)器等等。 綜上所述，本實(shí)用新型的特點(diǎn)是第一，差分變壓器的一組線圈直接在印刷 板上刻制的而成，線圈直徑大，以提高檢測(cè)靈敏度。第二，使用兩組繞線式線圈， 且兩者軸向位置可調(diào)，以方便調(diào)節(jié)差分變壓器零點(diǎn)輸出電壓。第三，采用比較驅(qū)動(dòng) 信號(hào)與被測(cè)信號(hào)之間相位關(guān)系的方法判別被測(cè)金屬是銅質(zhì)(非磁性材料)還是鐵質(zhì) (磁性材料)，判斷正確，其誤判率幾為零。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明以上的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都是示例性和說(shuō)明性 的，并且旨在為如權(quán)利要求所述的本發(fā)明提供進(jìn)一步的解釋。


包括附圖是為提供對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的理解，它們被收錄并構(gòu)成本申請(qǐng)的一部 分，附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并與本說(shuō)明書(shū)一起起到解釋本發(fā)明原理的作用。 附圖中
圖1是一種現(xiàn)有技術(shù)的金屬探測(cè)器的示意圖。圖2a是另一現(xiàn)有技術(shù)的金屬探測(cè)器的傳感器的剖視圖。圖2b是圖2a所示傳感器的俯視圖。圖2c是上述另一現(xiàn)有技術(shù)的金屬探測(cè)器的結(jié)構(gòu)框圖。圖3示出了本實(shí)用新型的金屬探測(cè)器中的傳感器。圖4是本實(shí)用新型的金屬探測(cè)器的結(jié)構(gòu)框圖。圖5是本實(shí)用新型的金屬探測(cè)器的基本步驟的流程圖。
具體實(shí)施方式
對(duì)于本實(shí)用新型的金屬探測(cè)器，由微處理器產(chǎn)生的激勵(lì)源信號(hào)經(jīng)過(guò)高精度的 電容和電感器件濾波處理之后，產(chǎn)生電磁場(chǎng)。本實(shí)用新型用這個(gè)電磁場(chǎng)來(lái)判斷金屬 物體的遠(yuǎn)近。當(dāng)有不同的金屬物體靠近時(shí)，會(huì)有不同的變化。磁性材料，如鐵，由 于其磁導(dǎo)性高于渦流的影響，起加強(qiáng)其場(chǎng)強(qiáng)的作用；相反，非磁性材料，如銅，其 渦流作用大于磁導(dǎo)作用，起減弱附近場(chǎng)強(qiáng)的作用。本實(shí)用新型通過(guò)一種新型的感應(yīng) 線圈做為傳感器來(lái)檢測(cè)由不同金屬物質(zhì)引起的磁場(chǎng)不同的變化。本申請(qǐng)針對(duì)上述的信號(hào)測(cè)量提出一種實(shí)用可行的新方法。通常來(lái)講，如果信 號(hào)的變化量和信號(hào)基數(shù)的比例越大，其靈敏度就越高。本實(shí)用新型很好地解決了圖 l所示的現(xiàn)行探測(cè)器靈敏度不高的問(wèn)題。本方案采用的是差動(dòng)變壓器的原理，通過(guò) 差分測(cè)量方法來(lái)檢測(cè)微小信號(hào)的變化。其表現(xiàn)為，在無(wú)金屬物質(zhì)無(wú)靠近時(shí)，由于差 分線圈的輸出被調(diào)節(jié)到很小，僅有一點(diǎn)零點(diǎn)殘余電壓，基礎(chǔ)信號(hào)很小。當(dāng)金屬物質(zhì) 靠近時(shí)，即使對(duì)電磁場(chǎng)的影響很小，由于基礎(chǔ)信號(hào)很小，變化量和基礎(chǔ)信號(hào)的比例 仍然比較的大，靈敏度因此提高，能夠探測(cè)到更遠(yuǎn)距離的金屬物質(zhì)。在本實(shí)用新型中，對(duì)物體遠(yuǎn)近距離的檢測(cè)是基于物體位置的遠(yuǎn)近對(duì)電磁場(chǎng)改 變的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。磁性金屬材料在靠近激勵(lì)源信號(hào)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)時(shí)，引起磁場(chǎng)增 強(qiáng)，會(huì)使感應(yīng)線圈感應(yīng)電壓增大，但由于兩組線圈的空間位置不同，所引起的變化 量不一樣，最終差分輸出必然會(huì)改變。可以通過(guò)初始的調(diào)節(jié)使磁性金屬材料靠近時(shí)， 差分輸出增大。同理，在非磁性金屬材料靠近時(shí)，感應(yīng)線圈感應(yīng)電壓減小，差分輸 出也會(huì)改變。差分輸出對(duì)不同金屬材料的不同改變，是作為判斷金屬物體距離遠(yuǎn)近， 以及材料的依據(jù)。差分輸出的幅值作為物體遠(yuǎn)近的判據(jù)；差分輸出信號(hào)和源激勵(lì)信 號(hào)的相位關(guān)系可作為磁性和非磁性材料判斷的依據(jù)。本實(shí)用新型的磁性和非磁性材料判決算法基于差分輸出信號(hào)和源激勵(lì)信號(hào)的
