CN2371566Y - 一种门式金属探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种门式金属探测器,主要由振荡器、放大器、检测头、检波一低电平选通电路及后续电路组成,其特征是:检测头为无屏蔽分体式的,发射线圈与平衡单元接收线圈分别安装在检测通道的两侧,物流通过探测区时将受到检查,对混有金属物的物件发出报警信号。这种金属探测器灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强,不用屏蔽,节约原材料,成本低,性价比高,并且有结构简单、安装使用方便等特点,非常适合海关、机场、车站、码头的安检部门使用。

Description

一种门式金属探测器

本实用新型涉及检测仪器，更具体地说是一种门式金属探测器。

门式金属探测器主要是用来检查运行通道中的物流、人流中是否混有金属物质的仪器。广泛用于海关、机场、车站、码头的安检部门以及工厂生产线中非导电材料物流检测。现有的门式金属探测器主要由探测头和控制电路构成(参见图1)，它包括高频振荡器、探测头、调谐放大器、检波器、低频放大器、单稳态触发器、电源和执行机构(参见图2)；探头内有三个环绕物流通道绕制的线圈，其中发射线圈居中，两个接收线圈反向联接对称地设置在发射线圈两侧，运送物料的传送带从中穿过，整个探测头***由电磁导体屏蔽(参见图3)。其工作原理是：发射线圈在振荡器高频电流驱动下，在物流通道的槽口内形成高频交变电磁场，在槽口内无金属物存在的理想条件下，两组技术参数相同，反向联接的接收线圈的感应电动势互相抵消，无信号输出。当被检测的物流中混有金属杂质进入探测头槽口时，就破坏了发射线圈两侧交变电磁场的对称性，出现不平衡，这时接收线圈便产生一个高频调幅信号输出(参见图4)，其中，振荡器的振荡频率为载波、金属信号为调制波，该混合波经过选频放大、检波，取出金属信号，送至低频放大器放大，用以推动单稳态触发器控制报警、指示和执行机构动作。

这种探测器存在的问题是：为了防止干扰信号破坏检测的准确度和灵敏度，必须用金属导体将探头外框包裹屏蔽起来，以隔离探测通道槽口外电磁场的影响，排除非探测区金属信号及其它信号的干扰。但是，进出口又是不能封闭的，这就出现了矛盾，在这种情况下，要想取得完全屏蔽是十分困难的。为了取得较好的屏蔽效果，一般是采用加大屏蔽范围的方法。同时，鉴于磁力线具有趋向集中于磁导体的特性，就必须使线圈与屏蔽层之间要有足够的距离，避免造成槽口内磁场分布的不均匀性而导致探测截面上各点的探测灵敏度有过大差异的现象，严重时甚至可能出现盲区！这样，屏蔽框的尺寸势必相当大。此外，为了防止屏蔽层因振动等外应力引起的干扰信号，就要求屏蔽结构具有足够的强度，因此又得增加屏蔽层的厚度。结果，这种庞大而沉重的金属屏蔽框被放置在探测头作用范围的周边，既占地占空间又浪费原材料增加成本。同时还会引发出新的问题。由机械振动或温度变化引起的框体微小变形都会产生不可忽视的干扰信号，而体积如此大的金属体产生的信号当然远远大于物流中金属杂质所产生的信号。按平衡式金属探测器的工作原理，金属屏蔽框的信号被对称放置的接收线圈平衡对消，然后再去检测新增的金属杂质的信号，这就如同使用数吨质量平衡着的天平去称量毫克数量级的物质一样，其灵敏度是很低的。另一方面，这种框式金属探测器的发射线圈与接收线圈为一体结构，传送带需从线圈中穿过，亦给安装带来不便。总之，使用屏蔽的办法隔离干扰信号以及它本身所带来的弊端是显而易见的，如何克服这种缺陷是摆在工程技术人员面前的课题。

