广西大学本科毕业设计 飞机场安检系统
一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流属靠近线圈时，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。
通过以上分析可知，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。对于非铁磁性的金属[包括抗磁体(如：金、银、铜、铅、锌等)和顺磁体(如锰、铬、钦等)] ?r?1，?较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属(如：铁、钻、镍) ?r很大，?也较大，可认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。
正是基于这样的理论，可以寻找一种适合的传感器来感应线圈的磁场变化，并把磁场信号的变化转变成电信号的变化，从而实现单片机的控制。正是本着这样一个设计思路来构建系统的硬件电路。
2.2.2 基本检测电路及其原理
目前，国内感应式金属探测器根据基木原理和检测线路的不同，大致可分为差拍式、自激感应式。而在国外的探测设备中采用更多的是平衡式，而且平衡式的结构更稳定可靠，性能更佳，能更好的结合现有的先进的控制技术。
(1) 差拍式检测电路
探 测 线 圈探测振荡器f1输混 频 器放 大 器滤 波 器 出探测振荡器f2图2-1 差拍式检测框图
检测电路如图2-1所示，其中它包括了两个振荡器频率，经过混频器对
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频率进行处理后，得到(f1?f2)和(f2?f1)，再经过高频滤波器滤波得到需要的差频信号，经放大器放大直接送给输出电路。
探测振荡器的振荡频率f1: f1?12?LC
从上式看出，当振荡电路的参数确定以后，振荡频率f1与电感量L和不变的电容C有关，电感量的增减与被测物体的性质和大小有关。当被探测物体是铁磁性材料时，由于导磁率高，使探测线圈的总电感量增加，变成L??L1当被检测物体是非磁性材料的金属，由于金属物体的涡流损耗，使探测线圈的电感量减少，变成L??L2,通常?L1??L2，它们的大小取决于被探测物体的性质和形状。参考振荡器的振荡频率f2略大于f1，f1与f2在混频器中混频，可得到两种频率，即(f1?f2)和(f2?f1)。再通过滤波器选取需要的差频信号(后者)送入放大器，经放大后输出，推动灯光显示或者报警。
(2) 自激感应式检测电路
自激振荡式金属探测器多数采用LC振荡器作为金属物体的探测电路，工厂或矿山应用较多。其检测电路框图如图2-2所示。
震 荡检 波报 警线 圈微 分放 大输 出显 示控 制
探测线圈安装在输送矿石或其它物料的传送带，作为振荡器振荡回路的电感。由于在冶金矿山中应用较多，所以要求此振荡器对磁性矿石的影响有一定的抑制作用，对于弱磁性的锰钢件具有一定的探测灵敏度。振荡器在正
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图2-2自激振荡式框图广西大学本科毕业设计 飞机场安检系统
常情况下输出等幅的交流电压，检波后为不变的直流电压，因而输出微分信号为零。当金属物体经过线圈时，振荡器的振幅降低后又恢复，检波后的直流电压产生一个降低的波动，经微分电路微分后，将有脉冲信号输出。此脉冲信号经放大器放大后，推动继电器动作，输出接点信号控制金属物体取出装置，并进行显示或报警。
(3) 平衡式检测电路
图2-3所示为本次设计中我们所采用的检测电路。从图中可以清晰地了解平衡式金属探测器的基本原理。根据电磁场理论，发射线圈产生的交变磁场在两个差动连接的接收线圈中分别产生一个同频、反相、等幅的感应电动势，两者相消即形成接收平衡。当含有金属杂质的物品通过传感器时，线圈周围的磁场由于物品的进入发生变化，在接收线圈处检测出这个磁场变化引起的电压差，通过滤波电路滤除高频于扰信号，放大所需的低频电压信号，送给相应的显示、报警电路信号引起动作。平衡式探测器的另一个特点在于它的传感器部分比其他形式的传感器多采用了一个平衡补偿线圈。根据以往的设计经验可知，电子元件有一定的使用寿命和工作范围，当工作环境复杂时，很容易受到外界的干扰，不能按正常特性工作。当传感器的接收信号山于外界干扰产生较大变化时，检波信号必然要受到影响。根据自动控制理论中的闭环负反馈控制原理，要保证输出信号受外界干扰减小的话，需要增加 对自身输入信号的补偿，所以需增加一个补偿线圈。
振 荡 电 路滤 波 电 路功率放大电路发 射线 圈平衡调节电路传 感 器 部 分显 示滤波、放大电路报 警检 波 电 路接 收 线 圈图2-3 平衡式检测电路框图
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通过以上的分析可知，平衡式检测电路工作特性更稳定，并能有效的去除外界带来的电磁干扰或由于震动、冲撞引起的磁场变化带来的干扰。
2.3 金属探测器的系统构成
如图2-4所示为本次设计所采用的金属探测器的系统组成框图。它由电涡流传感器、正弦波振荡器、滤波电路、检波电路、信号处理电路、LCD显示电路、电源电路组成：
正弦波振荡器传感器调制解调电路滤波信号处理滤波信号处理动作电路
1.探测线圈由三根儿何参数相同的平面线圈组成，它们分别构成两个LC正弦波振荡电路的电感部分，在电路中以平衡差动方式工作，用来检侧当金属物出现时线圈电感参数的变化。线圈特性的好坏，对系统的分辨率、灵敏度和稳定性有重大影响。
2.检波线路是山模拟乘法器来完成检波的任务，采用MOTOROLA公司的MC 1996模拟乘法器。它利用的原理是相敏原理，它的输出为两个正弦波正交分解的量。此时，电路分成两个对称的测量电路，分别经滤波电路后对所得的新的信号量进行处理。
3.信号处理电路是由多级放大和滤波电路组成的，它将电涡流传感器检测到的微小变化电压值多级放大，根据测量到的不同等级电压值判断检测金属含量或者颗粒大小。
4.LCD显示和报警电路用来完成人机对话功能，可以方便地参看和修改参数，调节相应的检测灵敏度和精度，同时在检测到金属杂质时报警提醒工作人员。
5.电源电路提供以上各电路所需的工作电压。
整个系统上电后开始运行，光电开关检测被测产品是否到达被测区域入
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图2-4 金属探测器系统组成框图广西大学本科毕业设计 飞机场安检系统
口,确定后启动A/D转换器对模拟信号电压进行采样转换成数字信号，同时数据送给微处理器处理判断是否超出预定电压值，由此判断是否含有金属，使自动报瞥显示电路立即动作，电机停止运转，同时点亮相应的LED灯数，液晶显示系统状态为“停止”。系统控制结构图如图2-5所示。
LPC2210ARMLCD显示检 测 通 道传 送 皮 带电 机Atmega128蜂鸣器LED点阵图2-5 系统控制结构图
由于采集到的信息是连续变化的模拟量，不能被单片机直接处理，所以必须把这些模拟量转换成数字量后才能够输入到单片机中进行处理，这里选用了经济实用的ADC0809型A/D转换器来进行模数转换。ADC0809型芯片内部 结构见图2-6。
STARTEOCCLKOE时 序 与 控 制IN7D7三态输出锁存器树状开关8路模拟开关比较器逐位逼近寄存器SARIN0ADDCADDBADDAALED0地址锁存及译码A/D电阻网络VREF(+)VREF(-)图2-6 ADC0809型芯片内部结构
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