摘 要： 在分析傳統平衡線圈原理的基礎上，提出了一種改進的平衡線圈結構，以滿足不同的應用需求。首先對該種平衡線圈的原理進行分析，據此設計了一種由平衡線圈、信號處理電路和ATmega8等構成的高靈敏度金屬檢測系統。通過實驗驗證了該金屬探測器的檢測效果，并提出了部分改進措施。
關鍵詞： 金屬探測；平衡線圈技術； ATmega8
金屬檢測系統可用于農村鄉鎮企業中化工、橡膠、制塑、食品加工、采礦、采煤等行業，還可應用于食品、藥品、玩具等領域。食品是人們日常生活中不可或缺的物質資源，其質量的好壞將直接影響人們的生活質量與身體健康。在食品生產過程中，金屬探測器的應用是質量控制的有效手段之一[1]。目前，在實踐中得到應用的感應式金屬探測技術主要有巨磁電阻傳感器檢測技術、LC諧振檢測技術和平衡線圈檢測技術3種。
其中，巨磁電阻(GMR)傳感器是20世紀90年代中期引入到金屬探測中的一種新技術，基于GMR效應的磁傳感器具有體積小、靈敏度高、線性范圍寬、響應頻率高和溫度特性好等優點，缺點是檢測盲區大[2]；LC諧振檢測技術是利用金屬物體靠近LC諧振電路時會使電路失諧的特點來檢測金屬的，其靈活性高，但參數受溫漂影響，容易失諧； 平衡線圈技術檢測靈敏度高，抗干擾強，已得到較多應用，由于其占用空間較大，其某些應用受到限制。
基于此，本文提出一種改進的平衡線圈結構，以滿足不同的應用需求。
1 傳統平衡線圈技術
平衡線圈技術在高精度金屬探測器中已經得到應用，其一般結構如圖1所示。3個圓形線圈等直徑，且中心軸在一條直線上，發射線圈在中間，接收線圈位于兩側。兩個接收線圈與發射線圈等距排列，金屬物體沿線圈中心軸線進入裝置。發射線圈中通有特定頻率的正弦電流，在線圈周圍產生一個正弦交變磁場。交變的磁場會在兩個接收線圈中產生感應電動勢，根據對稱性，接收線圈#1和#2中的感應電動勢等大反向，將這兩個信號接入到高精度微分放大器中，放大器的輸出信號為零。當有金屬異物沿中心軸先后通過兩個接收線圈時，因為距離的不同，渦流在兩個線圈中產生的感應電動勢不同，從而得到差分電壓信號[3]。
2 改進的平衡線圈技術
前文介紹的具有軸對稱特性的圓形平衡線圈是比較常見的一種結構，而考慮到食品行業金屬探測器現場的要求，比如給出的空間很小的情況下，可以對線圈的形狀和排列方式進行一定的變化，把檢測線圈設計為銅導線兩半圓反向繞制，結構如圖2所示。
發射線圈與接收線圈平行上下排列。接收線圈不再是兩個獨立的線圈平行排列，而是由大小和匝數相同的兩個半圓形線圈構成，且左右兩個半圓形線圈的繞向相反。發射線圈與兩個接收線圈邊界大小一致。
發射線圈通入角頻率為ω的交變電流Ι，產生均勻分布的交變磁場。磁場在兩個接收線圈中產生的感應電動勢相同，但由于左側線圈中的電流方向和右側線圈中的電流方向相反，從而使得兩個線圈中的感應電動勢相互抵消。
3 檢測原理及系統結構
3.1 基本原理
本文采用的檢測電路為平衡式檢測電路。發射線圈在有脈沖信號通入后，即可在線圈周圍建立起交變磁場，使得接收線圈產生感應電動勢。設計中，采用改進的平衡線圈作為傳感器探頭結構，兩個半圓形線圈反向纏繞，并且完全對稱，由于發射線圈本身為軸對稱結構，其垂直方向上產生的磁場也是軸對稱的，這樣與發射線圈同軸放置的接收線圈中產生的電動勢等大反向，相互抵消，理想情況下線圈中無電動勢輸出。當有金屬物體從線圈之間經過時，由于金屬物體自身在交變磁場中的渦流和磁滯效應，必將破壞接收線圈的電動勢平衡，所以通過探測接收線圈的感應電動勢，可以判斷金屬物體是否存在[4]。
3.2 硬件檢測電路結構
整個硬件檢測電路主要由信號處理和單片機控制兩部分構成，其結構框圖如圖3所示。
3.2.1 信號處理部分
該部分主要包括對檢測線圈中電壓差值的放大、濾波、整流和峰值保持，確保將信號的有關特征值準確完整地輸送給控制電路。