本实用新型的任务是提供一种不用屏蔽框的门式金属探测器，它能有效地消除非探测区来的金属干扰信号及其它干扰信号，且本身不会产生干扰；灵敏度高、分辨率高。

为了完成上述任务，本实用新型采取的技术方案是：该门式金属探测器包括高频振荡器及发射电路、触发器、指示器、报警器和执行机构，其特征在于，它还包括：

——一副无屏蔽框的分体式探测头，由发射线圈L和平衡接收单元线圈L1、L2构成，发射线圈与接收线圈是分开设置的，它们分别相对同轴安装在检测通道的两侧，L与高频振荡器GF的发射电路相连接，L1、L2为槽形，对合后组成一个高度h等于深度D的立方体，以相反的极性连接在电阻R的两端，它们的另一公共端为接地端，R与L1连接的一端为输出端e1，R与L2连接的那一端为输出端e2；

——两个对称的放大器N1和N2，其N1的输入端IN1与所述L1的输出端e1相连接，N2的输入端IN2与所述L2的输出端e2相连接，N1的输出端为OUT1，N2的输出端为OUT2；

——一个检波—低电平选通电路，由线性检波器和低电平选通器构成，线性检波器的输入端V2与N2的输出端OUT2相连接，其输出端V2’与低电平选通器的一个输入端D相连接，低电平选通器的另一个输入端V1与N1的输出端0UT1相连接，低电平选通器的输出端V1’与所述触发器的输入端usr相连接，触发器的输出端分别连接所述指示器、报警器和执行机构的输入端。

分体式探测头的发射线圈L与平衡接收单元线圈L1、L2均为板块结构，由支承座支承。

平衡接收单元线圈L1、L2可以是一个单元，也可以是两个以上积木式安装的平衡单元，或者是复合单元，其接线方式可以是双端输出，也可以接成单端输出。

本实用新型的优点是：1.能有效消除非探测区域金属干扰信号；2.灵敏度高、分辨率高、工作稳定可靠；3.无需屏蔽、占地占空少，能节约原材料，可降低成本，性价比高；4.结构简单、安装及使用都很方便。

图1是现有技术框式金属探测器的外形构造示意图。

图2是现有技术金属探测器的工作原理框图。

图3是现有技术探测头的发射和接收线圈的接线图。

图4是现有技术探测头的剖面及通道槽口内金属物的信号图。

图5是本实用新型的门式金属探测器的分体式探头的外形结构示意图。

图6是图5的内部结构及发射线圈磁场分布图。

图7是图6中接收线圈L1和L2的几何形状及线圈的接线图。

图8是一个平衡接收单元的结构及二次磁场的分布图。

图9是两个平衡接收单元积木式安装结构图。

图10是复合平衡接收单元的结构图。

图11是检波—低电平选通电路的电路图。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细地描述。

在图1～图4的现有技术中，图1的1是探头，2是电气控制盒，3是槽口，4是传送带。图3的L0是发射线圈，L10、L20是接收线圈，E是屏蔽层，GF是与高频振荡器的连接端，e10、e20是接收线圈的输出端，与信号处理电路的输入端连接。图4的rf是高频平衡信号波形，am是金属信号的调幅波信号波形，af是经过相位检波后得出的音频信号(即金属信号)波形，箭头所示方向为物流方向。

图5～图11提供了本实用新型的实施例。

图5是本实用新型的门式金属探测器的分体式探头的外形结构示意图。图中，5是发射线圈板块，6是接收线圈板块，箭头为检测通道。从图可见，它与现有的探测头是不一样的(参见图1、图3)，发射线圈与接收线圈分为两个单独的部分安放在水泥结构的板块内，相对配置安装，中间形成检测通道，周边无导体屏蔽。

图6是图5的内部结构及发射线圈磁场分布图。图中，L是发射线圈、L1和L2是接收线圈。L1和L2的形状和技术参数完全相同，相对放置，共同组成一个高度等于深度的立方体，称为平衡接收单元。平衡接收单元的八个角A、B、C、D、E、F、G、H组成6个平面。正面ABCD与发射线圈L平行，它跟发射线圈L之间形成探测区，被检物质从探测区通过而受到检查。其余的5个面，ABFE为左侧面，CDHG为右侧面；ADHE为顶面，BCGF为底面，EFGH为背面。

