脈沖金屬探測(cè)器其線圈的設(shè)計(jì)

有很多電路，出現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上的脈沖感應(yīng)金屬探測(cè)器。雖然它們用不同的方式去對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生磁場(chǎng)脈沖的電子元件，這些電子器件基本上是相同的。它的主要部分，是產(chǎn)生磁脈沖的線圈。

線圈的大小主要取決于所需的探測(cè)深度和被檢測(cè)的物體的最小尺寸。一般來(lái)講，可以這樣說(shuō)，理論上的最大探測(cè)深度的線圈直徑的5倍，和線圈檢測(cè)到的物體的最小尺寸的直徑的百分之五。這是最大的價(jià)值和嚴(yán)重依賴的情況。這是顯而易見(jiàn)的，你一個(gè)一米線圈你不可能檢測(cè)到5厘米的物體在5米深。但是，你需要一個(gè)什么類型的線圈，這是一個(gè)具體的問(wèn)題。很多人會(huì)用金屬探測(cè)器搜索錢幣和珠寶。對(duì)于這些情況，一個(gè)25厘米或40厘米的線圈就可以了。在我的使用情況，是我需要在一個(gè)兩米的深度定位一個(gè)20厘米的鐵蓋或者裝滿金屬的瓷器。這就是我為什么要去做一個(gè)1米的線圈。雖然線圈的物理尺寸和形狀可能會(huì)發(fā)生變化（正方形或橢圓形的線圈用于在特定的情況下，工作一樣但最好為圓形的），只略有不同的電感線圈之間的不同的物理設(shè)計(jì)。普遍使用的最佳脈沖感應(yīng)金屬探測(cè)器搜索線圈電感的范圍是在300至500μH。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，我將假定所使用的線圈是400μH。對(duì)于更小的線圈，就意味著需要繞更多的圈數(shù)。

線圈是由常用的電池供電。由于模擬電路進(jìn)行放大的小渦流拿起后的磁脈沖信號(hào)已經(jīng)停止時(shí)，±10伏或±12伏的雙電源是最實(shí)用的。將只收取與一個(gè)，兩個(gè)電源的兩側(cè)，這給出了一個(gè)非對(duì)稱的電池放電，如果我們使用兩個(gè)單獨(dú)的電池組為電源的正和負(fù)側(cè)的線圈。因此，我們將僅使用一個(gè)電池組10或12伏，并生成與一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的電源的另外一半電源。雖然這樣做是用在商品化的金屬檢測(cè)器電路，但這樣并不是十分理想。主要的問(wèn)題是，所產(chǎn)生的DC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓是有紋波的，這種紋波正與探測(cè)器器特別是在高頻率時(shí)，這可能會(huì)產(chǎn)生一些不必要的耦合。我們將這個(gè)問(wèn)題歸納到電源上，現(xiàn)在只能假設(shè)我們的線圈之間的任何電壓是12伏（根據(jù)實(shí)際選擇的電池組，充電電池等充電。）

當(dāng)電壓通過(guò)一個(gè)高速雙極晶體管或MOSFET，該電壓被施加到線圈，在線圈中的電流將逐漸增加，直到它被充電晶體管和其他元件與線圈電阻線的內(nèi)部電阻限制，如果脈沖的時(shí)間越長(zhǎng)，磁場(chǎng)越高。這具有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。更強(qiáng)的磁場(chǎng)能穿透更深的土壤。但是，如果選擇的時(shí)間過(guò)廠，比如說(shuō)350μs，你可能會(huì)過(guò)度飽和的地面，無(wú)法找到小物件，產(chǎn)生背景噪音。因此，我們有250μsec左右的值，以限制最大的充電時(shí)間，電路電阻應(yīng)該足夠低，以便在該期間內(nèi)的足夠的電流在線圈中產(chǎn)生。電流是由線圈與MOSFET中到負(fù)電源中的總電阻值確定。但在選擇的時(shí)候要考慮它的安全系數(shù)去選擇線圈最大的阻值。許多脈沖感應(yīng)金屬探測(cè)器中使用的功率晶體管和MOSFET至少有5至8安培的最大連續(xù)電流。如果我們制作的線圈，是按照這樣一種方式，它有一個(gè)至少為2的歐姆電阻，將整個(gè)線圈和回路的最大電流將永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)最大的電池組和電池滿載7.5安培。2歐姆線圈電阻與電路電阻之和總共3歐姆用12伏的電壓，流過(guò)線圈的瞬間電流將達(dá)到約4安培的250μsec上面提到的，一個(gè)配合嚴(yán)密的脈沖感應(yīng)金屬探測(cè)器，對(duì)地下大深度尋找寶藏是綽綽有余。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)定義了線圈的電感和電阻，但是線圈在這沒(méi)有說(shuō)太多的物理設(shè)計(jì)，如果我們不知道尺寸。在下面的表格中，我總結(jié)了線圈的大小，線徑，圈數(shù)和一些常見(jiàn)的線圈尺寸。在任何各種參數(shù)下，我盡可能接近上述的電感和電阻值。這將減少電荷脈沖長(zhǎng)度和放電電阻值時(shí)，改變線圈的問(wèn)題。

