摘 要： 在分析传统平衡线圈原理的基础上，提出了一种改进的平衡线圈结构，以满足不同的应用需求。首先对该种平衡线圈的原理进行分析，据此设计了一种由平衡线圈、信号处理电路和ATmega8等构成的高灵敏度金属检测系统。通过实验验证了该金属探测器的检测效果，并提出了部分改进措施。
关键词： 金属探测；平衡线圈技术； ATmega8
金属检测系统可用于农村乡镇企业中化工、橡胶、制塑、食品加工、采矿、采煤等行业，还可应用于食品、药品、玩具等领域。食品是人们日常生活中不可或缺的物质资源，其质量的好坏将直接影响人们的生活质量与身体健康。在食品生产过程中，金属探测器的应用是质量控制的有效手段之一[1]。目前，在实践中得到应用的感应式金属探测技术主要有巨磁电阻传感器检测技术、LC谐振检测技术和平衡线圈检测技术3种。
其中，巨磁电阻(GMR)传感器是20世纪90年代中期引入到金属探测中的一种新技术，基于GMR效应的磁传感器具有体积小、灵敏度高、线性范围宽、响应频率高和温度特性好等优点，缺点是检测盲区大[2]；LC谐振检测技术是利用金属物体靠近LC谐振电路时会使电路失谐的特点来检测金属的，其灵活性高，但参数受温漂影响，容易失谐； 平衡线圈技术检测灵敏度高，抗干扰强，已得到较多应用，由于其占用空间较大，其某些应用受到限制。
基于此，本文提出一种改进的平衡线圈结构，以满足不同的应用需求。
1 传统平衡线圈技术
平衡线圈技术在高精度金属探测器中已经得到应用，其一般结构如图1所示。3个圆形线圈等直径，且中心轴在一条直线上，发射线圈在中间，接收线圈位于两侧。两个接收线圈与发射线圈等距排列，金属物体沿线圈中心轴线进入装置。发射线圈中通有特定频率的正弦电流，在线圈周围产生一个正弦交变磁场。交变的磁场会在两个接收线圈中产生感应电动势，根据对称性，接收线圈#1和#2中的感应电动势等大反向，将这两个信号接入到高精度微分放大器中，放大器的输出信号为零。当有金属异物沿中心轴先后通过两个接收线圈时，因为距离的不同，涡流在两个线圈中产生的感应电动势不同，从而得到差分电压信号[3]。
2 改进的平衡线圈技术
前文介绍的具有轴对称特性的圆形平衡线圈是比较常见的一种结构，而考虑到食品行业金属探测器现场的要求，比如给出的空间很小的情况下，可以对线圈的形状和排列方式进行一定的变化，把检测线圈设计为铜导线两半圆反向绕制，结构如图2所示。
发射线圈与接收线圈平行上下排列。接收线圈不再是两个独立的线圈平行排列，而是由大小和匝数相同的两个半圆形线圈构成，且左右两个半圆形线圈的绕向相反。发射线圈与两个接收线圈边界大小一致。
发射线圈通入角频率为ω的交变电流Ι，产生均匀分布的交变磁场。磁场在两个接收线圈中产生的感应电动势相同，但由于左侧线圈中的电流方向和右侧线圈中的电流方向相反，从而使得两个线圈中的感应电动势相互抵消。
3 检测原理及系统结构
3.1 基本原理
本文采用的检测电路为平衡式检测电路。发射线圈在有脉冲信号通入后，即可在线圈周围建立起交变磁场，使得接收线圈产生感应电动势。设计中，采用改进的平衡线圈作为传感器探头结构，两个半圆形线圈反向缠绕，并且完全对称，由于发射线圈本身为轴对称结构，其垂直方向上产生的磁场也是轴对称的，这样与发射线圈同轴放置的接收线圈中产生的电动势等大反向，相互抵消，理想情况下线圈中无电动势输出。当有金属物体从线圈之间经过时，由于金属物体自身在交变磁场中的涡流和磁滞效应，必将破坏接收线圈的电动势平衡，所以通过探测接收线圈的感应电动势，可以判断金属物体是否存在[4]。
3.2 硬件检测电路结构
整个硬件检测电路主要由信号处理和单片机控制两部分构成，其结构框图如图3所示。
3.2.1 信号处理部分
