一種基于巨磁電阻和正交偏置調制的金屬探測方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于巨磁電阻和正交偏置調制的金屬探測方法及裝置。本發(fā)明的方法包括兩部分：第一部分針對克服激勵線圈磁場分量，提出了“正交偏置”方法，即巨磁電阻傳感器的偏置電流與激勵線圈電流頻率相同、相位相差90°，從而使巨磁電阻傳感器輸出的直流信號僅與金屬電渦流磁場有關；第二部針對克服放大電路的直流失調，提出了“移相調制”方法，經過低通濾波器，從而率除了放大電路的直流失調，獲得僅與金屬電渦流有關的信號輸出。本發(fā)明的裝置由激勵線圈、巨磁電阻傳感器、檢測電路組成。巨磁電阻傳感器置于激勵線圈中，激勵線圈用于產生交流磁場，巨磁電阻傳感器用于敏感金屬電渦流磁場，檢測電路用于檢測金屬渦流信號。
【專利說明】
-種基于巨磁電阻和正交偏置調制的金屬探測方法及裝置
技術領域：
[0001] 本發(fā)明設及金屬探測方法及裝置，尤其設及一種基于巨磁電阻的金屬探測方法及 裝置。
【背景技術】：
[0002] 金屬探測器是一種?？谟脕硖綔y金屬的儀器。金屬探測器廣泛應用于工業(yè)過程、 安全防范、勘探勘測、交通控制W及生活消費領域。
[0003] 現(xiàn)有線圈式金屬探測器分為單線圈和平衡線圈兩類。對于單線圈金屬探測器，當 有金屬接近檢測線圈時，線圈的等效電感和等效電阻發(fā)生變化，引起諧振頻率變化或者阻 抗變化，通過檢測諧振頻率或阻抗的變化來探測金屬。當金屬體積微小時，線圈電感量的變 化量相對線圈初試電感量的比值極小，需要極高的頻率分辨率或阻抗分辨率，因此，難W探 測微小金屬。對平衡線圈金屬探測器，需要一組激勵線圈和兩組接收線圈。當兩組接收線圈 應數(shù)、尺寸完全一致，且相對激勵線圈的安裝空間完全對稱時，激勵線圈電流在兩組接收線 圈中產生的感應電勢幅值和相位完全一致，兩組接收線圈的感應電勢的差分為零，當有金 屬通過探測器時，兩組接收線圈的差分電勢僅包含金屬滿流引起的感應電勢，從而使信號 放大電路的增益得到充分提高，進而提高金屬探測靈敏度。然而，兩組接收線圈應數(shù)、尺寸 難W完全一致，相對激勵線圈的安裝位置難W完全對稱，因此，金屬探測靈敏度仍然有限。
[0004] 現(xiàn)有基于巨磁電阻傳感器的金屬探測器由激勵線圈、巨磁電阻傳感器、檢測電路 組成。激勵線圈產生交流激勵磁場，當有金屬通過探測器時，金屬中產生電滿流，該電滿流 產生與激勵磁場同頻率的滿流磁場，巨磁電阻傳感器將激勵磁場與滿流磁場的合成磁場轉 換為電信號。激勵磁場和滿流磁場頻率相同，無法通過濾波器將兩者分離，又由于激勵磁場 遠遠強于滿流磁場，將滿流磁場徹底淹沒，使得檢測電路的增益受到限制，因此，金屬探測 靈敏度有限。
[0005] 本發(fā)明提供一種金屬探測新法，即基于巨磁電阻和正交偏置調制的金屬探測方 法。

【發(fā)明內容】
：
[0006] 針對現(xiàn)有金屬探測存在的問題，本發(fā)明提出一種基于巨磁電阻和正交偏置調制的 金屬探測方法及裝置，用于消除激勵線圈電流產生的磁場、環(huán)境磁場、巨磁電阻傳感器等效 零偏電阻、放大電路直流失調的影響，提高金屬探測的靈敏度。
[0007] 本發(fā)明基于巨磁電阻和正交偏置調制的金屬探測裝置由巨磁電阻傳感器、激勵線 圈、檢測電路組成，巨磁電阻傳感器置于激勵線圈中，激勵線圈用于產生交流磁場，巨磁電 阻傳感器用于敏感金屬電滿流磁場，檢測電路用于檢測金屬滿流信號。
[000引檢測電路包括正弦波信號發(fā)生器、功率驅動器、激勵線圈電流取樣電阻、正交移相 電路、方波發(fā)生器、調制開關、電壓緩沖器、低通放大電路、反相器、解調開關、低通濾波器。
[0009]其中：
[0010] (I)正弦波信號發(fā)生器產生的正弦波信號經功率驅動器進行功率放大后驅動激勵 線圈；