图7是图6中接收线圈L1和L2的几何形状图。两线圈均为槽形，对合后组成一个高度h等于深度D的立方体，如图中箭头所指的那样。L1与L2的连接有双端输出和单端输出两种方式：双端输出的连接如图中的A那样，将L1与L2用相反的极性接到电阻R的两端上，它们的另一端为公共接地端，打点的一端为同名端，在R的两端输出两个信号e1和e2；在使用环境干扰较少，且探测精度要求不高的场合，也可以接成单端输出，如图中的B那样，将L1与L2反向并接，一端接地，另一端输出单端信号e与相应的电路(见图2)连接。

图8是一个平衡接收单元的结构图。设：探测区有一个金属物M(左图)出现时，该M在发射场的作用下产生二次场，向左侧面、顶面和底面穿过L2，向右侧面、顶面和底面穿过L1，分别以相反方向切割L2和L1，因此可在两线圈的输出端得到两个极性相同的信号输出。

当探测区域外的非探测区，例如在接收线圈的左侧外面有一个金属物M’(右图)出现时，那么：

1.磁通a同时同向穿过L1和L2，由于L1和L2是反向联接的，在其上产生的感应电动势因为方向相反就互相抵消了；

2.磁通b穿过顶面，且只穿过L1，磁通C穿过底面，也仅穿过L1；

3.磁通d穿过前面，仅穿过L2，磁通e穿过后面也仅穿过L2。

就2、3两种情况而言，由于L1和L2构成的是一个高度等于深度的立方体，顶、底两面与前后两面的表面积是相等的，若将两线圈展平，可以看到：磁通b、c同向穿过L1；d、e同向穿过L2，4条磁力线(实际磁力线是很多的，为了举例说明问题，这里仅画出代表性的4条)穿过两个线圈的方向都是一致的，这样，以同样密度的磁力线并以同样的方向，穿过相等的面积、互相反接的两个线圈L1与L2将产生两个大小相等、极性相反的信号，两个信号互相对消，从非探测区金属M’所产生的干扰信号就被消除了。L1、L2组合成这种结构的接收线圈称之为平衡接收单元。在实际应用中，为了满足不同探测高度的要求，可以根据具体情况将数个平衡单元以积木式的方式叠加安装。

图9是两个平衡接收单元积木式安装的结构图。图中左边上面是一个平衡单元，下面是一个平衡单元，为串列式安装，其接线如右边那样，L1与L1’串联，L2与L2’串联，然后以相反极性接在电阻R两端，另一端为公共端接地，e1、e2是输出端。

图10是复合平衡接收单元的结构图。图中，L1、L1’并绕在一起，L2、L2’并绕在一起，四个线圈的技术参数和形状都是相同的，然后把它们合拢，如箭头指向的图那样，就构成了复合式的平衡接收单元，这种结构实际上是把L1、L2和L1’、L2’所构成的两个平衡接收单元放在同一个立方体的各条棱上，各对应线圈L1、L2和L1’、L2’处在相同的几何位置上。其接线方式如图右边那样，L2’与L1同名端相联接，L1’与L2另一同名端相联接，e1、e2是输出端。这种结构除了具有对非探测区的金属干扰信号在空间的磁通分布上取得平衡效果之外，由于每一个单元的两个线圈是反向联接后输出的，起到了再一次平衡的作用，所以称为复合平衡结构。

综上所述，由于发射线圈和接收线圈是分体各自独立的，相对配置后中间形成探测通道，因此，安装时无需断开传送带，使用极为方便，而且通道的宽窄可以任意调节，在通道的探测区内，信号的强度基本上不会因金属物位置不同而有很大差异。因为若金属物距发射线圈较近，则相对距接收线圈较远，反之，距接收线圈较近，则距发射线圈较远，所以，信号的强弱基本上是一致的，不会因金属物所处位置不同而改变。探测面的大小基本上由线圈的宽度决定，可以将它缩小到充分的尺寸，从而能更精确地确定金属物的位置，灵敏度及分辨率均大为提高。

