一种智能井盖探测仪

胡仁昱

摘要：本文介绍了井盖探测仪的工作原理及其硬件电路和软件设计。并且找出在交变磁场中井盖因涡流效应和磁化效应产生的反应信号特性，利用此特性，加以嵌入式信号处理技术的先进手段以实现探测目的。此探测仪具有较强的背景抑制能力和较高的探测灵敏度，对于提高井盖的综合探测性能有重要现实意义。

关键词：井盖探测仪;涡流效应;嵌入式系统;数字信号处理;MCU控制电路

中图分类号：TP391      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2018）31-0230-02

井盖探测仪是一款外观坚实耐用且易于使用的金属探测仪[1]。它具有较高的探测灵敏度，用于完成各类探测任务。它主要用于建筑业、土木工程、道路建设以及市政公共事业如燃气和供水机构。它探测所有金属物包括一些小型非铁磁类金属物。可以查找到埋在沥青下的阀门井盖和检修井，以及地面附近的埋地金属管道和埋地信标等。当仪器开启时，仪器本身可自动调节以适应周围环境。在一定范围内电子补偿系统可抑制沥青层和地磁效应对其的影响。本文介绍了井盖等金属目标探测技术，对井盖等隐蔽金属目标探测新一代设备做了一些介绍。

1 理论推导

据金属涡流探测原理，采用电感电容谐振发射平衡性天线，在发射天线周围产生交变磁场B=B₀cosωt，其中[B]场强与接收天线处于平面垂直，在接收天线中电平为ε。

同时法拉第定律和麦克斯韦方程式为

即形成平衡性发射天线。

在发射天线周围产生交变磁场中的金属由于涡流效应或磁效应，会产生另一个磁场，破坏原交变磁场的磁力线分布，该场又称二次场[3]。由于两个发射天线的电感量和天线外形不一致，它们所形成的磁场强度B不同，金属目标产生的二次场会打破两个天线内交变磁场的动态平衡，在接收天线产生相应的电平：

ε_m=N_RA_RωB₁

B₁为金属目标垂直接收天线的磁场强度。

通过以上理论推导，我们以金属井盖进行探测，通过接收天线探测进行区分达到快速查找到隐藏的阀门井盖、检修井和金属标识物的目的。

2 井盖探测仪的设计

井盖探测仪可以利用数字信号处理技术，从频域上分析金属相位特性，将地面干扰、金属目标，外界电磁干扰分为低频、中频，高频信号，通过FFT变换进行频谱分析，取其有用的中频目标信号计算目标的金属相位特性值。因而可以从原理上消除地面和电磁的干扰。采用液晶显示方式，即时显示被探测金属的种类，提高了界面的人性化。包括探头电路、相敏检波电路、数据采集及数字信号处理（DSP或ARM）电路、MCU控制电路。整机方框图如下图1所示。

由振荡电路产生6Khz左右的正弦信號作为发射信号，从发射源中引出两路频率与发射频率完全相同的参考信号，形成两者之间有120度相位差的检波信号，探头上布有两路半径不同的接收线圈，相位相差180度;将两路检波信号分别与两路接收信号相乘，形成四路相敏检波信号。由于金属涡流效应，不同属性金属会对应不同的信号相位[4]。对相同接收天线分成双路信号相位的检测和处理，决定了可分辨井盖等金属探测能力。两路信号的强弱和相位差决定了金属的相对大小和金属的深度。探测器的接收信号经过初级放大和检波电路，再经过二次放大，将信号按相位不同分成八路不同的可用信号，经采样电路转换成数字信号，进入DSP小系统计算。计算后信号进行数字滤波并进行傅立叶变换，取其3—15的中频分量，将两路信号的对应分量相加，再做除法，根据已存的金属目标数据库信息进行比较，以此获得被探测各类金属的属性;提取的双路金属目标信号的大小和相位差决定被探测金属的相对大小和深度。井盖探测仪中央处理系统采用主从架构，MCU单片机作为控制系统负责电源管理，键盘响应等人机界面接口，DSP处理器系统主要负责采集，数据信号采集处理、FFT变换，处理后的数据传送给嵌入式处理器进行显示。

