USST_Arts_122480391金属探测系统的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.67MB 51 页 15积分

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摘要

金属探测器已被广泛的应用到诸多领域。虽然国内的金属探测的起步比较晚,

但是随着金属探测技术的日渐发展以及巨大的市场潜力，发展的速度也是非常迅

速。随着金属探测器的不断发展，其应用领域不断扩大，工业、医疗、交通、军

事、探矿和探宝等大量运用了金属探测器。

首先，本论文根据实际的应用出发，设计了金属探测系统，该金属探测系统

采用的是双频的工作模式，对黑色金属和有色金属采用不同的频率工作模式，在

金属探测的灵敏度方面可以有很好的提高，同时选用改进型的平衡线圈结构作为

检测线圈，利用平衡线圈的优势，有效的消除了信号的干扰。通过各个功能模块

的搭建，完成了整个金属探测系统的设计。最终制作成 PCB 电路板，并对其进行

一系列的实验，验证金属探测器的性能。

其次，针对探测线圈检测到的金属信号是微弱信号这一无法避免的问题，论

文研究了基于混沌检测系统的金属探测电路来提高系统的灵敏度，该电路中将相

位图和李雅普诺夫指数同时运用到金属探测电路中，双重判定检测电路的状态，

有利于金属探测器灵敏度的提高。同时该电路利用数学上时间尺度的变换，克服

了混沌系统一般用于低频信号检测的限制，实现了高频信号的检测，非常适合用

于金属探测系统。

最后，针对本论文研究的基于混沌检测系统的金属探测电路进行 Matlab 仿真

和Simulink 搭建模型，同时得到电路的相位图和李雅普诺夫指数，对判定的检测

电路的状态结果进行验证。这对于以后的金属探测系统的研究与设计有着非常重

要的意义。

关键词：金属探测平衡线圈混沌检测李雅普诺夫指数

ABSTRACT

Metal detectors have been widely applied to many fields. Although in the

beginning, the development of the domestic metal detection is late, with the increasing

development and huge market potential of metal detection technology, the development

speed is very fast. With the continuous development of metal detectors, its applications

are continue to expand. The metal detectors are used in industrial, medical,

transportation, military, and other prospecting and treasure hunters.

Firstly, according to the actual application ,the paper designed a dual frequency

digital metal detector system．It not only could detect the magnetic metal，but also could

detect the non-ferrous metal with high accuracy. Meanwhile, to take advantage of the

balance of the coil, the choice of improved balance coil structure effectively eliminate

the interference signal. By building various functional modules, the paper completed the

entire metal detection system. Eventually it was made into the PCB, and I take series of

experiments to verify the performance of the metal detector.

Secondly, due to the signal detected by the metal detection coil is weak signal, and

the problem that can’t be avoided, the paper designed a metal detector’s circuit with

chaotic detection system, the phase diagram of the circuit and the Lyapunov exponent

simultaneously were applied to the metal detector circuit, in order to the improvement

of the sensitivity of metal detectors. Meanwhile, the circuit used a mathematical

transformation time scales, to overcome the limited of the low-frequency signal

detection by the chaotic systems. At last, the circuit can detect a high-frequency signal,

so the design are ideally suited for metal detection system.

Finally, the above design of circuits are built using Matlab and Simulink simulation

model.At the same time obtain the phase diagram of the circuit and the Lyapunov

exponent of the result of to verify the detection circuit. This design has a very important

significance on the metal detector in the future.

Key word: Metal detector, Balance coil, Chaos detection, Lyapunov

exponent

III

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

1.1 前言 ........................................................................................................... 1

1.2 金属探测器的研究背景及意义 ............................................................... 1

1.3 国内外研究现状 ....................................................................................... 2

1.4 本文的研究内容 ....................................................................................... 3

第二章金属探测理论基础 ............................................................................................ 5

2.1 理论基础 ................................................................................................... 5

2.1.1 金属的磁效应 ................................................................................ 5

2.1.2 金属的涡流效应 ............................................................................ 7

2.2 金属探测器线圈磁场分析 ....................................................................... 9

2.2.1 典型平衡线圈结构 ........................................................................ 9

2.2.2 圆环形线圈磁场分析 .................................................................. 10

2.2.3 改进型平衡线圈结构 .................................................................. 12