然而，采取上述措施后，问题并未完全解决。上面谈到，消除非探测区金属干扰信号的前提是：相等的磁通、以相同的方向穿过相等面积的两个反接线圈。这是在理想情况下的条件，事实上，要使顶、底面，前、背面的面积精确相等，工艺上是做不到的，同时，磁通的分布也不可能是完全均匀的，金属物出现的位置及其相互的影响更会导致磁场的畸变，所以，非探测区的金属物干扰信号就不能完全对消。此外，我们还看到，如果金属物出现在接收线圈背面的时候，它产生的二次场对接收线圈的作用除了磁通方向相反外，其性质与处在探测区内的金属物是一样的。所以，仅仅依靠平衡接收单元还不足以完全彻底消除非探测区来的金属干扰信号，还必须设法从电路上加以改善。从前面的分析可知，金属物只有处在探测区内，两个反向联接的线圈才能得到相同极性的信号。因此，采用下述检波—低电平选通电路，就能取出这两个相同极性的信号，滤除非探测区来的金属干扰信号，即极性相反的信号。

图11是检波—低电平选通电路的电路图。为了说明清楚，给出了虚线框内的前级与后续电路的连接关系。图中，GF是高频振荡器，L是发射线圈，L1和L2是两个对称的，技术参数相同的接收线圈，它们通过电阻R反向对接，N1～N4是低失调电压型运算放大器，型号为OP-07，V是结型N沟道场效应管(G是栅极、S是源极、D是漏极)，夹断电压Up为-4V左右。e1是L1的输出端，e2是L2的输出端。N1、N2作两个对称的放大器用，N1的输入端为IN1，输出端为OUT1，N2的输入端为IN2，输出端为OUT2。N3和V及***元件稳压管VD1、VD2、电阻R1、R3、R5组成低电平选通器，其中R5是V的栅极电阻，稳压管的稳压值为5.1V。N4及***元件半导体二极管VD3、VD4、电阻R2、R4组成线性检波器。电路中，R1＝R2＝R3＝R4，V1是选通器的一个输入端，V2是检波器的输入端，V2’是检波器的输出端，D是选通器的另一个输入端，V1’是选通器的输出端，与后续电路触发器的输入端usr连接。它们一起构成了检波—低电平选通电路。

电路可设计为选通正极性信号，也可以设计为选通负极性的信号。本电路设计为选通负极性信号，如果要改为选通正极性信号，只要将VD1～VD4反过来接，相应的场效应管改用P沟道管，栅极电阻R5改接+6V就行了。

在本电路中，检波—低电平选通是指在电路的两个输入端V1和V2同时有两个负极性的信号到来时，只选择信号电平较小的一个输出。“电平”在这里指绝对值。该选通器对两个输入端V1和V2出现的两个信号，如果同时为零，或者同时为正、或者一正一负，输出端V1’都输出零，总之，两个信号中只要任何一个≥0，输出均为零。只有当V1和V2出现的两个信号同时为负极性时，电路才选择电平较低的那个信号输出。

现以选通负极性信号为例，通过信号的传送，变化关系，说明其工作原理。

1.V1、V2端均为0时，即前级无信号送来，

2.V1、V2端均为正时(例如平衡接收单元背面存在金属物所引起的干扰信号，这种信号刚好和探测区内的金属信号反相)，由于V1为正，稳压管VD1正向导通，Vp点上的电压为VD1的正向压降-0.7V，G点电位为-0.7-5.1＝-5.8V，场效应管截止。由于V2为正，经检波后输出为0，因此V1’＝0。

3.V1、V2为一正一负时，即平衡接收单元两侧存在金属物所引起的干扰信号，在此情况下：

4.V1、V2端均为负时，即探测区内金属物引发的金属信号，这时电路便自动对V1和V2的电平进行比较，选择较低电平的信号输出：

(由于R2＝R4，V2检波后输出的V2’与V2电平相同，实际上V1与V2的比较就是V1与V2’的比较。)

当V1的电平低于V2’的电平时，N3输出正电压，稳压管VD2击穿，场效应管受控导通，V2’通过场效管馈送到输出端V1’，这时场效应管等效于一个压控电阻，它受到运放N3的输出电压控制，当输出端V1’的电平与输入端V1的电平相等时，电路达到平衡(电路平衡条件是