3 井盖探测仪关键技术

3.1 信号处理技术

由振荡电路产生6.5KHZ脉冲信号作为发射信号，从发射源本振引出两路相位相差120度的信号作为检波信号，这两路信号频率与发射信号频率完全相同。经过测试得出：不同属性的金属在被探测的时候，都能表现出不同相位。当金属目标物经过天线时，接收天线线圈接收到进入的金属目标信号，该信号需初级放大和信号检波后再二次放大，后输入八路模拟开关，经过A/D采样后，进入DSP进行处理。DSP对该信号进行数字滤波处理后对目标进行搜索识别[5]，再进行傅立叶变换，取其中的中频分量，将两路信号的对应分量相加，再做除法，根据内置的数据库进行分析，从而准确地判断被探测金属的种类。数字信号处理的A/D采样数据由数模转换器采集，采集的数据为每秒钟128点，十六位，被放置在输入缓冲区内。当三路128点数据采集完毕后首先进行有无目标检测，如果存在目标则进行目标大小及深度计算，并将其拷贝到FFT运算的缓冲区进行FFT运算。经过FFT运算后的数据，取其3-15Hz的中频分量，并且符合收敛特性，即|s（n）|> |s（n+1）|，且s（n）<0， s（n+1）>0，n=3-15Hz将两路信号的对应分量相加，再做除法，根据已存的金属目标数据库信息进行比较，以此获得被探测各类金属的属性。另外，可通过两路接收信号的大小和相位差得出金属的相对大小和深度。

3.2 天线平衡技术

井盖探测仪的两个发射天线线圈电感量、外形，以及天线线圈间分布电容等影响，使接收天线接收到信号因为发射天线无法达到平衡而存在剩余电平相对较大[6]，该电平经过信号放大后容易饱和，造成探测仪无法工作，另外由于外界环境等各类因素的干扰，需对天线引入补偿电路进行平衡。

天线补偿电路硬件示意图如图2所示，将发射天线发射信号进行180°移相，在补偿电路中加入电阻传感器，将传感器的采样电压送到接收天线的补偿回路，通过幅度调节补偿可变电位器阻值使补偿与接收电路之间相差达到180°，这样调节可变电位器阻值大小，使接收天线的剩余电平相抵消，图2的补偿电位器用数字电位器集成电路替代，由MCU单片机采样剩余电平后控制数字电位器自动调节补偿，以达到天线平衡的工作模式。

同时为消除因环境温度变化、元器件老化等因素造成的通道直流工作点的漂移，采用了自动跟踪反馈技术，以自动补偿工作点的漂移。该技术能使系统长时间处于稳定工作状态的跟踪技术，目的在于消除由于外部环境影响引起的直流漂移。拟采用电平实时监控技术，增加电路校零方式，此电路由DSP小系统控制，它对校零的补偿电压进行实时跟踪并自动补偿。

3.3 背景抑制技术

本井盖探测仪天线探头采用调制连续波发射、接收的传感体制和全波相敏检波技术，用于提取多种特征信息。由于金属中产生的涡电流的强度与工作频率有关，而背景产生的涡电流的强度在多种工作频率下的各类分量可以互相抵消，因此，井盖等金属目标探测技术通过对工作频率下对应的接收信号电阻分量和电抗分量的相消处理，就能很好地抑制背景信号，而对各类金属目标都具有较高的探测灵敏度;同时电路采用发射接收天线进行剩余电平检测，并采取电平循环跟踪[7]有效补偿了环境等因素引起的电平漂移，实现精确定位和高分辨率;背景学习功能使井盖等金属探测技术具有智能控制能力，通过对作业现场背景相位特征信息的实时采集，自动调整与该背景特征相关的增益控制参数，从而消除该背景对探测器的干扰。该技术使探测器无论在何种背景环境状况下，都能最大深度、最大靈敏度识别目标。

4 结论

本文通过硬件和软件两方面论述了井盖探测仪的设计方法，天线补偿、背景学习和信号采集处理是关键几项技术，保证本探测仪实时探测和精确定位，为井盖探测仪目标探测提供了一种可行的方法。

参考文献：

[1] 鲁光宇. 金属探测器技术发展综述[J]. 地学仪器， 1992（1）.

[2] BURCH I A， DEAS R M， PORT D M. MINED area detection overview[C]. Proc. of SPIE， 2002（4742）： 562-573.

[3] Acero J， A lonso R， Barragan L A. et al Magnetic vector potential based model for eddy-cruuent loss calculation in round-wire planar windings[J]. IEEE Transactions on Manetics， 2006， 42（9）： 2152-2158.

[4] 丁天怀， 陈祥林. 电涡流传感器阵列测试技术[J]. 测试技术学报， 2006（3）.

[5] 陈娟. 数字式金属探测器的研究[D]. 南昌大学， 2007.

[6] 刘国强. Ansoft工程电磁场有限元分析[M]. 北京： 电子工业出版社， 2005.

[7] 贺桂芳. 一种新型智能金属探测仪的设计[J]. 仪表技术与传感器， 2006（1）： 13-15.