[0011] (2)激勵線圈電流取樣電阻用于將激勵線圈的交流電流轉換為電壓信號；
[0012] (3)正交移相電路分別對激勵線圈電流取樣電阻兩端的電壓移相+90°和-90%分 別稱為+90°移相信號和-90°移相信號；
[0013] (4)方波發(fā)生器輸出占空比50 %的方波信號；
[0014] (5)方波發(fā)生器輸出信號高電平、低電平分別選擇調制開關的輸出為+90°移相信 號或-90°移相信號，或為-90°移相信號或+90°移相信號；
[0015] (6)調制開關的輸出經電壓緩沖器緩沖后，提供巨磁電阻傳感器的偏置電流；
[0016] (7)低通放大電路濾除交流分量，對信號進行放大；
[0017] (8)反相器對低通放大電路的輸出進行單位增益反相；
[0018] (9)方波發(fā)生器輸出信號高電平、低電平分別選擇解調開關的輸出為低通放大電 路的輸出和反相器的輸出，或為反相器的輸出和低通放大電路的輸出；
[0019] (10)解調開關的輸出經低通濾波器濾除交流分量，得到僅與金屬電滿流有關的信 號輸出。
[0020] 本發(fā)明的原理如下：
[0021] 本發(fā)明的金屬探測裝置由巨磁電阻傳感器、激勵線圈、檢測電路組成，其中巨磁電 阻傳感器置于激勵線圈中。激勵線圈接入交流電流，產生交流磁場。當有金屬通過激勵線圈 時，金屬在交流磁場作用下產生滿流電流，滿流電流隨之產生滿流磁場。巨磁電阻傳感器輸 出電壓等效為
[0022] Uo = k(Ba+Be+化 Ha+丫 Ia
[0023] =k(Ba+化 Ha+ 丫 la+kBela (1)
[0024] 式（1)中，k、Ba、Be、Bb、丫、Ia分別為巨磁電阻傳感器的磁場靈敏度系數(shù)、激勵電流 產生的交流磁場、金屬滿流磁場、環(huán)境磁場、與磁場無關的等效零偏電阻、巨磁電阻傳感器 的偏置電流。由式（1)可知，激勵電流產生的交流磁場、環(huán)境磁場、與磁場無關的等效零偏電 阻會對金屬滿流信號探測的靈敏度產生影響。
[0025] 設激勵線圈的電感為^，激勵線圈電阻為Ri,金屬滿流等效電感為L2、金屬滿流等 效電阻為化，金屬滿流電流有效值為12,激勵線圈與金屬滿流的互感為M，激勵線圈的電壓有 效值為El、激勵電壓的角頻率為CO、激勵電流有效值為II，則電氣方程：
[0026] 拉+j?Ml2 = Ii 化+jubli (2)
[0027] j?MIi = l2R2+j?L2l2 (3)
[0028] 由式(2)與（3)可得：
[0030] 激勵電流產生的磁場為：[0031] Ba = AIl 巧）[0032] 式(5)中A為金屬探測器的結構常數(shù)。[0033] 金屬滿流產生的磁場為：
[0029] C4)
[0034]
(6)
[0035] 式(6)中P為金屬探測器的結構常數(shù)。[0036] 將式(5)、（6)帶入式(1)可得下式；
[0037] (7)
[00；3 引 (8)
[0039] 式(8)等式右邊第一項、第二項、第=項是與金屬滿流無關的干擾項，第四項是僅 與金屬滿流有關的信號項。為了消除干擾項，本發(fā)明采用如下方法：
[0040] 令巨磁電阻傳感器偏置電流Ia與激勵線圈電流Il頻率相同，相位正交，幅值成正 比，即：
[0041 ] Ia=化 Il (9)
[0042] (10)
[0043] 式（10)右邊第一項、第二項、第=項、第四項均為交流分量，只有第五項為直流分 量，且只與金屬滿流有關。
[0044] 采用低通濾波器濾除式(10)中交流分量，得到：
[0045] (11)
[0046] 式（11)表明，采用與激勵線圈電流頻率相同、相位正交的電流作為巨磁電阻傳感 器的偏置電流，可有效消除與金屬滿流信號無關的干擾項，為充分提高放大電路增益創(chuàng)造 了條件。