；因为R1＝R3，所以V1＝-V1’)。要满足上述的条件，V2’的电平必须大于V1的电平，只有这样才能保证V2’通过场效管压降之后仍能等于V1的电平。由此可见，当V1的电平小于V2的电平时，电路选择低电平的信号V1输出。当V1的电平高于V2’的电平时，电路仍然重复上述过程，但由于V2’的电平低于V1的电平，V2’通过场效应管馈送到V1’端的电平当然也低于V1的电平。在此情况之下，电路不能达到上述的平衡条件(即V1＝-V1’)，因而运放N3输出了VD1的击穿电压(5.1V)将VD1击穿而形成反馈通道。N3的输出同时也击穿了稳压管VD2，使场效应管V栅极的电压为0伏，场效应管充分导通，其导通电阻降至数百欧姆，V2’的电压几乎没有压降而通过场效应管V到达输出点V1’。也就是说，当V1的电平高于V2’的电平时，电路选择电平较低的信号V2’输出。

下面进一步描述电路的工作过程：

1.开机后检测区内无金属物存在。前面已经说过，L1、L2由于是反向联接的，感应电动势互相抵消，无信号输出，即e1、e2均等于0，N1、N2的输出电压即V1、V2的电压也等于0，N3、N4输出电压也等于0，场效应管被夹断，V1’点输出0，后续电路均不工作，仪器不会有反应。

2.检测区内有金属物出现。前面已经说过，金属物在检测区内受到发射场的作用会产生二次场反向切割L1、L2，在其输出端分别得到两个极性相同的信号，因为电路取负极性选通，第一路经N1放大后输出给V1的信号为负。第二路e2经N2放大后输出给V2的也为负，检波—低电平选通电路在V1和V2两个信号中选择电平较低的信号从V1’点输出，触发后续的指示器、报警器和执行机构工作。

3.干扰的消除。通常，干扰信号的出现是由于检测区***两侧有金属物存在或空间的电磁场而引起的，由于平衡接收单元的两个接收线圈L1、L2是反向连接的，于是这种干扰信号在平衡接收单元的两个输出端会输出一正一负的信号，经放大器N1和N2放大之后的信号在V1、V2端上也是极性相反的，这种一正一负的信号经检波—低电平选通电路后输出零而被滤除了。

最后值得一提的是，采用低电平选通的好处可使输出信号的幅度从零缓慢变化至最大，又从最大缓慢变化到零，使人直接感觉到金属物通过探头的过程，这种从弱到强又从强到弱的信号特征完全有别于突发性的干扰信号，便于操作者作出正确的判断。

Claims (3)

1.一种门式金属探测器，它包括高频振荡器及发射电路、触发器、指示器、报警器和执行机构，其特征在于，它还包括：

——一副无屏蔽框的分体式探测头，由发射线圈L和平衡接收单元线圈L1、L2构成，发射线圈与接收线圈是分开设置的，它们分别相对同轴安装在检测通道的两侧，L与高频振荡器GF的发射电路相连接，L1、L2为槽形，对合后组成一个高度h等于深度D的立方体，以相反的极性连接在电阻R的两端，它们的另一端为公共端接地，R与L1连接的一端为输出端e1，R与L2连接的那一端为输出端e2；

——两个对称的放大器N1和N2，其N1的输入端IN1与所述L1的输出端e1相连，N2的输入端IN2与所述L2的输出端e2相连接，N1的输出端为OUT1，N2的输出端为OUT2；

——一个检波一低电平选通电路，由线性检波器和低电平选通器构成，线性检波器的输入端V2与N2的输出端OUT2相连接，其输出端V2’与低电平选通器的一个输入端D相连接，低电平选通器的另一个输入端V1与N1的输出端OUT1相连接，低电平选通器的输出端V1’与所述触发器的输入端usr相连接，触发器的输出端分别连接所述的指示器、报警器和执行机构的输入端。

2.根据权利要求1所述的门式金属探测器，其特征在于：分体式探测头的发射线圈L与平衡接收单元线圈L1、L2均为板块结构，由支承座支承。

3.根据权利要求1或2所述的门式金属探测器，其特征在于：平衡接收单元线圈L1、L2可以是一个单元，也可以是两个以上积木式安装的平衡单元，或者是复合单元，其接线方式可以是双端输出，也可以接成单端输出。

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