相位關(guān)系。通過(guò)比較源激勵(lì)信號(hào)和差分輸出信號(hào)對(duì)于磁性和非磁性材料顯著不同的 相位差別，可以很準(zhǔn)確的判斷出磁性和非磁性材，從而能分辨出鐵與銅。 現(xiàn)在將詳細(xì)參考附圖描述本實(shí)用新型的實(shí)施例。如圖3所示，本實(shí)用新型的金屬探測(cè)器中的傳感器。該傳感器是差分變壓器， 其零點(diǎn)殘余電壓的調(diào)節(jié)至關(guān)重要。如前文所述，零點(diǎn)殘余電壓越小，差分變壓器輸出基礎(chǔ)信號(hào)就越小，對(duì)金屬感應(yīng)的靈敏度就越高。在本實(shí)施例中，將電感線圈13 直接刻制于印刷電路板上，呈螺旋狀，如圖3所示。另一電感線圈12用漆包線繞 制，原邊激勵(lì)信號(hào)的電感線圈11也同樣用漆包線繞制并與電容器14組成一諧振選 頻電路。本實(shí)施例中，電容14采用高精密度電容。上述三個(gè)線圈同心地設(shè)置，其 中線圈13位于外圈，線圈12處于內(nèi)圈，線圈ll于中間。電感線圈ll固定在印刷 電路板上，線圈12可以沿線圈11的軸向(即與電路板平面垂直的方向)移動(dòng)，以 此來(lái)調(diào)節(jié)零點(diǎn)殘余電壓。調(diào)節(jié)零點(diǎn)殘余電壓就是通過(guò)調(diào)節(jié)線圈12和13感應(yīng)的電壓 的大小的差值來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩者越接近，零點(diǎn)殘余電壓越小。這種調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點(diǎn)在于 可以連續(xù)的調(diào)節(jié)線圈11和12的軸向相對(duì)位置，也就是改變線圈12的感應(yīng)電壓， 使其接近線圈11的感應(yīng)電壓，因此可以達(dá)到比較小的零點(diǎn)殘余電壓。在上述實(shí)施例中，由電感線圈11和電容14組成的諧振選頻電路可以對(duì)方波 進(jìn)行濾波，得到正弦波激勵(lì)信號(hào)，其頻率可以由L與C的值決定，具體值由下面公 式?jīng)Q定。<formula>formula see original document page 7</formula>方波的發(fā)生是通過(guò)微處理器來(lái)控制PWM控制器作為激勵(lì)源27 (參考圖4)來(lái) 產(chǎn)生固定的方波信號(hào)，方波信號(hào)的頻率為f，這樣波形的諧波主要以基波f為主， 其他頻率諧波較少，完全可以通過(guò)電感11和電容14濾掉。激勵(lì)源信號(hào)f的選取不宜過(guò)低，否則容易和市電產(chǎn)生的電磁波串?dāng)_；同理f不宜過(guò)高，否則會(huì)容易被其他 電力電子裝置干擾，如開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)噪聲的干擾，適當(dāng)?shù)念l率在3 10KHz。最 終的頻率由電感11和電容14選頻器的通過(guò)頻率決定。這個(gè)選頻電路產(chǎn)生正弦波的 電磁場(chǎng)會(huì)以上述選定的頻率向四周擴(kuò)散，圖3中的電感12和13必然會(huì)受到感應(yīng)， 從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如前面所述，電感線圈12和13組成差動(dòng)變壓器，其輸出電 壓為電感12和電感13的電壓之差，其差值UO被稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓。表達(dá)式可以 表示如下
由圖1中電感11, 12以及13的空間位置分布可以得知，當(dāng)有金屬物靠近時(shí)，激勵(lì) 電感l(wèi)l的電壓不會(huì)太大的改變，因?yàn)樗羌?lì)源，它的信號(hào)幅度以及頻率是受微 處理器以及電感11和電容14控制的。電感13的感應(yīng)電壓會(huì)受到較大的影響，因 為其直徑大，穿過(guò)它的磁力線分布在空間的范圍大，易受到干擾，所以感應(yīng)電壓變 化比較大；而和它同為差動(dòng)變壓器組成部分的另一個(gè)電感線圈12受到的干擾會(huì)比 較的少，因?yàn)橥瑯拥牡览恚浒霃叫?，位置位于激?lì)電感l(wèi)l的內(nèi)部，受到的千擾 比較少。注意，U12變化的方向和U13的變化方向一致，即U12變大，U13變大； U12變小，U13變小。