[0047] 對前述低通濾波后的信號進行放大，放大電路的輸出為：
[004引 (12)
[0049] 式(12)中，〇和^分別為放大電路的增益、放大電路輸出直流失調電壓。
[0050] 雖然通過前述方法，將金屬滿流信號轉換為直流信號，并且消除了干擾項，使得放 大電路增益得到提高，但是由于放大電路存在直流失調分量，依然會限制金屬探測的靈敏 度。
[0051] 為了消除放大電路直流失調電壓對金屬探測靈敏度的限制，本發(fā)明進一步采取如 下方法：
[0052] 令巨磁電阻傳感器偏置電流IaW角頻率《0在jull和-jull間切換，等效于用單位 幅值+1、單位幅值-1的占空比50%角頻率《0的信號與化Ii相乘后作為巨磁電阻傳感器的偏 置電流Ia,即對巨磁電阻傳感器的偏置電流相對激勵線圈電流的正交相位進行調制，則放 大電路的輸出為：
[0053]
(B)
[0054] 用單位幅值+1、單位幅值-I的占空比50%角頻率《0的信號與放大電路輸出相乘 進行解調，可得：
[0055]
(14)
[0056] 解調后的輸出經過低通濾波，可得：
[0化7] 15)
[005引式（15)表明，經過對巨磁電阻傳感器偏置電流相對激勵線圈電流的正交相位進行 調制，對放大電路的輸出進行同步解調和低通濾波后，放大電路的直流失調得到了消除，從 而提高了金屬探測的靈敏度。
[0059] 本發(fā)明基于巨磁電阻和正交偏置調制的金屬探測方法包括如下步驟：
[0060] 1.給激勵線圈施加角頻率O的交流電流；
[0061] 2.對激勵線圈交流電流移相90°得到信號Ial,對激勵線圈交流電流移相-90°得到 信號Ia2;
[0062] 3.產生角頻率《0、占空比50%的選擇信號，周期選擇巨磁電阻傳感器偏置電流為 Ial或Ia2,即對巨磁電阻傳感器偏置電流相對激勵線圈電流的正交相位進行調制；
[0063] 4.對巨磁電阻傳感器輸出信號進行低通濾波放大；
[0064] 5.放大后的信號分為兩路，一路保持不變且為Ul，另一路單位增益反相且為U2;
[0065] 6.用前述角頻率CO 0、占空比50%的選擇信號周期選擇Ul或U2作為解調輸出；
[0066] 7.對上述解調輸出進行低通濾波，獲得僅與金屬滿流有關的輸出信號。
【附圖說明】
[0067] 圖1金屬探測裝置框圖
[0068] 圖2檢測電路框圖
[0069] 圖3金屬探測裝置詳細連接框圖
[0070] 本發(fā)明的實施例
[0071] -種金屬探測裝置的組成見附圖1，該探測裝置由激勵線圈1、巨磁電阻傳感器2、 檢測電路3組成，巨磁電阻傳感器置于激勵線圈中，激勵線圈用于產生交流磁場，巨磁電阻 傳感器用于敏感金屬電滿流磁場，檢測電路用于檢測金屬滿流信號。
[0072] 附圖1中的檢測電路組成見附圖2。包括正弦波信號發(fā)生器1、功率驅動器2、激勵線 圈電流取樣電阻3、正交移相電路4、方波發(fā)生器5、調制開關6、電壓緩沖器7、低通放大電路 8、反相器9、解調開關10、低通濾波器11。
[0073] 附圖1中的裝置詳細連接見附圖3。包括正弦波信號發(fā)生器1、功率驅動器2、激勵線 圈電流取樣電阻3、正交移相電路4、方波發(fā)生器5、調制開關6、電壓緩沖器7、低通放大電路 8、反相器9、解調開關10、低通濾波器11、激勵線圈12、巨磁電阻傳感器13。
[0074] 其中；
[0075] (1)正弦波信號發(fā)生器1產生的正弦波信號經功率驅動器2進行功率放大后驅動激 勵線圈12;
[0076] (2)激勵線圈電流取樣電阻3用于將激勵線圈12的交流電流轉換為電壓信號；
[0077] (3)正交移相電路4分別對激勵線圈電流取樣電阻3兩端的電壓移相+90°和-90% 分別稱為+90°移相信號和-90°移相信號；
[0078] (4)方波發(fā)生器5輸出占空比50%的方波信號；