该部分主要包括对检测线圈中电压差值的放大、滤波、整流和峰值保持，确保将信号的有关特征值准确完整地输送给控制电路。
其中，峰值保持电路如图4所示，作为检测电路的重要部分，它是为了更准确地检测接收信号的幅值。前后两级的电压跟随器，保证了峰值保持的准确性和完整性。
由于二极管的存在，使得电路只能单向导通，在不触发放电信号的情况下，电容只能充电而不能放电，在经历过若干个周期之后，电容上的电压即为正弦信号的峰值电压。选择充电电容，既不能太大，太大导致充电速度慢；也不能太小，太小导致捕获的电压不稳定。设置放电按钮，一是为了实验方便，二是为设备的重新整定提供便利。
3.2.2 控制部分
主要包括对输入信号进行A/D转换和读取，单片机最小系统以及软件的设计，当检测到金属时，输出特定的信号点亮指示灯，并通过驱动电路执行相关动作。
(1) A/D转换。为了提高检测精度，需要将数字量的位数尽量提高，而单片机自带的A/D转换通道只有8位，因此，我们采用外置的A/D转换模块MAX187。
(2)单片机最小系统设计。ATmega8单片机的最小系统由电源部分、复位部分以及晶振部分3部分实现。其中，电源部分由5 V直流稳压电源提供。复位部分在单片机内部设置后，通过复位引脚引出。晶振部分采用外部晶振来提供高精度的系统时钟频率。
(3)软件设计。软件是检测控制系统的核心，整个系统的检测功能是否完备和实用主要看应用软件的设计水平。本文从系统的实用性、可靠性及方便灵活性等几个方面出发，使程序满足设计的功能要求[5]。整个系统的软件包括主程序、外部中断程序、数字滤波程序、比较判断子程序及发光报警等若干子程序，系统软件流程图如图5所示。
4 实验分析
4.1 实验条件
发射线圈：直径为20 cm的圆形线圈，由直径1.5 cm的30匝利兹线绕制；
发射信号：110 V/20 kHz的正弦脉冲，功率为500 W；
接收线圈：直径为20 cm；由10匝直径为0.2 mm的利兹线两半圆反向绕制，实物如图6所示。
4.2 检测信号的波形
向发射线圈通入图7所示的正弦脉冲信号，通过示波器测量某金属异物通过探头前后，接收信号幅值的变化，将两个信号同时显示，幅值比较波形如图8所示，来反映金属物体的存在。
总体而言，在发射信号强度确定的情况下，金属探测器检测精度主要与双线圈之间的距离有关。通过一系列实验，可以得出不同半径的金属异物进入到检测线圈前后所对应的检测信号幅值的变化。以铁磁性样品，探头高度70 mm为条件，以两线圈的竖直距离为横坐标，可以绘制出如图9所示对应的检测信号幅值的变化曲线。
由图9可见，在发射线圈中脉冲信号强度一定的前提下，随着探头高度增加，即双线圈之间距离增大，检测信号的幅值变化量呈递减趋势，也就是线圈距离越大，检测精度越低；同时，在脉冲信号强度与线圈距离不变时，检测信号的幅值变化量会随着金属异物直径的增大而变大。
本文在传统平衡线圈原理的基础上,设计了灵敏度和可靠性更高的新式平衡线圈结构，并以此理论技术为基础，结合应用到的检测原理以及电路构成，设计了一种新形的金属探测器。通过实验说明本文设计能够达到较高的精度，满足市场的需求。
参考文献
[1] 许凯.论金属探测器的发展与市场现状[J].中国安防产品信息，2004(1):52-53.
[2] 刘慧娟. 一种新型智能金属探测器[J]. 北方交通大学学报, 2001,25(1):95-99.
[3] 孟昭敦.电磁场导论[M].北京:中国电力出版社, 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] 朱恒军，王发智，姚仲敏.基于单片机的数字滤波算法分析与实现[J].齐齐哈尔大学学报,2008,24(6):53-55.