在此表中的值是理論值，由線圈的物理外形決定。尤其是電感量可以由線與線之間的距離變化，即使是電感量有不同的變化。即使電感不同，這里提到的值的10％或20％，線圈都能正常運(yùn)作，圓形線圈選用漆包銅線。線徑0.4到0.5mm是常見(jiàn)的厚度，在每個(gè)城市的角落都可以買得到，如果方形線框要用電纜的話，可以用8*0.4或者8*0.5線徑的電纜，但一定要購(gòu)買沒(méi)有屏蔽的。

電曲線和歧視的

線圈的放電曲線圖可以被分為三個(gè)部分。

第1階段：在驅(qū)動(dòng)MOSFET的擊穿效應(yīng)

大多數(shù)脈沖金屬探測(cè)器使用MOSFET，通過(guò)線圈的電流脈沖來(lái)調(diào)節(jié)。我們的設(shè)計(jì)也將采用MOSFETFOT這個(gè)任務(wù)。如果MOSFET被關(guān)閉時(shí)，電流由線圈中并聯(lián)的電阻中的產(chǎn)生回路，該回路應(yīng)與線圈的電感密切匹配的。對(duì)于理想的阻尼的400μH線圈，使用約680歐姆的電阻器。300μH的電感線圈應(yīng)并聯(lián)一個(gè)600歐姆的電阻。如果我們加在線圈中的電流達(dá)到2安培的，與一個(gè)680歐姆的放電電阻器的電壓將達(dá)到峰值到1360伏。不是一般的功率元件能夠處理此電壓，特別是功率MOSFET的用于驅(qū)動(dòng)搜索線圈的擊穿電壓要選擇在300和750伏之間，根據(jù)功率元件的品牌和型號(hào)的。這意味著，在第一階段期間的線圈放電，在線圈上的電壓將被限制到大約500伏特，通過(guò)并聯(lián)電阻中流過(guò)的電流的一部分，和它的一部分，通過(guò)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。這是不太理想的，因?yàn)楦叩姆烹婋妷阂馕吨斓拇艌?chǎng)切換，但我們應(yīng)該慶幸的，這MOSFET的動(dòng)作其實(shí)是防止其他部件被損壞。

脈沖的時(shí)間停留在第1階段的放電曲線的量依賴于流經(jīng)線圈的電流的放電開(kāi)始時(shí)，擊穿電壓的MOSFET和線圈，布線和并聯(lián)電阻器的電阻的總和。假設(shè)在循環(huán)中的主電阻體由并聯(lián)電阻引起，我們可以用下列公式計(jì)算的長(zhǎng)度的第一階段：

TS1=L線圈*（I的線圈-Vbrk_down/R潮濕）/Vbrk_down

顯然，這個(gè)公式是唯一有效的，當(dāng)我線圈》Vbrk_down/R潮濕的，因?yàn)榉駝t的第一階段從來(lái)沒(méi)有進(jìn)入理想的曲線直接進(jìn)入第二階段的。具有400μH的線圈，680歐姆的阻尼電阻器，一個(gè)初始2安培和MOSFET的擊穿電壓為500伏的線圈電流在我們的例子中，該第一階段的放電曲線將持續(xù)一微秒。

第2階段：在阻尼電阻器線圈電壓高電流衰減

一旦由電流在線圈中感應(yīng)的電壓已達(dá)到以下的值的MOSFET的擊穿電壓時(shí)，電流將指數(shù)衰減到零。可以改變這種衰變的電流回路中的總電阻和線圈中的磁場(chǎng)的物理性質(zhì)。的磁力線在到達(dá)金屬可以改變的衰減曲線的第二個(gè)階段，但也存在一些問(wèn)題檢測(cè)到它們。首先是非常高的電壓。當(dāng)線圈電壓下降到低于MOSFET的擊穿電壓時(shí)，第2階段進(jìn)入（某處大約500伏），并結(jié)束的電壓被降低到足以被拾起，常見(jiàn)的模擬電路（通常是0.5或1伏左右）。這個(gè)階段也是非常短的，這使得它難以執(zhí)行可靠的測(cè)量，這給任有關(guān)下列內(nèi)容的信息的存在，或在到達(dá)的磁場(chǎng)的金屬