依據(jù)這個(gè)，UO的變化AU就會(huì)比較大，因?yàn)橐粋€(gè)變化的大， 一個(gè)變化的小，其差值必然比較大。變化率r可用下面的表達(dá)式來(lái)說(shuō)明我們知道金屬物質(zhì)位置同等的條件下，AU越大，r就越大，這就提高了傳感 器的靈敏度。上述的本實(shí)用新型的方法解決了增大AU的問(wèn)題。同樣，零點(diǎn)殘余電壓UO也可以減小，來(lái)提高變化率r。如圖3和圖4中所示， 電感13是直接刻制在印刷電路板上的螺旋線圈，它和電感11 一樣都是固定在印刷 電路板上，空間相對(duì)位置是確定，電感13的感應(yīng)電壓是確定的。而電感12的軸向 位置是可以移動(dòng)的，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電感12和電感11的軸向位置來(lái)調(diào)節(jié)電感12的 感應(yīng)電壓。軸向位置的改變與電感12的感應(yīng)電壓關(guān)系是非線性的但是連續(xù)的，因 此可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)電感12的位置，最終的結(jié)果是差動(dòng)變壓器的輸出零 點(diǎn)殘余電壓UO非常的小，可以在很小變化的情況下，有很大的變化率r，傳感器 靈敏度進(jìn)一步得到提高。本實(shí)用新型對(duì)所述的差分變壓器輸出的信號(hào)用高靈敏度放大器組成的測(cè)量電 路進(jìn)行放大后送入微處理器微處理器進(jìn)行計(jì)算處理后產(chǎn)生顯示信號(hào)，并在所述的顯 示器上顯示金屬物體離開(kāi)傳感器的距離。而鐵質(zhì)、銅質(zhì)的判決則由所述的磁性和非 磁性材料判決算法計(jì)算后，同樣也在所述的顯示器上顯示出來(lái)。如上所述，在得到一個(gè)高靈敏度的傳感器之后，需要對(duì)傳感器前端信號(hào)做處 理。圖4是本實(shí)用新型的金屬探測(cè)器的結(jié)構(gòu)框圖。如圖4所示，傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò) 濾波和放大電路22的濾波處理和放大處理。這里的處理和放大方式有很多種，低 通或者帶通濾波器是必要的，由于信號(hào)比較小，信號(hào)含有的高次諧波噪聲會(huì)比較多， 可以用高品質(zhì)因素的濾波器進(jìn)行較好的濾波，同時(shí)選用增益帶寬大的運(yùn)算放大器對(duì) 信號(hào)進(jìn)行放大處理，最后取得所需的信號(hào)。隨后，信號(hào)進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器25，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。在處理之前，需要在不存金 屬的空氣中進(jìn)行預(yù)設(shè)定，此時(shí)測(cè)量的信號(hào)為零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的信號(hào)，即沒(méi)有任何
金屬在附近的情況下信號(hào)值。這個(gè)信號(hào)值被數(shù)模轉(zhuǎn)換器25測(cè)量，存儲(chǔ)在非易失性 存儲(chǔ)器中作為測(cè)量的基準(zhǔn)值，這個(gè)操作只要做一次即可，比如，在產(chǎn)品出廠前設(shè)定。 當(dāng)金屬物體靠近時(shí)，濾波和放大電路22輸出的信號(hào)值必然改變，在基準(zhǔn)值基礎(chǔ)上的改變量的大小和物體的遠(yuǎn)近有關(guān)，通過(guò)計(jì)算該改變量的大小，就可以判斷出物體 的遠(yuǎn)近程度。相位檢測(cè)器23是判斷磁性與非磁性材料的依據(jù)，對(duì)傳感器的信號(hào)和源激勵(lì)信號(hào)的差別進(jìn)行判斷從而得出被測(cè)物測(cè)材質(zhì)是鐵質(zhì)(磁性材料)還是非鐵質(zhì) (非磁性材料)。上述判斷和計(jì)算由微處理器控制單元(MCU) 26進(jìn)行。最后的結(jié) 果通過(guò)該MCU26處理之后，在液晶顯示器24上顯示。顯示方式可以是通過(guò)條形圖 形的多少表示物體的遠(yuǎn)近，通過(guò)特定的符號(hào)圖形，表示物體的材質(zhì)。當(dāng)然，本實(shí)用 新型的具體實(shí)現(xiàn)并不限于此。例如，顯示器24可以是LED顯示，且顯示方式也可 以是任何能清楚表明物體遠(yuǎn)近距離和材質(zhì)的形式。圖5對(duì)本實(shí)用新型的工作流程做了更詳細(xì)的描述，步驟31是開(kāi)/關(guān)電源的步 驟，如果作為手持式產(chǎn)品， 一般用干電池供電，比如，9V的干電池。需要先進(jìn)行 步驟32以檢查電池的狀態(tài)，如其電壓值、溫度以及內(nèi)阻的檢査。