[0079] (5)方波發(fā)生器5輸出信號高電平、低電平分別選擇調制開關6的輸出為+90°移相 信號或-90°移相信號，或為-90°移相信號或+90°移相信號；
[0080] (6)調制開關6的輸出經電壓緩沖器7緩沖后，提供給巨磁電阻傳感器13的偏置電 流；
[0081] (7)低通放大電路8濾除交流分量，對信號進行放大；
[0082] (8)反相器9對低通放大電路8的輸出進行單位增益反相；
[0083] (9)方波發(fā)生器5輸出信號高電平、低電平分別選擇解調開關10的輸出為低通放大 電路8的輸出或反相器9的輸出，或為反相器9的輸出或低通放大電路8的輸出；
[0084] (10)解調開關10的輸出經低通濾波器11濾除交流分量，得到僅與金屬電滿流有關 的信號輸出。
[0085] W上顯示描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征。本發(fā)明不受上述實施例的限制， 在不脫離本發(fā)明原理和范圍下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，運些變化和改進也屬于本 專利的權利。
【主權項】
1. 一種基于巨磁電阻和正交偏置調制的金屬探測裝置，由巨磁電阻傳感器、激勵線圈、 檢測電路組成，巨磁電阻傳感器置于激勵線圈中，激勵線圈用于產生交流磁場，巨磁電阻傳 感器用于敏感金屬電渦流磁場，檢測電路用于檢測金屬渦流信號，其特征在于檢測電路包 括正弦波信號發(fā)生器、功率驅動器、激勵線圈電流取樣電阻、正交移相電路、方波發(fā)生器、調 制開關、電壓緩沖器、低通放大電路、反相器、解調開關、低通濾波器； 正弦波信號發(fā)生器產生的正弦波信號經功率驅動器進行功率放大后驅動激勵線圈； 激勵線圈電流取樣電阻用于將激勵線圈的交流電流轉換為電壓信號； 正交移相電路分別對激勵線圈電流取樣電阻兩端的電壓移相+90°和-90°，分別稱為+ 90°移相信號和-90°移相信號； 方波發(fā)生器輸出占空比50 %的方波信號； 方波發(fā)生器輸出信號高電平、低電平分別選擇調制開關的輸出為+90°移相信號或-90° 移相信號，或為-90°移相信號或+90°移相信號； 調制開關的輸出經電壓緩沖器緩沖后，提供巨磁電阻傳感器的偏置電流； 低通放大電路濾除交流分量，對信號進行放大； 反相器對低通放大電路的輸出進行單位增益反相； 方波發(fā)生器輸出信號高電平、低電平分別選擇解調開關的輸出為低通放大電路的輸出 和反相器的輸出，或為反相器的輸出和低通放大電路的輸出； 解調開關的輸出經低通濾波器濾除交流分量，得到僅與金屬電渦流有關的信號輸出。2. -種基于巨磁電阻和正交偏置調制的金屬探測方法，用于如權利要求1所述的基于 巨磁電阻和正交偏置調制的金屬探測裝置，其特征在于包括以下步驟： 一、 給激勵線圈施加角頻率ω的交流電流； 二、 對激勵線圈交流電流移相90°得到信號Ial，對激勵線圈交流電流移相-90°得到信 號 Ia2; 三、 產生角頻率ω〇、占空比50%的選擇信號，周期選擇巨磁電阻傳感器偏置電流為Ial 或Ia2,即對巨磁電阻傳感器偏置電流相對激勵線圈電流的正交相位進行調制； 四、 對巨磁電阻傳感器輸出信號進行低通濾波放大； 五、 放大后的信號分為兩路，一路保持不變且為U1，另一路單位增益反相且為U2; 六、 用前述角頻率ω 〇、占空比50%的選擇信號周期選擇Ul或U2作為解調輸出； 七、 對上述解調輸出進行低通濾波，獲得僅與金屬渦流有關的輸出信號。
【文檔編號】G01V3/10GK105954806SQ201610247899
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】劉要輝, 王天真, 彭建學
【申請人】上海海事大學