大多數(shù)脈沖感應(yīng)金屬探測(cè)器，因此就跳過(guò)第二個(gè)階段，并等待開(kāi)始檢測(cè)和歧視周期的第三階段。基于DSP的檢測(cè)器是不同的，因?yàn)樗鼤?huì)自動(dòng)偵測(cè)的準(zhǔn)確時(shí)刻時(shí)的放電曲線，從第2階段到第三階段。

常見(jiàn)的脈沖感應(yīng)金屬探測(cè)器，信號(hào)處理電路，阻尼電阻器有兩個(gè)平行的定位二極管串聯(lián)。這些二極管充當(dāng)拉一側(cè)的電阻兩側(cè)之一的電源側(cè)的電壓限制器。這是作用的信號(hào)在模擬處理的虛擬接地的電源側(cè)。只要線圈電壓大于0，7伏，這些二極管需要打開(kāi)，二極管上的電壓實(shí)際上是固定的。一旦線圈電壓下降到低于此值，二極管靠近和測(cè)得的電壓在線圈的實(shí)際剩余電壓。

在我們的例子線圈，第2階段將持續(xù)大約3.9μsec，直到線圈中的電流已經(jīng)降到足夠拉這個(gè)魔法值0.7伏以下的電壓。此較少的裝置的放電曲線的第二階段，和持久的渦流可以被檢測(cè)的最后階段開(kāi)始結(jié)束。如果金屬是在磁場(chǎng)的范圍內(nèi)，進(jìn)入第三階段的時(shí)刻，將轉(zhuǎn)移。有色金屬將導(dǎo)致線圈的電感增加，實(shí)際上導(dǎo)致延遲的過(guò)渡點(diǎn)。將導(dǎo)致第三階段，將前面輸入的非鐵金屬。我沒(méi)有解釋的過(guò)渡點(diǎn)的精確測(cè)量，我們需要一個(gè)又好又快的模擬測(cè)量系統(tǒng)和快速的CPU計(jì)算周期。這是我們的數(shù)字信號(hào)處理器。

第三階段：最后的電流衰減和渦流

在最后的階段，被阻塞的潤(rùn)濕電阻由兩個(gè)系列二極管，電流進(jìn)一步在輔助電阻器在電路衰減。現(xiàn)在中流動(dòng)的電流，該電流的初始線圈電流的殘余，并且金屬在附近的渦流所引起的電流。這是歷史的階段，模擬和微控制器為基礎(chǔ)的脈沖感應(yīng)金屬探測(cè)器的信號(hào)分析。在此區(qū)域中的信號(hào)的分析是困難的原因有兩個(gè)。首先，信號(hào)電平非常低，這就需要有一個(gè)放大的100?1000倍，以獲得一些信息。這也將放大的信號(hào)中的噪聲。第二個(gè)問(wèn)題是，在主區(qū)域用于識(shí)別是在約第一個(gè)30微秒的衰變。忽略了第一部分的衰減曲線設(shè)計(jì)，正確識(shí)別金屬種類將是非常困難的。

模擬脈沖感應(yīng)金屬探測(cè)器和基本的基于微控制器的版本甚至更進(jìn)一步去不看著的信號(hào)形狀本身，但它在一個(gè)積分電容器平均，和使用該電容的端電壓，以確定如果已檢測(cè)到金屬。這會(huì)減少很多的噪音的高增益放大級(jí)，但整合的信號(hào)，將刪除所有金屬的具體信息。這就是為什么常見(jiàn)的脈沖感應(yīng)金屬探測(cè)器是如此糟糕的歧視。他們首先把幾乎所有的信息遠(yuǎn)，總和還剩下什么，然后說(shuō)：“嘿，我有可能檢測(cè)到的東西，但不要問(wèn)我如何和何時(shí)”。

在我們的檢測(cè)電子設(shè)備的輸入側(cè)的一個(gè)可能的曲線圖可以看出，在接下來(lái)的圖像。紅色曲線是沒(méi)有目標(biāo)目前的放電曲線，兩條曲線的差異，當(dāng)一個(gè)目標(biāo)是在磁場(chǎng)的覆蓋范圍。