如果電池能夠使 用，則此時(shí)可以進(jìn)行探測(cè)。步驟33是測(cè)量傳感器的信號(hào)，進(jìn)而在步驟34處判斷信 號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)計(jì)算物體的遠(yuǎn)近，下一步驟35是基于相位的判斷，判斷出被測(cè)金 屬是磁性的還是非磁性的。最后在步驟36中顯示出上述判斷的結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員可顯見(jiàn)，可對(duì)本實(shí)用新型的上述示例性實(shí)施例進(jìn)行各種修改 和變型而不偏離本實(shí)用新型的精神和范圍。因此，旨在使本實(shí)用新型覆蓋落在所附 權(quán)利要求書(shū)及其等效技術(shù)方案范圍內(nèi)的對(duì)本實(shí)用新型的修改和變型。
權(quán)利要求1.一種用于金屬探測(cè)器的傳感器，由以相互包圍的關(guān)系布置的第 、第二、第三電感線圈及電容構(gòu)成，所述第一電感線圈是用漆包線繞的線圈并與所述電容組成一諧振選頻電路，所述第一電感線圈固定于印刷電路板上，所述第三電感線圈是直接刻制于印刷電路板上的線圈并位于最外圈，其特征在于，所述第二電感線圈也是用漆包線繞的線圈，并可在與所述印刷電路板的平面垂直的方向上移動(dòng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于金屬探測(cè)器的傳感器，其特征在于，所述第二、第一和第三電感線圈按此順序由內(nèi)向外地布置。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于金屬探測(cè)器的傳感器，其特征在于，所述第一、第 二、第三電感線圈是同心的。
4. 一種金屬探測(cè)器，其特征在于，包括傳感器，由以相互包圍的關(guān)系布置的第一、第二、第三電感線圈及電容構(gòu)成， 所述第一電感線圈是用漆包線繞的線圈并與所述電容組成一諧振選頻電路，所述第 一電感線圏固定于印刷電路板上，所述第三電感線圈是直接刻制于印刷電路板上的 線圈并位于最外圈，所述第二電感線圈也是用漆包線繞的線圈，并可在與所述印刷電路板的平面垂直的方向上移動(dòng)；激勵(lì)源，向所述傳感器施加激勵(lì)信號(hào)， 濾波和放大電路，接收所述傳感器的輸出信號(hào)， 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，接收所述濾波和放大電路的輸出信號(hào)， 相位檢測(cè)器，接收所述濾波和放大電路的輸出信號(hào)，微處理器控制單元，接收所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、所述相位檢測(cè)模塊和所述激勵(lì)源 的輸出信號(hào)，該微處理器控制單元根據(jù)來(lái)自所述激勵(lì)源的信號(hào)和來(lái)自所述傳感器的 差分輸出信號(hào)之間的相位關(guān)系來(lái)區(qū)分非磁性材料和磁性材料，并根據(jù)來(lái)自所述傳感 器的差分輸出信號(hào)的幅值計(jì)算被測(cè)金屬物體的距離遠(yuǎn)近，顯示器，接收所述微處理器控制單元的輸出信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求4所述的金屬探測(cè)器，其特征在于，所述濾波和放大電路包括運(yùn) 算放大器。
6. 如權(quán)利要求4所述的金屬探測(cè)器，其特征在于，所述第二、第一和第三電感 線圈按此順序由內(nèi)向外地布置。
7.如權(quán)利要求4所述的金屬探測(cè)器，其特征在于，所述第一、第二、第三電感 線圈是同心的。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種用于金屬探測(cè)器的傳感器，它包括由以相互包圍的關(guān)系布置的第一、第二、第三電感線圈及電容構(gòu)成。第一電感線圈是用漆包線繞的線圈并與電容組成一諧振選頻電路。此外，第一電感線圈固定于印刷電路板上。第三電感線圈是直接刻制于印刷電路板上的線圈并位于最外圈。此外，第二電感線圈也是用漆包線繞的線圈，并可在與印刷電路板的平面垂直的方向上移動(dòng)。此外，還提供了一種使用上述傳感器的金屬探測(cè)器。本實(shí)用新型能提高測(cè)量的靈敏度并能有效地分辨磁性和非磁性材料。
文檔編號(hào)G01V3/08GK201035156SQ20072006885
公開(kāi)日2008年3月12日 申請(qǐng)日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月10日
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