其中，峰值保持電路如圖4所示，作為檢測電路的重要部分，它是為了更準確地檢測接收信號的幅值。前后兩級的電壓跟隨器，保證了峰值保持的準確性和完整性。
由于二極管的存在，使得電路只能單向導通，在不觸發放電信號的情況下，電容只能充電而不能放電，在經歷過若干個周期之后，電容上的電壓即為正弦信號的峰值電壓。選擇充電電容，既不能太大，太大導致充電速度慢；也不能太小，太小導致捕獲的電壓不穩定。設置放電按鈕，一是為了實驗方便，二是為設備的重新整定提供便利。
3.2.2 控制部分
主要包括對輸入信號進行A/D轉換和讀取，單片機最小系統以及軟件的設計，當檢測到金屬時，輸出特定的信號點亮指示燈，并通過驅動電路執行相關動作。
(1) A/D轉換。為了提高檢測精度，需要將數字量的位數盡量提高，而單片機自帶的A/D轉換通道只有8位，因此，我們采用外置的A/D轉換模塊MAX187。
(2)單片機最小系統設計。ATmega8單片機的最小系統由電源部分、復位部分以及晶振部分3部分實現。其中，電源部分由5 V直流穩壓電源提供。復位部分在單片機內部設置后，通過復位引腳引出。晶振部分采用外部晶振來提供高精度的系統時鐘頻率。
(3)軟件設計。軟件是檢測控制系統的核心，整個系統的檢測功能是否完備和實用主要看應用軟件的設計水平。本文從系統的實用性、可靠性及方便靈活性等幾個方面出發，使程序滿足設計的功能要求[5]。整個系統的軟件包括主程序、外部中斷程序、數字濾波程序、比較判斷子程序及發光報警等若干子程序，系統軟件流程圖如圖5所示。
4 實驗分析
4.1 實驗條件
發射線圈：直徑為20 cm的圓形線圈，由直徑1.5 cm的30匝利茲線繞制；
發射信號：110 V/20 kHz的正弦脈沖，功率為500 W；
接收線圈：直徑為20 cm；由10匝直徑為0.2 mm的利茲線兩半圓反向繞制，實物如圖6所示。
4.2 檢測信號的波形
向發射線圈通入圖7所示的正弦脈沖信號，通過示波器測量某金屬異物通過探頭前后，接收信號幅值的變化，將兩個信號同時顯示，幅值比較波形如圖8所示，來反映金屬物體的存在。
總體而言，在發射信號強度確定的情況下，金屬探測器檢測精度主要與雙線圈之間的距離有關。通過一系列實驗，可以得出不同半徑的金屬異物進入到檢測線圈前后所對應的檢測信號幅值的變化。以鐵磁性樣品，探頭高度70 mm為條件，以兩線圈的豎直距離為橫坐標，可以繪制出如圖9所示對應的檢測信號幅值的變化曲線。
由圖9可見，在發射線圈中脈沖信號強度一定的前提下，隨著探頭高度增加，即雙線圈之間距離增大，檢測信號的幅值變化量呈遞減趨勢，也就是線圈距離越大，檢測精度越低；同時，在脈沖信號強度與線圈距離不變時，檢測信號的幅值變化量會隨著金屬異物直徑的增大而變大。
本文在傳統平衡線圈原理的基礎上,設計了靈敏度和可靠性更高的新式平衡線圈結構，并以此理論技術為基礎，結合應用到的檢測原理以及電路構成，設計了一種新形的金屬探測器。通過實驗說明本文設計能夠達到較高的精度，滿足市場的需求。
參考文獻
[1] 許凱.論金屬探測器的發展與市場現狀[J].中國安防產品信息，2004(1):52-53.
[2] 劉慧娟. 一種新型智能金屬探測器[J]. 北方交通大學學報, 2001,25(1):95-99.
[3] 孟昭敦.電磁場導論[M].北京:中國電力出版社, 2004.
[4] NONAKA Y. Simultaneous measurement of the resistivity and permeability of a film sample with a double coil[C]. IEEE Inst. and Meas. Tech. Conference，Hamamatsu, Japan: 1994.
[5] 朱恒軍，王發智，姚仲敏.基于單片機的數字濾波算法分析與實現[J].齊齊哈爾大學學報,2008,24(6):53-55.