2.2.4 改进型平衡线圈磁场分析 .......................................................... 12

2.3 频率对灵敏度的影响 ............................................................................. 13

2.4 本章小结 ................................................................................................. 14

第三章金属探测器的整体设计 .................................................................................. 15

3.1 硬件系统的整体结构 ............................................................................. 15

3.2 线圈振荡电路 ......................................................................................... 16

3.2.1 振荡电路的工作原理 .................................................................. 16

3.2.2 电容三点式振荡电路 .................................................................. 18

3.3 接收信号前置处理电路 ......................................................................... 19

3.4 音频输出电路 ......................................................................................... 21

3.5 频率微调及信号分类输出电路 ............................................................. 22

3.6 信号放大电路 ......................................................................................... 23

3.7 单片机处理系统 ..................................................................................... 23

3.8 外围设置与显示电路 ............................................................................. 26

3.9 电源电路 ................................................................................................. 26

3.10 软件系统的设计 ................................................................................... 27

3.10.1 MPLAB 开发环境....................................................................... 27

3.10.2 程序框图 .................................................................................... 27

3.11 本章小结................................................................................................ 28

第四章实验调试和结果分析 ...................................................................................... 29

4.1 硬件电路板的制作 ................................................................................. 29

4.2 线圈的制作 ............................................................................................. 29

4.3 结果显示 ................................................................................................. 31

4.3.1 按键显示结果 .............................................................................. 31

4.3.2 分类金属显示结果 ...................................................................... 31

4.3.3 声音报警 ...................................................................................... 32

4.4 本章小结 ................................................................................................. 32

第五章混沌检测系统的模型建立与数值仿真 .......................................................... 33

5.1 Duffing 振子的模型 ................................................................................. 33

5.2 混沌高频检测系统的数学模型 ............................................................. 34

5.3 混沌检测系统初值敏感性分析 ............................................................. 35

5.4 改进的混沌检测的判据 ......................................................................... 36

5.5 混沌检测系统的仿真实现 ..................................................................... 38

5.5.1 仿真模型的建立 .......................................................................... 39

5.5.2 仿真模型的结果验证 .................................................................. 41

5.5.3 结果分析 ...................................................................................... 43

5.6 本章小结 ................................................................................................. 43

第六章总结与展望 ...................................................................................................... 44

6.1 总结 ......................................................................................................... 44

6.2 展望 ......................................................................................................... 44

参考文献 ........................................................................................................................ 45

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 48

致谢 .............................................................................................................................. 49

第一章绪论

众所周知，日常生活中的金属都是用仪器来探测，而且随着科技的进步与发

展，我们日常生活的方方面面离不开金属探测器作为安全设备的检查，而且在工

业生产中，金属探测器的应用领域也是非常广泛，另一方面金属探测器也常被用

作地下金属的探测。

1.1 前言

金属探测器已被广泛的应用到诸多领域。在军事上，战争中地下地雷的探测

和排除都用到了金属探测器[

]；在交通运输中，被安检部分用来检查是否携带枪支、

刀具等一些旅行禁止携带的危险品；在考古方面，金属探测器可以发现古墓中的

金属等一些古代陪葬的贵重物品[

]；在工程地质中，对于地下掩埋的电缆和墙壁内

隐藏的电线等也是用其来探测；在矿产勘探中，探测金属矿产等一些金属的含量

及其成分也都应用到了金属探测器。目前，学校中的考试为了防止考生利用手机

等工具进行作弊，也采取了防作弊工具进行检查，也是金属探测器的一大应用[

]。

1960 年第一台金属探测器诞生，金属探测器最初主要应用于工矿企业[

]。在

接下来的 10 年中，随着社会的不断发展，安全检查领域也慢慢的开始使用金属探

测器。到了二十世纪 80 年代，随着监狱暴力案件的不断发生，金属探测器作为安

检的必备设备，被广泛的应用到西方一些发达国家的管理机构，与此同时宝藏探

寻在西方的火热兴起，金属探测器也得到了进一步的发展。当步入到90 年代，电

子制造业飞速的发展，金属探测器被广泛的用到了产品防盗这项应用中。时至今

天，几代探测技术的变革深深的影响着金属探测器的发展，从最初的信号模拟技

术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，从灵敏度和精确度方面都有了

非常大的飞跃[

]。而且随着产品质量的提高，金属探测器被广泛的运用到了很多的

领域中。

虽然国内的金属探测的起步比较晚,但是随着金属探测技术的日渐发展以及巨

大的市场潜力，发展的速度也是非常迅速。随着金属探测器的不断发展，其应用

领域不断扩大，工业、医疗、交通、军事、探矿和探宝等大量运用了金属探测器。

在西方等许多发达国家，金属探测器已得到了普遍应用。在国内，金属探测被很

多的应用到了安检部门等。

1.2 金属探测器的研究背景及意义

金属探测器是依据电磁感应原理进行工作的，当线圈当中通过变化的电流时

会产生迅速变化的磁场，如果金属物体靠近该变化的磁场中时便会产生闭合的感

应电流，也就是金属的涡流效应，而涡流效应产生的电磁场又会倒过来影响原来

的磁场，使探测器发出警报来告知金属物体的存在。金属探测器具有以下使用功

上海理工大学硕士学位论文

能：探测具有金属外壳或带有金属部件的物体、隐埋在墙壁内部的电线、埋于地

下的水管电缆，甚至还能够探测出深埋于地下的金属物体进行地下寻宝[

]。鉴于金

属探测器的以上功能，目前各种大型会议中心、会展场管、体育场管、监狱系统

以及娱乐场所的安检和工厂或企业的防偷防盗检查都利用金属探测器来进行，在

目前的各种考试中金属探测器还用来对考试中违禁物品进行检查。

目前市面上，针对不同的用途和工作方式，金属探测器分成的种类是不同，

所以每种不同的金属探测器对应的功能和性能也是不一样的，对应的检测灵敏度

也是不同的。金属探测器按照功能和工作方式不同，分类如表1-1 所示[

]：

表1-1 金属探测器的分类

功能不同

通道式金属探测器（简称安检门）

手持式金属探测器

便捷式金属探测器

台式金属探测器

工业用金属探测器

水下金属探测器

工作方式不同

脉冲感应型

LC 振荡型

VLF（very 10w frequency）连续波型

目前，国内不管机场还是火车站等安检领域都利用到了金属探测器，但是国

内的金属探测器的生产厂商却占有很小的市场份额，而且金属的灵敏度不是很高。

采用的是单一的频率工作模式，对于黑色金属和有色金属的区分方面做得不够完

善。本文设计的金属探测器，采用了双频的工作模式，对黑色金属和有色金属采

用不同的频率工作模式，可以很好的提高金属探测的灵敏度。而且选用改进型的

平衡线圈结构作为检测线圈，利用平衡线圈的优势，消除了信号的干扰。通过实

验调试，金属的灵敏度不是很好，究其原因是探测线圈检测到的金属信号是非常

微弱的，这是无法避免的。所以必须利用一种技术用来检测微弱的信号。本设计

提出了一种利用混沌检测系统的金属探测电路的设计，该电路中将相位图和李雅

普诺夫指数同时运用到金属探测电路中，双重判定检测电路的状态，而且实现了

高频电路信号的检测，并且采用仿真实现，对于以后的金属探测系统的研究有着

一定的意义。

1.3 国内外研究现状

对于金属探测器的研究，国内外的许多专家进行了大量的科研工作，网上的

期刊和杂志也进行了很多方面的报道。可是由于金属探测器针对不同的用处会有

不同的设计，都是从电路的设计到算法的改进，最终来提高金属探测器的灵敏度

和精度。

金属探测器在国外的研究领域还是比较进步一些，基于扫频激励的金属探测

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摘要：

I摘要金属探测器已被广泛的应用到诸多领域。虽然国内的金属探测的起步比较晚,但是随着金属探测技术的日渐发展以及巨大的市场潜力，发展的速度也是非常迅速。随着金属探测器的不断发展，其应用领域不断扩大，工业、医疗、交通、军事、探矿和探宝等大量运用了金属探测器。首先，本论文根据实际的应用出发，设计了金属探测系统，该金属探测系统采用的是双频的工作模式，对黑色金属和有色金属采用不同的频率工作模式，在金属探测的灵敏度方面可以有很好的提高，同时选用改进型的平衡线圈结构作为检测线圈，利用平衡线圈的优势，有效的消除了信号的干扰。通过各个功能模块的搭建，完成了整个金属探测系统的设计。最终制作成PCB电路板，并对其进行...

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